基于omi数据的流层no

基于omi数据的流层no

全球变化研究的热点因素是时间分布、变化规律、气候和环境效应的主要因素之一。第2是gasb和其他光化学污染物（如琼海和二次气溶胶）的二次污染物之一。它是形成酸、碱、烟和光化学烟雾的主要污染物。no2的增加对环境、生态环境和人类健康产生了重大影响。流层no2的来源可分为人为源和自然源。人为源主要包括石化燃料燃烧和生物化学燃烧，自然源主要包括氨氧化、土壤沉积、闪电和平流层输送。近年来，在人类活动严重的地区，流层no2垂直柱浓度的增加趋势日益明显。这些地区也成为各方面研究的重点。中国经济的快速增长带来了大量直接的氮源，使no2的浓度和增长趋势达到了高水平，引起了世界各国的广泛关注。大气NO2浓度的传统研究方法大部分建立在地基检测基础上,如黄琼中利用AR-500型差分吸收光谱仪(DOAS)监测数据对拉萨市环境空气中的ρ(NO2)的变化特征进行了分析,虽然能获得局部低层大气的ρ(NO2)变化趋势,但在大区域尺度的观测上却力不从心.与传统大气监测方法相比,遥感具有覆盖范围广、实时、连续、分辨率高等优点,其为进行大尺度NO2等痕量气体的趋势分析和季节性循环研究提供了可靠依据.目前可用于NO2检测的星载仪器主要有SAGE,GOME,SCIAMACHY,GOMOS和OMI等传感器,近年来国外应用遥感资料研究大气NO2的成果很多.VELDERS等利用GOME资料和三维模式相结合,研究了全球对流层NO2垂直柱浓度的分布情况;RICHTER等利用1996—2004年的GOME和SCIAMACHY的对流层NO2资料研究了全球对流层NO2垂直柱浓度变化趋势,结果表明,中国东部以及香港地区增长显著.在国内,江文华等利用GOME卫星资料分析北京大气NO2污染变化;李莹进行了地基DOAS观测反演的大气层NO2柱总量与SCIAMACHY卫星对流层NO2垂直柱浓度数据的比较,以及大气层NO2柱总量时空分布的相关研究;张彦军等利用OMI数据,开展不同类型城市的NO2的分布及变化趋势研究.国内遥感探测NO2的研究起步较晚,应用较少,且多使用GOME和SCIAMACHY资料,OMI的资料的使用较少.OMI(OzoneMonitoringInstrument)探测仪是继GOME和SCIAMACHY之后又一个主要用于大气成分探测的传感器,引入高分辨率的光谱来反演痕量气体,空间分辨率可达12km×24km,传感器视场角为114°,条带宽度为2600km;其具有高时间分辨率,覆盖全球只用1d.相对于GOME和SCIAMACHY仪器,OMI具有更高的空间分辨率和每日一次全球覆盖的优势,而且首次提供每日臭氧和其他污染物的全球测量结果.笔者从美国国家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)提供的全球对流层NO2垂直柱浓度遥感产品中提取我国2004年11月—2008年1月对流层NO2垂直柱浓度的时空分布信息,并从自然地理分区的角度研究我国对流层NO2垂直柱浓度的时空分布规律及变化趋势.为此,按照任美锷等于1988年提出的自然地理区划来划分研究区,将中国划分为东北区、华北区、华中区、华南区、青藏区、西北区、内蒙区和西南区.通过线性模型拟合定量地对比各自然区对流层NO2垂直柱浓度的时空分布特征.1自然区标准生产及转化数据为NASA(/)提供的OMI-L3-NO2每天的NO2垂直柱浓度全球产品,时间为2004年11月—2008年1月.由于下载的原始产品格式为HDF-EOS格式,在使用前通过matlab编写代码提取经纬度、时间及对流层NO2垂直柱浓度等信息,并将经纬度和对流层NO2重直柱浓度信息匹配,求出月均值、年均值等,然后转化为更适合于空间分析的shapefile(point)格式输出,8个自然区的矢量图则根据任美锷等的区划图经数字化后获得(见图1),在Arcgis中将各自然区与转化后的不同时间的点属性数据叠加,统计落入各区域的点的平均值作为该自然区时间段内的对流层NO2垂直柱浓度的平均值.以该方法获得了各自然区2005—2007年的对流层NO2垂直柱浓度年均值,以及2004年11月至2008年1月的月均值.2华北区对流层no2垂直柱浓度变化图2是2005年1月—2007年12月8个自然区对流层NO2垂直柱浓度的平均值.由图2可知,我国对流层NO2垂直柱浓度空间分布极不平衡,东部工农业发达区域的NO2垂直柱浓度明显高于西部地区,其中最大值在山西、河北等地,高达1.2×1016~1.5×1016mol/cm2;最小值在青藏区,大部分地区低于3×1015mol/cm2.在各自然区中,华北区大部分区域的对流层NO2垂直柱浓度较高;在华中区的长江三角洲经济发达地区,NO2垂直柱浓度较高,四川盆地也较周围其他区域高;华南区珠江三角洲也是对流层NO2垂直柱浓度高值区.总体来看,我国区域内对流层NO2垂直柱浓度分布与经济发展有较好的一致性,说明对流层NO2浓度与人类活动密切相关,其高值区在华北区的山西、河北等地较为集中,这可能与本区是主要的煤炭产区和消费区有关.3各自然区域内流层no2垂直柱的浓度时间变化3.1华南区、东北区、西南区、青藏区图3是2005—2007年8个自然区的对流层NO2垂直柱浓度年均值分布.由图3可知,各自然区的对流层NO2垂直柱浓度高低顺序为华北区>华中区>华南区>东北区>内蒙区>西南区>西北区>青藏区;各自然区NO2垂直柱浓度总体上均处于增长趋势,部分区域在2006年有微小的下降.青藏区、西北区、东北区3年来的NO2垂直柱浓度基本平衡,而华北区、华中区和华南区在2007年增长较多.这突出反映了经济发达地区对流层NO2垂直柱浓度高,增长也较快,而在经济欠发达或人类影响较少的地区,对流层NO2垂直柱浓度低,增长也较慢.进一步说明了人类活动在对流层NO2垂直柱浓度分布中起着重要作用.3.2不稳定区域内的no2垂直柱浓度月均值变化特征图4为2004年11月—2008年1月的各自然区的NO2垂直柱浓度月均值变化.由图4可知,各自然区月均值的大小顺序与年均值顺序相符,即华北区NO2垂直柱浓度最大,青藏区最小.另外,在浓度较高的华北区、华中区,对流层NO2垂直柱浓度月均值的周期性较弱,而在浓度较低的青藏区周期性较为明显.为定量地比较各自然区的对流层NO2垂直柱浓度的变化特征,在WEATHERHEAD等和张彦军等的研究基础上,笔者采用简化的正弦模型来拟合各自然区的NO2垂直柱浓度的变化:y=At+Btx+Ctsin(2πDtx+Et)(1)y=At+Btx+Ctsin(2πDtx+Et)(1)式中,y为拟合模型计算的自然区对流层NO2垂直柱浓度的月均值,x为月份;t代表不同自然区;At,Bt,Ct,Dt,Et为模型的参数.At+Btx可表示NO2垂直柱浓度的变化趋势线(其中,At反映了自然区对流层NO2垂直柱浓度总体的高低水平,Bt可以定量地对比各自然区NO2垂直柱浓度每月变化的量);Bt/At可表示该地区对流层NO2垂直柱浓度的月均值相对变化率;Ctsin(2πDtx+Et)Ctsin(2πDtx+Et)可以描述对流层NO2垂直柱浓度的月均值周期性的变化特点(式中,Ct为变化振幅,Dt为变化周期,Et为峰值或谷值).利用式(1)分别对各自然区的NO2垂直柱浓度月均值进行拟合,拟合结果如图5所示,拟合曲线的各参数如表1所示.由表1可知,从模型的拟合精度(R2)来看,基本上可较好地反映各自然区的对流层NO2垂直柱浓度变化特征,其中青藏区、西北区等西部地区的拟合效果较好,R2在0.95以上;而华中区、华北区和华南区的拟合精度均较低,拟合值与实际值偏差较大.原因可能是在人类活动较小的青藏区和西北区,对流层NO2主要以自然源为主,其季节变化的规律性较为稳定;而在人类活动强烈的华北区、华中区和华南区,对流层NO2则以人为源为主,受人类活动的影响较大,其浓度常年维持在较高的水平上,故周期性变化特点不明显,拟合效果不佳.从对流层的NO2垂直柱浓度的数量级(At)上来看,华北区>华中区>华南区>东北区>内蒙区>西北区>青藏区.华北区的At较大,约为8.1892×1015mol/cm2;青藏区最小,为3.1818×1015mol/cm2.从增长量(Bt)上看,华北区>华中区>内蒙区>华南区>东北区>西南区>西北区>青藏区.月均增长量最大的华北区为0.0286×1015mol/cm2,最小的青藏区甚至出现微小的负增长;而西北区NO2垂直柱浓度相对较稳定,月均增长量为4.4749×1010mol/cm2.从相对增长率(Bt/At)来看,华北区>内蒙区>华中区>华南区>西南区>西北区>青藏区.增长最快的华北区月相对增长率为0.3492%,最慢的青藏区为-0.0220%,出现减小趋势,而西北区为0.0012%,可以看出西北区的对流层NO2垂直柱浓度基本稳定.各自然区对流层NO2垂直柱浓度变化周期(Dt)基本相当,即12个月,这也说明了对流层NO2垂直柱浓度存在明显的季节变化;在变化幅度(Ct)上,东北区>内蒙区>西北区>华北区>青藏区>西南区>华南区>华中区.变化幅度较大的东北区为1.1625×1015mol/cm2,华中区最小,为0.2688×1015mol/cm2.从各自然区月均值的变化振幅的排列顺序发现如下规律:自南向北,随着纬度的增加,对流层NO2垂直柱浓度月均值的变化幅度逐渐增大,其原因可能与季节温差的变化有关.随着纬度的增加,温度的年较差逐渐增大,而由于氮氧化物的寿命与温度有显著的关系,即温度高时NO2的垂直柱浓度较低,温度低时浓度较高,所以当地区的温度年较差较大时,其NO2垂直柱浓度的变化幅度也较大.从周期性的表现看,在青藏区、西北区等人类干扰较弱的地区周期性较为明显,大致呈现冬、春季浓度较低,夏、秋季较高的特点,这也反映了自然状态下对流层NO2垂直柱浓度的变化规律,但是在华北区、华中区等受人类干扰较为明显的区域,周期性不明显,有些时间甚至出现对流层NO2垂直柱浓度冬、春季大于夏季的形势,这主要与冬季燃煤取暖等人类活动的加强有关.4人类活动对流层no2垂直柱的影响a.由于经济发展条件的差别,我国8个自然区对流层NO2垂直柱浓度的时空分布特征差别显著,其中在华北区、华中区等人类活动强烈影响的区域,对流层NO2垂直柱浓度较高,增长趋势显著,但季节变化的周期性表现微弱;而在青藏区、西北区等以自然源为主的区域,对流层NO2垂直柱浓度较低,季节变化的周期性明显,浓度也维持在相对稳定的状态.b.对流层NO2垂直柱浓度的变化振幅与纬度或者与年较差的大小有着某种关系,这在以后的研究中有待于进一步验证.5对流层no2的遥感检测现阶段国内利用卫星遥感监测对流层NO2的研究与大气气溶胶、臭氧等其他大气污染物的遥感监测相比,存在明显的不足,如王耀庭等对卫星遥感监测气溶胶的原理及其在卫星遥感反演中气溶胶多种性质间的复杂关系进行了论述,并对未来气溶胶的研究进提出了建议,而在国内如此详细地论述卫星遥感监测在NO2的研究应用中却鲜见报道.此外,中国对流层NO2垂直柱浓度与各种自然地理条件及人类工农业生产的关系的探究