基于omi數(shù)據(jù)的流層no

基于omi數(shù)據(jù)的流層no

全球變化研究的熱點(diǎn)因素是時(shí)間分布、變化規(guī)律、氣候和環(huán)境效應(yīng)的主要因素之一。第2是gasb和其他光化學(xué)污染物（如瓊海和二次氣溶膠）的二次污染物之一。它是形成酸、堿、煙和光化學(xué)煙霧的主要污染物。no2的增加對(duì)環(huán)境、生態(tài)環(huán)境和人類健康產(chǎn)生了重大影響。流層no2的來源可分為人為源和自然源。人為源主要包括石化燃料燃燒和生物化學(xué)燃燒，自然源主要包括氨氧化、土壤沉積、閃電和平流層輸送。近年來，在人類活動(dòng)嚴(yán)重的地區(qū)，流層no2垂直柱濃度的增加趨勢(shì)日益明顯。這些地區(qū)也成為各方面研究的重點(diǎn)。中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)帶來了大量直接的氮源，使no2的濃度和增長(zhǎng)趨勢(shì)達(dá)到了高水平，引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。大氣NO2濃度的傳統(tǒng)研究方法大部分建立在地基檢測(cè)基礎(chǔ)上,如黃瓊中利用AR-500型差分吸收光譜儀(DOAS)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)拉薩市環(huán)境空氣中的ρ(NO2)的變化特征進(jìn)行了分析,雖然能獲得局部低層大氣的ρ(NO2)變化趨勢(shì),但在大區(qū)域尺度的觀測(cè)上卻力不從心.與傳統(tǒng)大氣監(jiān)測(cè)方法相比,遙感具有覆蓋范圍廣、實(shí)時(shí)、連續(xù)、分辨率高等優(yōu)點(diǎn),其為進(jìn)行大尺度NO2等痕量氣體的趨勢(shì)分析和季節(jié)性循環(huán)研究提供了可靠依據(jù).目前可用于NO2檢測(cè)的星載儀器主要有SAGE,GOME,SCIAMACHY,GOMOS和OMI等傳感器,近年來國(guó)外應(yīng)用遙感資料研究大氣NO2的成果很多.VELDERS等利用GOME資料和三維模式相結(jié)合,研究了全球?qū)α鲗覰O2垂直柱濃度的分布情況;RICHTER等利用1996—2004年的GOME和SCIAMACHY的對(duì)流層NO2資料研究了全球?qū)α鲗覰O2垂直柱濃度變化趨勢(shì),結(jié)果表明,中國(guó)東部以及香港地區(qū)增長(zhǎng)顯著.在國(guó)內(nèi),江文華等利用GOME衛(wèi)星資料分析北京大氣NO2污染變化;李瑩進(jìn)行了地基DOAS觀測(cè)反演的大氣層NO2柱總量與SCIAMACHY衛(wèi)星對(duì)流層NO2垂直柱濃度數(shù)據(jù)的比較,以及大氣層NO2柱總量時(shí)空分布的相關(guān)研究;張彥軍等利用OMI數(shù)據(jù),開展不同類型城市的NO2的分布及變化趨勢(shì)研究.國(guó)內(nèi)遙感探測(cè)NO2的研究起步較晚,應(yīng)用較少,且多使用GOME和SCIAMACHY資料,OMI的資料的使用較少.OMI(OzoneMonitoringInstrument)探測(cè)儀是繼GOME和SCIAMACHY之后又一個(gè)主要用于大氣成分探測(cè)的傳感器,引入高分辨率的光譜來反演痕量氣體,空間分辨率可達(dá)12km×24km,傳感器視場(chǎng)角為114°,條帶寬度為2600km;其具有高時(shí)間分辨率,覆蓋全球只用1d.相對(duì)于GOME和SCIAMACHY儀器,OMI具有更高的空間分辨率和每日一次全球覆蓋的優(yōu)勢(shì),而且首次提供每日臭氧和其他污染物的全球測(cè)量結(jié)果.筆者從美國(guó)國(guó)家航空航天局(NationalAeronauticsandSpaceAdministration,NASA)提供的全球?qū)α鲗覰O2垂直柱濃度遙感產(chǎn)品中提取我國(guó)2004年11月—2008年1月對(duì)流層NO2垂直柱濃度的時(shí)空分布信息,并從自然地理分區(qū)的角度研究我國(guó)對(duì)流層NO2垂直柱濃度的時(shí)空分布規(guī)律及變化趨勢(shì).為此,按照任美鍔等于1988年提出的自然地理區(qū)劃來劃分研究區(qū),將中國(guó)劃分為東北區(qū)、華北區(qū)、華中區(qū)、華南區(qū)、青藏區(qū)、西北區(qū)、內(nèi)蒙區(qū)和西南區(qū).通過線性模型擬合定量地對(duì)比各自然區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度的時(shí)空分布特征.1自然區(qū)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)及轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)為NASA(/)提供的OMI-L3-NO2每天的NO2垂直柱濃度全球產(chǎn)品,時(shí)間為2004年11月—2008年1月.由于下載的原始產(chǎn)品格式為HDF-EOS格式,在使用前通過matlab編寫代碼提取經(jīng)緯度、時(shí)間及對(duì)流層NO2垂直柱濃度等信息,并將經(jīng)緯度和對(duì)流層NO2重直柱濃度信息匹配,求出月均值、年均值等,然后轉(zhuǎn)化為更適合于空間分析的shapefile(point)格式輸出,8個(gè)自然區(qū)的矢量圖則根據(jù)任美鍔等的區(qū)劃圖經(jīng)數(shù)字化后獲得(見圖1),在Arcgis中將各自然區(qū)與轉(zhuǎn)化后的不同時(shí)間的點(diǎn)屬性數(shù)據(jù)疊加,統(tǒng)計(jì)落入各區(qū)域的點(diǎn)的平均值作為該自然區(qū)時(shí)間段內(nèi)的對(duì)流層NO2垂直柱濃度的平均值.以該方法獲得了各自然區(qū)2005—2007年的對(duì)流層NO2垂直柱濃度年均值,以及2004年11月至2008年1月的月均值.2華北區(qū)對(duì)流層no2垂直柱濃度變化圖2是2005年1月—2007年12月8個(gè)自然區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度的平均值.由圖2可知,我國(guó)對(duì)流層NO2垂直柱濃度空間分布極不平衡,東部工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域的NO2垂直柱濃度明顯高于西部地區(qū),其中最大值在山西、河北等地,高達(dá)1.2×1016~1.5×1016mol/cm2;最小值在青藏區(qū),大部分地區(qū)低于3×1015mol/cm2.在各自然區(qū)中,華北區(qū)大部分區(qū)域的對(duì)流層NO2垂直柱濃度較高;在華中區(qū)的長(zhǎng)江三角洲經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū),NO2垂直柱濃度較高,四川盆地也較周圍其他區(qū)域高;華南區(qū)珠江三角洲也是對(duì)流層NO2垂直柱濃度高值區(qū).總體來看,我國(guó)區(qū)域內(nèi)對(duì)流層NO2垂直柱濃度分布與經(jīng)濟(jì)發(fā)展有較好的一致性,說明對(duì)流層NO2濃度與人類活動(dòng)密切相關(guān),其高值區(qū)在華北區(qū)的山西、河北等地較為集中,這可能與本區(qū)是主要的煤炭產(chǎn)區(qū)和消費(fèi)區(qū)有關(guān).3各自然區(qū)域內(nèi)流層no2垂直柱的濃度時(shí)間變化3.1華南區(qū)、東北區(qū)、西南區(qū)、青藏區(qū)圖3是2005—2007年8個(gè)自然區(qū)的對(duì)流層NO2垂直柱濃度年均值分布.由圖3可知,各自然區(qū)的對(duì)流層NO2垂直柱濃度高低順序?yàn)槿A北區(qū)>華中區(qū)>華南區(qū)>東北區(qū)>內(nèi)蒙區(qū)>西南區(qū)>西北區(qū)>青藏區(qū);各自然區(qū)NO2垂直柱濃度總體上均處于增長(zhǎng)趨勢(shì),部分區(qū)域在2006年有微小的下降.青藏區(qū)、西北區(qū)、東北區(qū)3年來的NO2垂直柱濃度基本平衡,而華北區(qū)、華中區(qū)和華南區(qū)在2007年增長(zhǎng)較多.這突出反映了經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度高,增長(zhǎng)也較快,而在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)或人類影響較少的地區(qū),對(duì)流層NO2垂直柱濃度低,增長(zhǎng)也較慢.進(jìn)一步說明了人類活動(dòng)在對(duì)流層NO2垂直柱濃度分布中起著重要作用.3.2不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)的no2垂直柱濃度月均值變化特征圖4為2004年11月—2008年1月的各自然區(qū)的NO2垂直柱濃度月均值變化.由圖4可知,各自然區(qū)月均值的大小順序與年均值順序相符,即華北區(qū)NO2垂直柱濃度最大,青藏區(qū)最小.另外,在濃度較高的華北區(qū)、華中區(qū),對(duì)流層NO2垂直柱濃度月均值的周期性較弱,而在濃度較低的青藏區(qū)周期性較為明顯.為定量地比較各自然區(qū)的對(duì)流層NO2垂直柱濃度的變化特征,在WEATHERHEAD等和張彥軍等的研究基礎(chǔ)上,筆者采用簡(jiǎn)化的正弦模型來擬合各自然區(qū)的NO2垂直柱濃度的變化:y=At+Btx+Ctsin(2πDtx+Et)(1)y=At+Btx+Ctsin(2πDtx+Et)(1)式中,y為擬合模型計(jì)算的自然區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度的月均值,x為月份;t代表不同自然區(qū);At,Bt,Ct,Dt,Et為模型的參數(shù).At+Btx可表示NO2垂直柱濃度的變化趨勢(shì)線(其中,At反映了自然區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度總體的高低水平,Bt可以定量地對(duì)比各自然區(qū)NO2垂直柱濃度每月變化的量);Bt/At可表示該地區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度的月均值相對(duì)變化率;Ctsin(2πDtx+Et)Ctsin(2πDtx+Et)可以描述對(duì)流層NO2垂直柱濃度的月均值周期性的變化特點(diǎn)(式中,Ct為變化振幅,Dt為變化周期,Et為峰值或谷值).利用式(1)分別對(duì)各自然區(qū)的NO2垂直柱濃度月均值進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果如圖5所示,擬合曲線的各參數(shù)如表1所示.由表1可知,從模型的擬合精度(R2)來看,基本上可較好地反映各自然區(qū)的對(duì)流層NO2垂直柱濃度變化特征,其中青藏區(qū)、西北區(qū)等西部地區(qū)的擬合效果較好,R2在0.95以上;而華中區(qū)、華北區(qū)和華南區(qū)的擬合精度均較低,擬合值與實(shí)際值偏差較大.原因可能是在人類活動(dòng)較小的青藏區(qū)和西北區(qū),對(duì)流層NO2主要以自然源為主,其季節(jié)變化的規(guī)律性較為穩(wěn)定;而在人類活動(dòng)強(qiáng)烈的華北區(qū)、華中區(qū)和華南區(qū),對(duì)流層NO2則以人為源為主,受人類活動(dòng)的影響較大,其濃度常年維持在較高的水平上,故周期性變化特點(diǎn)不明顯,擬合效果不佳.從對(duì)流層的NO2垂直柱濃度的數(shù)量級(jí)(At)上來看,華北區(qū)>華中區(qū)>華南區(qū)>東北區(qū)>內(nèi)蒙區(qū)>西北區(qū)>青藏區(qū).華北區(qū)的At較大,約為8.1892×1015mol/cm2;青藏區(qū)最小,為3.1818×1015mol/cm2.從增長(zhǎng)量(Bt)上看,華北區(qū)>華中區(qū)>內(nèi)蒙區(qū)>華南區(qū)>東北區(qū)>西南區(qū)>西北區(qū)>青藏區(qū).月均增長(zhǎng)量最大的華北區(qū)為0.0286×1015mol/cm2,最小的青藏區(qū)甚至出現(xiàn)微小的負(fù)增長(zhǎng);而西北區(qū)NO2垂直柱濃度相對(duì)較穩(wěn)定,月均增長(zhǎng)量為4.4749×1010mol/cm2.從相對(duì)增長(zhǎng)率(Bt/At)來看,華北區(qū)>內(nèi)蒙區(qū)>華中區(qū)>華南區(qū)>西南區(qū)>西北區(qū)>青藏區(qū).增長(zhǎng)最快的華北區(qū)月相對(duì)增長(zhǎng)率為0.3492%,最慢的青藏區(qū)為-0.0220%,出現(xiàn)減小趨勢(shì),而西北區(qū)為0.0012%,可以看出西北區(qū)的對(duì)流層NO2垂直柱濃度基本穩(wěn)定.各自然區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度變化周期(Dt)基本相當(dāng),即12個(gè)月,這也說明了對(duì)流層NO2垂直柱濃度存在明顯的季節(jié)變化;在變化幅度(Ct)上,東北區(qū)>內(nèi)蒙區(qū)>西北區(qū)>華北區(qū)>青藏區(qū)>西南區(qū)>華南區(qū)>華中區(qū).變化幅度較大的東北區(qū)為1.1625×1015mol/cm2,華中區(qū)最小,為0.2688×1015mol/cm2.從各自然區(qū)月均值的變化振幅的排列順序發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:自南向北,隨著緯度的增加,對(duì)流層NO2垂直柱濃度月均值的變化幅度逐漸增大,其原因可能與季節(jié)溫差的變化有關(guān).隨著緯度的增加,溫度的年較差逐漸增大,而由于氮氧化物的壽命與溫度有顯著的關(guān)系,即溫度高時(shí)NO2的垂直柱濃度較低,溫度低時(shí)濃度較高,所以當(dāng)?shù)貐^(qū)的溫度年較差較大時(shí),其NO2垂直柱濃度的變化幅度也較大.從周期性的表現(xiàn)看,在青藏區(qū)、西北區(qū)等人類干擾較弱的地區(qū)周期性較為明顯,大致呈現(xiàn)冬、春季濃度較低,夏、秋季較高的特點(diǎn),這也反映了自然狀態(tài)下對(duì)流層NO2垂直柱濃度的變化規(guī)律,但是在華北區(qū)、華中區(qū)等受人類干擾較為明顯的區(qū)域,周期性不明顯,有些時(shí)間甚至出現(xiàn)對(duì)流層NO2垂直柱濃度冬、春季大于夏季的形勢(shì),這主要與冬季燃煤取暖等人類活動(dòng)的加強(qiáng)有關(guān).4人類活動(dòng)對(duì)流層no2垂直柱的影響a.由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展條件的差別,我國(guó)8個(gè)自然區(qū)對(duì)流層NO2垂直柱濃度的時(shí)空分布特征差別顯著,其中在華北區(qū)、華中區(qū)等人類活動(dòng)強(qiáng)烈影響的區(qū)域,對(duì)流層NO2垂直柱濃度較高,增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著,但季節(jié)變化的周期性表現(xiàn)微弱;而在青藏區(qū)、西北區(qū)等以自然源為主的區(qū)域,對(duì)流層NO2垂直柱濃度較低,季節(jié)變化的周期性明顯,濃度也維持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).b.對(duì)流層NO2垂直柱濃度的變化振幅與緯度或者與年較差的大小有著某種關(guān)系,這在以后的研究中有待于進(jìn)一步驗(yàn)證.5對(duì)流層no2的遙感檢測(cè)現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)對(duì)流層NO2的研究與大氣氣溶膠、臭氧等其他大氣污染物的遙感監(jiān)測(cè)相比,存在明顯的不足,如王耀庭等對(duì)衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)氣溶膠的原理及其在衛(wèi)星遙感反演中氣溶膠多種性質(zhì)間的復(fù)雜關(guān)系進(jìn)行了論述,并對(duì)未來氣溶膠的研究進(jìn)提出了建議,而在國(guó)內(nèi)如此詳細(xì)地論述衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)在NO2的研究應(yīng)用中卻鮮見報(bào)道.此外,中國(guó)對(duì)流層NO2垂直柱濃度與各種自然地理?xiàng)l件及人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系的探究