2005～2013年中國地區(qū)對流層二氧化氮分布及變化趨勢

高晉徽,朱　彬*,王言哲,康漢青（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠與云降水重點實驗室,江蘇 南京 210044）

2005～2013年中國地區(qū)對流層二氧化氮分布及變化趨勢

高晉徽1,2,朱彬1,2*,王言哲1,2,康漢青1,2（1.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠與云降水重點實驗室,江蘇 南京 210044）

利用OMI探測器資料反演的對流層NO2柱濃度,結(jié)合REAS東亞地區(qū)NOx排放清單, ECMWF地面10m風場數(shù)據(jù)和中國統(tǒng)計年鑒中相關統(tǒng)計數(shù)據(jù),研究了2005～2013年中國地區(qū)對流層NO2柱濃度的空間分布和長期變化趨勢,NO2柱濃度的季節(jié)差異與排放源和地面風場的關系,以及國家政策實施情況與NO2柱濃度的關系.結(jié)果表明：中國地區(qū)NO2對流層柱濃度的高值區(qū)主要分布在華北地區(qū)、長江三角洲、珠江三角洲以及四川盆地等人口密集、人類活動頻繁的大型城市和地區(qū).NO2對流層柱濃度的變化存在東西部差異,值得注意的是東部在2011年之前基本表現(xiàn)為增加,但在2011年以后表現(xiàn)為下降,且與2011年相比年平均濃度下降了7.1%.工業(yè)氮氧化物排放總量的下降是2011年后NO2濃度下降的一個重要原因.西部濃度低于東部,但近9a濃度基本表現(xiàn)為增長.對流層柱濃度存在明顯的季節(jié)差異,東部地區(qū)及大型城市基本表現(xiàn)為冬季高、夏季低.NOx人為排放源的季節(jié)差異是NO2濃度季節(jié)差異的重要因素之一,同時氣象條件的作用不可忽視.

二氧化氮；對流層柱濃度；統(tǒng)計年鑒；衛(wèi)星遙感

二氧化氮（NO2）是大氣中主要的是含氮污染物［1］.在對流層中,NO2作為對流層臭氧的前體物之一是光化學反應和形成光化學煙霧的重要參與者,另外NO2氧化成為硝酸和硝酸鹽是形成硝酸型酸雨的主要來源.對流層臭氧的增加以及NO2濃度達到一定程度會危害人體健康以及農(nóng)作物生長［2］,因此NO2濃度以及NO2在大氣中參與的反應受到了廣泛關注.大氣中NO2的來源主要包含自然源和人為源兩個部分：自然源方面主要包括閃電過程［3-4］、微生物過程、土壤和海洋排放等；人為源主要是指化石燃料和生物質(zhì)的燃燒［5］.NO2的研究最初是基于地面觀測站點的觀測研究,但在人力物力資源的制約下,外場觀測的覆蓋范圍、觀測密度以及持續(xù)時間會受到很大程度的限制［6］.近幾十年來,利用衛(wèi)星遙感對NO2的連續(xù)觀測不僅使得長期觀測成為現(xiàn)實并且讓觀測尺度能夠擴展到區(qū)域、大洲以及全球范圍. 1995年 ERS-2衛(wèi)星上搭載的探測儀 Global Ozone Monitoring Experiment（GOME）［7-8］開始了對NO2的遙感觀測,此后2002年ENVISAT-1上搭載的 Scanning Imaging Absorption spectro Meter for Atmospheric CartograpHY （SCIAMCHY）［9-10］, 2004年EOS-AURA上搭載的高分辨率傳感器Ozone Monitoring Instrument （OMI）［11］以及 2006年在 MetOp衛(wèi)星上搭載的Global Ozone Monitoring Experiment-2 （GOME-2）［12］相繼投入使用,對全球范圍內(nèi)對整層和對流層的NO2進行觀測,為研究地球大氣中NO2的濃度變化規(guī)律等提供了長期連續(xù)可靠的資料.

衛(wèi)星遙感提供了全球范圍的連續(xù)的NO2數(shù)據(jù),這使得對NO2進行區(qū)域及全球的長期研究成為可能.Richter等［3］將GOME和SCIAMCHY兩個傳感器反演的 NO2對流層柱濃度結(jié)合分析發(fā)現(xiàn)從1996年到2002年中國地區(qū)的NO2濃度呈現(xiàn)升高的趨勢.利用統(tǒng)計學方法分析NO2濃度的變化趨勢是較為常用的方法,一些研究結(jié)合兩傳感器的NO2反演資料分析對流層NO2柱濃度長期的變化趨勢,雖然這些研究選取資料的時間段不同,但得到了相似的結(jié)論,即從 20世紀九十年代中期到2011年以前,中國地區(qū)對流層NO2柱濃度的高值區(qū)主要集中在東部地區(qū),且呈現(xiàn)明顯的逐年增長的趨勢［6,13-15］.另外研究［13-16］發(fā)現(xiàn)中國地區(qū)對流層 NO2柱濃度特征存在很明顯的季節(jié)差異且東西部地區(qū)的季節(jié)特征也有差異并分析認為這種差異可能與不同地區(qū) NO2的源的差異有關.Pichnaree等［17］以及Itahashi等［18］利用對流層 NO2柱濃度的長期變化趨勢結(jié)合排放清單和模式,分析 NO2柱濃度的長期變化規(guī)律的同時,通過模式結(jié)果與衛(wèi)星數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有 NOx的排放清單有計算偏低的情況.Zhang等［19］通過分析1996～2010年NO2柱濃度的長期連續(xù)衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)中國地區(qū) NO2對流層柱濃度的高值區(qū)有從東部向中西部地區(qū)延伸的趨勢,并通過 NOx排放源的改變率和 NO2柱濃度的增長率的對比發(fā)現(xiàn)近年 NOx排放源在中型城市有加快增長的現(xiàn)象.

上述研究多是將兩個或多個衛(wèi)星的數(shù)據(jù)結(jié)合實現(xiàn)對中國地區(qū) NO2對流層柱濃度長期變化規(guī)律的分析和研究.但由于傳感器之間空間分辨率、數(shù)據(jù)校準、掃描時刻以及反演算法等差異,使得將不同傳感器測得的數(shù)據(jù)結(jié)合起來分析就不可避免會出現(xiàn)一定的誤差和不確定性.另外對于中國地區(qū)自20世紀90年代以來對流層柱濃度不斷增長的長期變化趨勢,在很多研究中都得以分析和證實,然而自2011年中國“十二五”規(guī)劃開始實施以來,我國對大氣中氮氧化物的排放進行了限制和約束,新的節(jié)能減排政策對我國對流層NO2柱濃度產(chǎn)生的影響是一個非常值得關注的問題.OMI從2004年投入使用至今已獲得近十年的數(shù)據(jù),且對于單一傳感器的結(jié)果可以避免使用多種數(shù)據(jù)對接所帶來的不確定性和系統(tǒng)誤差等問題,因此本研究擬利用OMI的NO2對流層柱濃度數(shù)據(jù)對中國地區(qū) 2005～2013年的對流層NO2進行如下研究：1）分析中國地區(qū) 2005～2013年對流層NO2柱濃度的長期變化趨勢,特別是對2011年以后的變化特征進行分析和討論； 2）分析中國地區(qū)4個對流層NO2濃度高值區(qū)域濃度長期變化趨勢以及與人為活動之間的關系； 3）結(jié)合REAS的NOX排放清單分析討論中國地區(qū)NO2柱濃度季節(jié)變化與人為源之間的關系.

1　數(shù)據(jù)來源

OMI（Ozone Monitoring Instrument）是搭載在美國國家航空航天局（NASA）發(fā)射的 Aura地球觀測系統(tǒng)衛(wèi)星上的傳感器之一.Aura是近極地、太陽同步軌道衛(wèi)星,設計壽命為6a,主要任務是展開對地球臭氧層、空氣質(zhì)量和氣候變化的觀測和研究.OMI由荷蘭、芬蘭與NASA合作制造,軌道掃描寬度為 2600km,空間分辨率為 13km× 24km,包含 3個通道,波長覆蓋范圍為 270～500nm.掃描過境時間為地方時 13：45,每天繞地飛行14～15圈,一天覆蓋全球1次,主要監(jiān)測大氣中的臭氧柱濃度和廓線,氣溶膠、云表面紫外輻射以及其他痕量氣體的濃度,如 NO2、SO2、HCHO 等［11］.本研究所用的數(shù)據(jù)是 http：//www. temis.nl 網(wǎng)站提供的對流層 NO2柱濃度產(chǎn)品,版本為DOMINO version2.0［20］,選用全球NO2對流層柱濃度月均值,精度為0.125°×0.125°,產(chǎn)品經(jīng)過質(zhì)量控制以及由荷蘭皇家氣象學會（KNMI）開發(fā)的模式驗證,可以反映對流層NO2柱濃度的空間分布特征和時間變化趨勢等特征,在科學研究中應用較為廣泛.

氮氧化物排放清單選用日本國立環(huán)境研究院制作的東亞區(qū)域排放清單 REAS（Regional Emission inventory in ASia）.最早的版本為REAS1.1［21-24］,排放清單中包括二氧化硫（SO2）,氮氧化物（NOx）,一氧化碳（CO）,揮發(fā)性有機物（VOCs）,黑炭（BC）和有機碳（OC）等,數(shù)據(jù)覆蓋時間段從1980年到2003年.隨著東亞各國經(jīng)濟的發(fā)展,特別是發(fā)展中國家的快速發(fā)展使得排放源的分布和強度在不斷發(fā)生變化,急需對排放清單進行必要的更新以適應當前排放源的特點.通過修改必要的參數(shù)和因子,基于相同的數(shù)據(jù)處理方法計算得到的新版本REAS2.1［18,25］在老版本基礎上將覆蓋范圍增加到俄羅斯和中亞地區(qū),數(shù)據(jù)分辨率達到 0.25°×0.25°,時間更新到2008年,提供各物種逐月的數(shù)據(jù).本文選用的是REAS2.1版本中的NOx逐月排放清單數(shù)據(jù),可在網(wǎng)站 http：//web.nies.go.jp/REAS/下載得到,通過分析NOx逐月排放數(shù)據(jù)的變化規(guī)律結(jié)合同時段NO2對流層柱濃度的特征來討論中國地區(qū)不同季節(jié)NO2對流層柱濃度與NOx人為源之間的關系.

對流層NO2的分布以及濃度值的高低與人類活動有著非常重要的關系,因此收集了與之存在關系的統(tǒng)計數(shù)據(jù),如各地區(qū)及重要城市工業(yè)廢氣排放總量、國民生產(chǎn)總值（GDP）以及城區(qū)建成面積等,數(shù)據(jù)均從中國統(tǒng)計年鑒和省級統(tǒng)計年鑒中得到,數(shù)據(jù)從網(wǎng)站 http：//#cnki. net/kns55/下載得到.本文主要選用與 NO2柱濃度關系較為緊密的各地區(qū)及重點城市工業(yè)廢氣中氮氧化物年排放量,民用汽車保有量以及電力消耗.

2　結(jié)果與討論

2.1對流層NO2的濃度長期變化特征

圖1　2005～2013年中國地區(qū)NO2對流層平均柱濃度分布Fig.1　Distribution of mean tropospheric NO2columns over China during 2005 to 2013

NO2濃度受人為活動影響很大,一般人口密度大、工農(nóng)業(yè)活動水平比較高的地區(qū)上空容易形成高濃度的NO2.我國東西部發(fā)展不平衡,東部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展和城市化進程［26］都要比西部地區(qū)快很多,另外NO2在大氣中的存留時間有限無法傳輸較遠的距離［2］,這些因素使得我國 NO2的濃度在空間分布上存在很大的不均勻性.圖 1為2005～2013年中國地區(qū) NO2對流層柱濃度年均值的空間分布,東部地區(qū)（≥107°E中國范圍內(nèi)的所有格點）NO2的對流層柱濃度平均值為 4.11× 1015molecules/cm2,而西部地區(qū)（＜107°E中國范圍內(nèi)的所有格點）濃度均值為 0.70×1015molecules/ cm2,僅為東部地區(qū)的 17%.NO2污染最嚴重的區(qū)域主要分布在東部地區(qū),從圖1可以看出NO2濃度高值區(qū)域大致可以分為華北地區(qū)（12.95× 1015molecules/cm2）,長 江三 角洲（10.70× 1015molecules/cm2）,珠江三角洲（5.57× 1015molecules/cm2）和四川盆地（4.04× 1015molecules cm-2）,其中,華北地區(qū)是 NO2濃度最高且高值覆蓋面積最大的地區(qū).西部地區(qū) NO2濃度普遍較低,四川盆地的NO2濃度高值覆蓋面積在四個高值區(qū)中最小,僅在成都和重慶兩城市上空出現(xiàn)兩個高值中心［27］.除了四川盆地,在烏魯木齊市及周圍也存在一個較高濃度的區(qū)域,濃度平均值為 2.54×1015molecules/cm2.與前人利用SCIAMACHY測得的 NO2柱濃度所做研究相比［6］,近9a中國地區(qū)NO2對流層柱濃度的空間分布變化不大,但高值區(qū)覆蓋面積以及濃度值相對較小,這主要是因為OMI的掃描時間為當?shù)貢r間的 13：45［17］,根據(jù) NO2濃度的日變化規(guī)律可知午后光化學反應最劇烈,此時的NO2濃度進入低值時段［28］；GOME、SCIAMACHY探測器的掃描時間 為 上 午 （GOME～10：30地 方 時［7］；SCIAMACHY～ 10：00地方時［9］）,該時段為 NO2濃度高值時段, NO2的濃度和濃度高值覆蓋范圍均為一天中最大,因此與之相比OMI的結(jié)果在濃度值和濃度高值覆蓋范圍上都要小一些.

2.1.1中國東西部對流層NO2濃度長期變化趨勢特征對流層 NO2柱濃度的東西部差異不僅在空間分布上,其時間變化特征也存在很大的差異.圖2給出對流層柱濃度月均值的時間序列以及對應的濃度變化趨勢.由圖 2可見,中國地區(qū)NO2對流層柱濃度月均值在2011年之前表現(xiàn)為上升趨勢［0.26×1015molecules/（cm2·a）］,其中 2011 年 1月出現(xiàn)了 NO2濃度的最大值 7.61× 1015molecules/cm2,此后2011～2013年NO2濃度月均值最高值保持在 6.00×1015molecules/cm2左右伴隨有緩慢下降的趨勢,但與2005年濃度最高值相比,仍然高出一倍左右.需要指出的是 2008年7～9月為確保北京奧運會期間的空氣質(zhì)量,北京及周邊地區(qū)實施了強制性的減排管控措施,使得奧運會期間空氣質(zhì)量得到改善,北京地區(qū)NO2濃度有明顯的下降［29-31］,但從中國地區(qū)NO2柱濃度的時間序列可以發(fā)現(xiàn)2008年7～9月NO2柱濃度均值為 1.62×1015molecules/cm2,與 2007年（7～9月均值 1.61×1015molecules/cm2）和 2009年（7～9月均值1.61×1015molecules/cm2）同時期相比濃度水平略高.這說明08年7～9月在北京及周邊地區(qū)實施的減排措施僅對北京地區(qū)及周邊地區(qū)的空氣質(zhì)量有所改善,而對更大范圍的地區(qū)甚至全國NO2柱濃度的影響并不大.另外,2008～2009年冬季NO2對流層柱濃度有明顯的下降,濃度最高值僅為 4.00×1015molecules/cm2,與前后兩年同時期濃度最大值相比下降了約 25%～30%,Schneider等［6］認為這個現(xiàn)象可能是因為 2008年秋季～2009年爆發(fā)的全球金融危機對中國經(jīng)濟的沖擊所造成的影響.2011年之后NO2的柱濃度水平開始下降,2012年NO2濃度平均值與2011年相比下降了 6%,而2013年NO2濃度進一步下降, 與2011年相比下降了10%.

東部地區(qū)和西部地區(qū) NO2柱濃度時間序列的特征存在差異,東部地區(qū)濃度變化規(guī)律與全國NO2濃度變化特征基本相似,即在2011年之前表現(xiàn)為增長的趨勢,年平均增長率為 0.46× 1015molecules/（cm2·a）,2011年以后NO2對流層柱濃度呈現(xiàn)下降趨勢且與2011年相比濃度下降了7.1%.西部地區(qū)NO2濃度相對較低且呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，年平均增長率為0.38× 1014molecules/（cm2·a）.NO2濃度主要受生物排放、閃電等自然源的影響［16］,因此長期變化相對平穩(wěn).東部地區(qū)人為活動影響很大,NO2主要貢獻為人為源,NO2濃度與經(jīng)濟發(fā)展,工業(yè)排放,城市化進程的發(fā)展存在很大關系［15］,特別是氮氧化物的排放對 NO2濃度的改變具有直接的影響. 中國地區(qū) NO2濃度變化趨勢與東部地區(qū)濃度變化特征相同,這主要是因為在濃度值上東部地區(qū)NO2濃度要遠高于西部地區(qū),在計算全國NO2濃度變化規(guī)律時西部地區(qū)的濃度變化特征被弱化所致.

2.1.2對流層NO2濃度高值區(qū)域的濃度變化趨勢對流層 NO2高值區(qū)濃度的變化情況對中國地區(qū)的NO2濃度變化趨勢的影響很大,針對高值區(qū)域 NO2對流層柱濃度的變化規(guī)律進行研究可以從側(cè)面反映中國地區(qū) NO2濃度的變化特征和濃度長期變化趨勢.

圖2　中國及東西部地區(qū)NO2平均對流層柱濃度時間序列Fig.2　Time series of mean monthly tropospheric NO2columns over China, eastern part and western part of China

圖3　NO2濃度高值區(qū)對流層NO2柱濃度相對變化趨勢Fig.3　Relative trends of tropospheric NO2columns of high value regions

為了明顯看出各地區(qū) NO2濃度逐年變化的趨勢,將2005年四地區(qū)的NO2對流層柱濃度作為各自的基準,之后每年的NO2濃度年均值與之相比得到了各地區(qū) NO2對流層柱濃度的相對變化情況,如圖3所示.從2005年開始到2011年華北地區(qū)和長三角地區(qū)對流層NO2柱濃度呈較為明顯的上升趨勢,相對增長率平均值分別為8.8%和4.3%,到2011年兩地的NO2濃度年均值分別達到了各自的最大值 15.92×1015molecules/cm2和12.29×1015molecules/cm2,相當于 2005年的 1.64倍（華北地區(qū)）和 1.28倍（長三角地區(qū)）.珠三角地區(qū)的 NO2對流層柱濃度的變化趨勢與華北和長三角不同,雖然在2007年和2011年NO2濃度有上揚出現(xiàn)兩個極大值以外,總體的變化趨勢仍然表現(xiàn)為下降.珠三角地區(qū)NOx排放量的減少是導致珠三角NO2對流層柱濃度下降的原因之一［15］. 2002年香港特別行政區(qū)與廣東省聯(lián)合實施對常見污染物（SO2、NOx、VOCs和可懸浮顆粒物）的減排計劃.經(jīng)過多年努力,減排效果取得了一定成效,據(jù)統(tǒng)計香港地區(qū)2009年氮氧化物年排放量與1997年相比減少了32%,且2006～2010年粵港珠三角區(qū)域空氣監(jiān)控網(wǎng)絡的監(jiān)測結(jié)果顯示 NO2含量下降了 7%［32］,而珠三角地區(qū) NO2濃度到2010年NO2柱濃度降低到2005年的91.1%,濃度下降了8.9%.四川盆地的NO2對流層柱濃度值在四個高值區(qū)中最低,從2005年到2011年四川盆地的 NO2柱濃度也呈現(xiàn)增長的趨勢,特別2008～2010年四川盆地的 NO2濃度有非常明顯的增加,濃度為2005年該地區(qū)濃度的1.35倍.此外2011年以前,除了珠三角的其他地區(qū)NO2對流層柱濃度均表現(xiàn)為上升的趨勢,而2011年以后各地區(qū)的NO2濃度均出現(xiàn)了不同程度的下降,特別是2011年到2012年華北地區(qū)和長三角地區(qū)的NO2濃度下降比較明顯,與2011年相比濃度分別下降了6.2%（華北）和11.2%（長三角）,到2013年NO2對流層柱濃度水平與 2012年的水平相近.珠三角地區(qū)從2010年到2011年NO2濃度有所上揚,隨后濃度變化趨勢與華北和長三角兩地區(qū)的變化趨勢相同,與 2011年相比濃度下降了12.5%,并在2013年出現(xiàn)了近9年NO2濃度年均值的最低值 5.09×1015molecules/cm2.四川盆地的下降趨勢相對小很多,2012年NO2濃度比2011年僅下降了2.1%,而2013年NO2濃度又有回升到 2011年的狀態(tài)且略有增加,濃度值達到4.88×1015molecules/cm2.

表1　2011～2012年NO2濃度高值區(qū)覆蓋省市氮氧化物排放量（萬t）Table 1　Mean value of NO2emissions in the administrative regions covered by the high tropospheric NO2columns areas from 2011 to 2012 （×104t）

圖4　高值區(qū)覆蓋省市電力消耗和民用汽車保有量時間序列Fig.4　Time series of power usage and civilian vehicle population of the administrative regions covered by high NO2value areas

NO2濃度的長期變化趨勢主要受到人類活動以及經(jīng)濟政策等人為活動的影響.如機動車保有量、電力消費、工業(yè)廢氣排放量等數(shù)據(jù)的長期變化規(guī)律可以間接或直接的反映出NO2濃度的長期變化趨勢.中國地區(qū) NO2對流層柱濃度從2011年開始出現(xiàn)下降的現(xiàn)象與“十二五”期間制定的對氮氧化物的減排措施有關,規(guī)劃指出預計到2015年全國氮氧化物的排放量要比2010年氮氧化物排放總量下降 10%,工業(yè)廢氣排放是檢驗減排工作實施情況的一個重要指標,從2011年開始《中國統(tǒng)計年鑒》在工業(yè)廢氣排放中增加了各地區(qū)及主要城市氮氧化物排放總量這一項.表 1即為2011年和2012年中國NO2對流層柱濃度高值區(qū)域所覆蓋的相關省市的工業(yè)廢氣中氮氧化物排放量.由表1可見,2012年華北地區(qū),江滬浙以及廣東地區(qū)氮氧化物的排放量與2011年相比均有所減少,這與當?shù)貙α鲗覰O2柱濃度的降低現(xiàn)象相呼應,工業(yè)廢氣中氮氧化物排放的減少對于當?shù)貙α鲗覰O2柱濃度的降低具有促進作用.另外四川盆地2011到2012年的對流層NO2柱濃度略有下降,下降幅度沒有其他三個地區(qū)明顯. 2012年各高值區(qū)覆蓋省市的電力消費和民用汽車保有量與2011年相比均表現(xiàn)為增加（圖4）, 與NO2柱濃度下降的趨勢相反.這說明與直接表述排放相關的統(tǒng)計量相比,電力消耗和民用汽車保有量這兩個統(tǒng)計量的變化趨勢并不能直接改變NO2柱濃度大小.另外由于2013年的中國統(tǒng)計年鑒目前仍未公布,2013年工業(yè)廢氣中氮氧化物的排放量對當年NO2濃度的影響暫時無法印證,這項工作將在相關數(shù)據(jù)公布出來后進行分析和總結(jié).

從全國 NO2濃度高值區(qū)的對流層柱濃度年變化趨勢以及很多前人的研究都可以看出在2011年之前中國地區(qū)的NO2柱濃度主要表現(xiàn)為明顯的增長的趨勢.但在 2011年以后華北、長三角等NO2濃度高值區(qū)的濃度均有下降的趨勢,這與我國工業(yè)氮氧化物排放量減少存在一定關系.

2.2NO2濃度變化的空間分布特征

基于 NO2濃度隨時間的變化特征我們將2005～2013年的數(shù)據(jù)分為4組：（1）2005～2006年, （2）2007～2009年,（3）2010～2011年,（4）2012～2013 年.分別計算年平均值如圖 5（a）～（d）所示.此外計算得到2005～2011年NO2對流層柱濃度的相對改變率的平均值以及 2012～2013年相對 2010～2011年濃度的相對改變率圖 5（e）～（f）,為了避免雨水等可能造成誤差的影響［19］,在計算改變率時濃度值小于 1.0×1015molecules/cm2的格點不計算在內(nèi)（圖 5（e）～（f）中國地區(qū)中白色區(qū)域表示）.由圖5（a）～（c）可以看出,從2005年開始到2011年華北地區(qū)和長三角地區(qū)的 NO2對流層柱濃度呈現(xiàn)升高的趨勢,其中河北西部和南部、河南北部以及山東西部地區(qū)增長較為明顯,到2011年華北地區(qū)的NO2濃度達到最大值且覆蓋范圍也最廣.長三角地區(qū)與華北地區(qū)的特點相似,從 2005年到2011年該地區(qū)的NO2濃度表現(xiàn)為持續(xù)增長的趨勢,且高值區(qū)的覆蓋范圍也逐漸增大,到 2011年高值區(qū)已經(jīng)覆蓋了整個長三角地區(qū).珠三角作為中國第三個NO2柱濃度高值區(qū)其NO2柱濃度隨時間變化與華北地區(qū)和長三角地區(qū)相反,從2005年開始 NO2對流層柱濃度以及濃度高值覆蓋范圍都呈減小的趨勢.NO2濃度的增長還有向中部地區(qū)擴散的趨勢,如內(nèi)蒙古中部,湖南西部以及貴州東部等地區(qū) NO2柱濃度值隨時間都有不同程度的增加.從圖5（e）2005～2011年NO2柱濃度的平均相對改變率可以更清楚的看出各地區(qū) NO2柱濃度逐年的變化規(guī)律,大部分地區(qū)在2005年到2011年NO2對流層柱濃度基本表現(xiàn)為增長的趨勢,且NO2的增長趨勢有較為明顯的向內(nèi)地蔓延的趨勢［19］,湖南和內(nèi)蒙古中部的相對增長量最大.雖然目前中國內(nèi)地中型城市的 NO2濃度值與華北、長三角等NO2柱濃度高值區(qū)相比要低很多,由于基數(shù)小使得計算得到的比例較大,但仍然表示出內(nèi)地地區(qū) NO2柱濃度在這段時間增加的情況,需要引起高度重視.2011年之后中國地區(qū)的NO2柱濃度開始呈現(xiàn)下降的趨勢,通過圖 5（c）和圖 5（d）的比較可以發(fā)現(xiàn)NO2對流層柱濃度高值區(qū)如華北地區(qū)和長三角地區(qū)的濃度值有所下降,從相對改變率圖 5（f）可以更清楚的看到各個地區(qū)在 2011年以后NO2濃度的相對改變情況.華北、長三角以及長三角周邊地區(qū)比值均在1以下,說明 2012～2013年的 NO2對流層柱濃度與2010～2011年相比濃度有所下降,此外湖南及周邊地區(qū)是下降比例最為明顯的地區(qū).珠三角地區(qū)的NO2濃度從2005年開始一直處于下降的趨勢, 到 2011年之后依然表現(xiàn)為下降.雖然很多地區(qū)NO2濃度在2011年以后出現(xiàn)了下降的現(xiàn)象,但還有一些地區(qū)的NO2濃度仍然處于上升的狀態(tài),如山西西部,安徽南部以及四川中部等地2012～2013年NO2的濃度均值要高于2010～2011年的濃度平均值,仍然表現(xiàn)為上升趨勢,對于這些地區(qū)的NO2治理工作仍然需要進一步加強.

圖5　2005～2013年中國地區(qū)NO2對流層柱濃度變化趨勢及相對改變量的空間分布Fig.5　Distribution of tropospheric NO2columns and relative changes over China during 2005 to 2013

2.3對流層NO2濃度的季節(jié)變化特征

NO2對流層柱濃度具有較為明顯的季節(jié)變化特征,且東西部 NO2濃度季節(jié)變化存在差異.由圖2可看出,東部地區(qū)NO2對流層柱濃度一般12、1月最高,7、8月濃度最低,即冬季濃度最高夏季濃度最低；西部地區(qū)與東部地區(qū)相反,表現(xiàn)為冬季濃度最低而夏季濃度最高.西部地區(qū)NO2濃度的季節(jié)變化特征可能是因為西部地區(qū)主要受到自然源的影響［16］,夏季生物活動活躍,閃電頻繁,為夏季形成NO2提供了有利條件,而冬季生物活動減少,閃電活動減少,大氣中自然形成的NO2相對減少［33-34］.

圖6是中國地區(qū)2006年對流層春（3、4、5月）、夏（6、7、8月）、秋（9、10、11月）、冬（12、次年1、2月）四季平均柱濃度與12個月的平均值的差值分布.中國地區(qū) NO2對流層柱濃度的季節(jié)變化特征在中東部地區(qū)以及大型城市表現(xiàn)得最為明顯,且季節(jié)變化特征為冬季＞秋季＞春季＞夏季,各季節(jié)濃度差異較明顯.季節(jié)變化明顯的區(qū)域主要集中在受人為源影響較大的區(qū)域,人為源的季節(jié)變化會對NO2濃度冬高夏低的特征產(chǎn)生直接作用.

圖6　2006年中國地區(qū)NO2對流層柱濃度季節(jié)改變量分布Fig.6　Seasonal mean tropospheric NO2columns changes over China in 2006

圖7　2006年中國地區(qū)NOx人為源季節(jié)改變量分布Fig.7　Seasonal mean changes of anthropogenic emissions of NOxover China in 2006

圖7為東亞地區(qū)同時段四季NOx人為源與12個月平均值的差值的空間分布.中國地區(qū)NOx人為源季節(jié)差異較明顯的區(qū)域也主要集中在中東部地區(qū)和大中型城市,與NO2濃度季節(jié)差異的分布大致相同.從源強差異上看冬季為四季中氮氧化物排放最高的季節(jié),秋季與夏季相近,春季最低.其次秋季和春季NOx源強濃度差值的大小關系與同季節(jié)NO2柱濃度差值的大小關系相同,從冬春秋三季的表現(xiàn)可發(fā)現(xiàn) NOx人為源排放的季節(jié)特點與 NO2對流層柱濃度之間存在良好的相關關系.但還要注意到的是夏季NO2對流層柱濃度為四季中最低,而NOx人為源的源強大小卻與之不符.造成NO2對流層柱濃度夏季最低的原因有很多,季風的影響便是其中一個,圖 8為ECMWF同時段中國地區(qū)10m平均風場的季節(jié)變化圖,可以看到在夏季風場表現(xiàn)為從海洋吹向陸地,海洋上的清潔空氣進入大陸對華北、長三角和珠三角地區(qū)的對流層NO2起到稀釋作用,造成NO2濃度降低的情況出現(xiàn).另外黃建平等［15］指出除了風場作用,降水作用對NO2的影響,溫度的高低影響NO2在大氣中的存留時間,夏天高溫、強輻射導致光化學活動增強,對NO2在大氣中的存留會起到抑制作用,冬季溫度低,NO2在低溫環(huán)境下的存留時間更長更易積累,這些氣象因素都是造成對流層NO2在夏季出現(xiàn)低值的原因.由此可見NOx人為源季節(jié)變化特征是對流層NO2濃度季節(jié)變化特征形成的一個重要因素,同時不可以忽略光化學反應和氣象條件在其中所起到的作用,但哪個因素占主導以及各因素貢獻大小仍然需要進一步探究.

圖8　2006年中國地區(qū)四季10m平均風場分布Fig.8　Seasonal means of wind at 10 meters height above surface which based on ECMWF real-anaylsis data in 2006

3　結(jié)論

3.1中國地區(qū)NO2對流層柱濃度的高值區(qū)主要分布在華北地區(qū)、長江三角洲、珠江三角洲以及四川盆地等人口密集人類活動頻繁的大型城市和地區(qū).整個中國地區(qū)的NO2對流層柱濃度的濃度變化存在東西部差異,東部在2011年之前基本表現(xiàn)為增高的趨勢,平均年增長率為 0.46× 1015molecules/（cm2·a）,而在2011年以后出現(xiàn)了下降的趨勢,與 2011年相比年平均濃度下降了7.1%.西部濃度明顯低于東部,近 9a濃度基本表現(xiàn)為增加的趨勢,年平均增長率為 0.38× 1014molecules/（cm2·a）.2011年以后NO2濃度高值區(qū)均出現(xiàn)了不同程度的NO2濃度下降的趨勢,由中國統(tǒng)計年鑒發(fā)現(xiàn)2011以后各高值區(qū)覆蓋省市的工業(yè)廢氣中氮氧化物排放總量有所下降是NO2濃度下降的一個重要因素,國家節(jié)能減排政策的實施對改變中國地區(qū) NO2對流層柱濃度起著重要的作用.NO2對流層柱濃度的長期變化趨勢仍然需要密切關注,為國家政策的決定和實施提供科學依據(jù).

3.22011年前中國地區(qū)NO2對流層柱濃度相對改變率的空間分布說明中國地區(qū) NO2濃度的增長有向內(nèi)陸地區(qū)蔓延的趨勢,且中部一些省市的相對增長率更為明顯.2011年以后,大部分地區(qū)的NO2對流層柱濃度有了不同程度的降低,但一些地區(qū)如山西西部和安徽南部等地區(qū),NO2濃度仍然有升高的現(xiàn)象,對于這些地區(qū)的減排工作還需要加強.

3.3NO2對流層柱濃度存在明顯的季節(jié)差異,東部地區(qū)及大型城市基本表現(xiàn)為冬季高,夏季低.通過將NO2濃度與REAS東亞地區(qū)四個季節(jié)NOx排放清單分布情況相對照發(fā)現(xiàn),除了夏季,NOx排放源的季節(jié)變化與 NO2對流層柱濃度的季節(jié)差異對應良好,說明排放源的季節(jié)變化是影響 NO2濃度季節(jié)差異的一個重要因素.此外地面風場的季節(jié)變化也是 NO2柱濃度存在季節(jié)差異的一個重要誘因,因此氣象條件的影響不可忽視.

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致謝：感謝荷蘭皇家氣象研究所（KNMI）在網(wǎng)站http：//www.temis.nl提供NO2對流層柱濃度數(shù)據(jù)；歐洲中期天氣預報中心ECMWF網(wǎng)站http：//apps.ecmwf.int/datasets/data/interim-full-moda/？levtype=ml提供地面10m風場數(shù)據(jù)；日本國立環(huán)境研究所在網(wǎng)站http：//web.nies.go.jp/REAS/提供東亞地區(qū)NOx人為源數(shù)據(jù),以及中國統(tǒng)計年鑒提供相關數(shù)據(jù),供本研究下載使用進行研究.

Distribution and long-term variation of tropospheric NO2over China during 2005 to 2013.

GAO Jin-hui1,2, ZHU Bin1,2*, WANG Yan-zhe1,2, KANG Han-qing1,2（1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China）.

China Environmental Science, 2015,35（8）：2307～2318

With the combination of NOxemission index of regional Emission inventory in Asia （REAS）, the wind field at 10 meters height above surface which based on European Centre for Medium-Range Weather Forecasts （ECMWF） Real-Analysis data, and the relavant statistical data based on the China Statistical Yearbooks Database, the monthly tropospheric NO2data over China acquired from the Ozone Monitoring Instrument （OMI） was analyzed with respect to spatial distribution and long-term trends between 2005 and 2013. The results showed that the high value areas of tropospheric NO2columns over China were located on North China, the Yangtze River Delta, the Pearl River Delta and the Sichuan Basin. The trends of tropospheric NO2columns were distinguished between east and west China. It was increased during 2005 to 2011 in east China, but decreased by 7.1% from 2011 to 2013. In west China, the tropospheric NO2columns were increased continuously from 2005 to 2013. High value regions of NO2tropospheric columns were decreased after 2011, which was strongly related to the cut of the NOxdischarge of industry. The tropospheric NO2columns reached their maximum in winter and minimum in summer. The anthropogenic emission of NOxwas one of the important factors which influenced the seasonal mean tropospheric NO2columns. In the mean time, seasonal means of 10-m winds also played an important role of influencing the seasonal distribution of tropospheric NO2columns, which indicated that the impact of meteorological conditions should not be ignored.

nitrogen dioxide；tropospheric column；statistical yearbooks；satellite remote sensing

X511

A

1000-6923（2015）08-2307-12

2014-12-18

國家自然科學基金項目（41275143）；江蘇省高校自然科學研究重大基礎研究項目（12KJA170003）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目（CXLX13_493）

* 責任作者, 教授, binzhu@nuist.edu.cn

高晉徽（1985-）,男,安徽鳳臺人,南京信息工程大學博士研究生,研究大氣化學與大氣環(huán)境方向.