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因素是時間分布、變化規(guī)律、氣候和環(huán)境效應的主要因素之一。第2是gasb和其他光化學污染物（如瓊海和二次氣溶膠）的二次污染物之一。它是形成酸、堿、煙和光化學煙霧的主要污染物。no2的增加對環(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，在人類活動嚴重的地區(qū)，流層no2垂直柱濃度的增加趨勢日益明顯。這些地區(qū)也成為各方面研究的重點。中國經(jīng)濟的快速增長帶來了大量直接的氮源，使no2的濃度和增長趨勢達到了高水平，引起了世界各國的廣泛關注。大氣NO2濃度的傳統(tǒng)研究方法大部分建立在地基檢測基礎上,如黃瓊中利用AR-500型差分吸收光譜儀(DOAS)監(jiān)測數(shù)據(jù)對拉薩市環(huán)境空氣中的ρ(NO2)的變化特征進行了分析,雖然能獲得局部低層大氣的ρ(NO2)變化趨勢,但在大區(qū)域尺度的觀測上卻力不從心.與傳統(tǒng)大氣監(jiān)測方法相比,遙感具有覆蓋范圍廣、實時、連續(xù)、分辨率高等優(yōu)點,其為進行大尺度NO2等痕量氣體的趨勢分析和季節(jié)性循環(huán)研究提供了可靠依據(jù).目前可用于NO2檢測的星載儀器主要有SAGE,GOME,SCIAMACHY,GOMOS和OMI等傳感器,近年來國外應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的對流層NO2資料研究了全球?qū)α鲗覰O2垂直柱濃度變化趨勢,結(jié)果表明,中國東部以及香港地區(qū)增長顯著.在國內(nèi),江文華等利用GOME衛(wèi)星資料分析北京大氣NO2污染變化;李瑩進行了地基DOAS觀測反演的大氣層NO2柱總量與SCIAMACHY衛(wèi)星對流層NO2垂直柱濃度數(shù)據(jù)的比較,以及大氣層NO2柱總量時空分布的相關研究;張彥軍等利用OMI數(shù)據(jù),開展不同類型城市的NO2的分布及變化趨勢研究.國內(nèi)遙感探測NO2的研究起步較晚,應用較少,且多使用GOME和SCIAMACHY資料,OMI的資料的使用較少.OMI(OzoneMonitoringInstrument)探測儀是繼GOME和SCIAMACHY之后又一個主要用于大氣成分探測的傳感器,引入高分辨率的光譜來反演痕量氣體,空間分辨率可達12km×24km,傳感器視場角為114°,條帶寬度為2600km;其具有高時間分辨率,覆蓋全球只用1d.相對于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,而且首次提供每日臭氧和其他污染物的全球測量結(jié)果.筆者從美國國家航空航天局(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2004年11月—2008年1月對流層NO2垂直柱濃度的時空分布信息,并從自然地理分區(qū)的角度研究我國對流層NO2垂直柱濃度的時空分布規(guī)律及變化趨勢.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比各自然區(qū)對流層NO2垂直柱濃度的時空分布特征.1自然區(qū)標準生產(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、時間及對流層NO2垂直柱濃度等信息,并將經(jīng)緯度和對流層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)化后的不同時間的點屬性數(shù)據(jù)疊加,統(tǒng)計落入各區(qū)域的點的平均值作為該自然區(qū)時間段內(nèi)的對流層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)對流層no2垂直柱濃度變化圖2是2005年1月—2007年12月8個自然區(qū)對流層NO2垂直柱濃度的平均值.由圖2可知,我國對流層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)域的對流層NO2垂直柱濃度較高;在華中區(qū)的長江三角洲經(jīng)濟發(fā)達地區(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)珠江三角洲也是對流層NO2垂直柱濃度高值區(qū).總體來看,我國區(qū)域內(nèi)對流層NO2垂直柱濃度分布與經(jīng)濟發(fā)展有較好的一致性,說明對流層NO2濃度與人類活動密切相關,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)和消費區(qū)有關.3各自然區(qū)域內(nèi)流層no2垂直柱的濃度時間變化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個自然區(qū)的對流層NO2垂直柱濃度年均值分布.由圖3可知,各自然區(qū)的對流層NO2垂直柱濃度高低順序為華北區(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趨勢,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年增長較多.這突出反映了經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)對流層NO2垂直柱濃度高,增長也較快,而在經(jīng)濟欠發(fā)達或人類影響較少的地區(qū),對流層NO2垂直柱濃度低,增長也較慢.進一步說明了人類活動在對流層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上,筆者采用簡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為擬合模型計算的自然區(qū)對流層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線(其中,At反映了自然區(qū)對流層NO2垂直柱濃度總體的高低水平,Bt可以定量地對比各自然區(qū)NO2垂直柱濃度每月變化的量);Bt/At可表示該地區(qū)對流層NO2垂直柱濃度的月均值相對變化率;Ctsin(2πDtx+Et)Ctsin(2πDtx+Et)可以描述對流層NO2垂直柱濃度的月均值周期性的變化特點(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)分別對各自然區(qū)的NO2垂直柱濃度月均值進行擬合,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,擬合值與實際值偏差較大.原因可能是在人類活動較小的青藏區(qū)和西北區(qū),對流層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;而在人類活動強烈的華北區(qū)、華中區(qū)和華南區(qū),對流層NO2則以人為源為主,受人類活動的影響較大,其濃度常年維持在較高的水平上,故周期性變化特點不明顯,擬合效果不佳.從對流層的NO2垂直柱濃度的數(shù)量級(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)微小的負增長;而西北區(qū)NO2垂直柱濃度相對較穩(wěn)定,月均增長量為4.4749×1010mol/cm2.從相對增長率(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).增長最快的華北區(qū)月相對增長率為0.3492%,最慢的青藏區(qū)為-0.0220%,出現(xiàn)減小趨勢,而西北區(qū)為0.0012%,可以看出西北區(qū)的對流層NO2垂直柱濃度基本穩(wěn)定.各自然區(qū)對流層NO2垂直柱濃度變化周期(Dt)基本相當,即12個月,這也說明了對流層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.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系,即溫度高時NO2的垂直柱濃度較低,溫度低時濃度較高,所以當?shù)貐^(qū)的溫度年較差較大時,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,這也反映了自然狀態(tài)下對流層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,有些時間甚至出現(xiàn)對流層NO2垂直柱濃度冬、春季大于夏季的形勢,這主要與冬季燃煤取暖等人類活動的加強有關.4人類活動對流層no2垂直柱的影響a.由于經(jīng)濟發(fā)展條件的差別,我國8個自然區(qū)對流層NO2垂直柱濃度的時空分布特征差別顯著,其中在華北區(qū)、華中區(qū)等人類活動強烈影響的區(qū)域,對流層NO2垂直柱濃度較高,增長趨勢顯著,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,濃度也維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài).b.對流層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系,這在以后的研究中有待于進一步驗證.5對流層no2的遙感檢測現(xiàn)階段國內(nèi)利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測對流層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)測相比,存在明顯的不足,如王耀庭等對衛(wèi)星遙感監(jiān)測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)間的復雜關系進行了論述,并對未來氣溶膠的研究進提出了建議,而在國內(nèi)如此詳細地論述衛(wèi)星遙感監(jiān)測在NO2的研究應用中卻鮮見報道.此外,中國對流層NO2垂直柱濃度與各種自然地理條件及人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關系的探究