基于OMI數(shù)據(jù)汾渭平原大氣SO2時(shí)空分布特征分析

衛(wèi)瑋 ，王黎娟，靳澤輝，陳鑫，張?jiān)儡?/p>

1. 南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 210044；2. 山西省五臺(tái)山氣象站，山西 忻州 035515；3. 陜西省銅川市宜君縣氣象局，陜西 銅川 727299；4. 山西省氣象科學(xué)研究所，山西 太原 030002

大氣中二氧化硫（Sulfur dioxide，SO2）及其氣粒轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)人體健康、生態(tài)系統(tǒng)平衡、人文景觀等具有極大地危害（Myhre et al.，2004；Haines et al.，2009；Wang et al.，2017）。作為城市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)的重要指標(biāo)，利用衛(wèi)星遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度的SO2含量時(shí)空分布監(jiān)測(cè)分析，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)在空間尺度上的不足，對(duì)城市群與區(qū)域大氣污染進(jìn)行 SO2動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)具有非常重要的科學(xué)研究意義和應(yīng)用價(jià)值（Carn et al.，2007；Foy et al.，2009；Krotkov et al.，2015）。衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)反演算法一直是大氣污染監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和熱點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，其精度直接決定了衛(wèi)星反演產(chǎn)品的應(yīng)用研究范圍，對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。其中，BRD（band residual difference）算法是應(yīng)用比較廣泛的一種反演算法（Krotkov et al.，2006；Yan et al.，2012），在城市區(qū)域SO2排放監(jiān)測(cè)、區(qū)域輸送特征、復(fù)合污染事件及工業(yè)煤電廠點(diǎn)源排放等方面均有所應(yīng)用（Li et al.，2010；Mclinden et al.，2012；Fioletov et al.，2013）。然而，BRD反演SO2產(chǎn)品噪聲較高，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)精度不足，需要使用周平均或月平均以獲取低噪聲數(shù)據(jù)。PCA（principal component analysis）算法有效降低了噪聲影響，可以彌補(bǔ)BRD算法的不足（Li et al.，2013；閆歡歡等；2016），從而能更加精確地反映工廠生產(chǎn)活動(dòng)、城市污染、火山噴發(fā)等重要目標(biāo)的SO2排放情況。在SO2區(qū)域監(jiān)測(cè)方面，中國(guó)許多學(xué)者利用臭氧衛(wèi)星傳感器（Ozone Monitoring Instrument，OMI）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)SO2的時(shí)空分布、變化趨勢(shì)、影響因素和來(lái)源解析等方面進(jìn)行了研究（張興贏等，2007；高一博等，2016；Wu et al.，2018），其中京津冀、長(zhǎng)江三角洲、四川盆地等地是受關(guān)注比較多的區(qū)域。也有學(xué)者利用 OMI數(shù)據(jù)對(duì)重工業(yè)生產(chǎn)基地、河谷城市，以及重要的文體賽事等目標(biāo)地的SO2數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。趙軍等（2011）利用 OMI數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)黃河上游河谷城市蘭州，資源型城市白銀和金昌SO2柱濃度明顯高于周邊其他城市；Ling et al.（2017）利用OMI衛(wèi)星數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)在寧夏銀川到石嘴山市一帶SO2濃度有顯著的上升趨勢(shì)。張晗等（2017）利用OMI數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)了2015年閱兵期間華北地區(qū)SO2的減排效果，發(fā)現(xiàn)跨區(qū)域的協(xié)同治理能夠有效降低SO2濃度。

汾渭平原作為中國(guó)第四大平原，是全國(guó)空氣污染最嚴(yán)重區(qū)域之一，2018年被生態(tài)環(huán)境保部納入了“藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”治理重點(diǎn)區(qū)域。目前有關(guān)將汾渭平原大氣污染作為一個(gè)整體進(jìn)行衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的研究報(bào)道較少。本研究將利用 OMI數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用空間插值、相關(guān)分析等方法對(duì)汾渭平原SO2季節(jié)性空間分布特征、逐月變化，以及不同時(shí)期平均年總量變化情況進(jìn)行探討，旨在全面認(rèn)識(shí)汾渭平原大氣污染現(xiàn)狀，為本區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究范圍、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究范圍

汾渭平原是黃河流域汾河谷地和渭河平原及其臺(tái)塬階地的總稱(chēng)，北起山西省代縣，南抵陜西省秦嶺山脈，西至陜西省寶雞市，呈東北-西南方向分布，包括山西省和陜西省的西安、咸陽(yáng)、渭南、運(yùn)城、臨汾、太原等11個(gè)地市，總面積近7萬(wàn)平方千米，位列中國(guó)第四大平原，也是黃河中游地區(qū)最大的沖積平原。本研究區(qū)域包括太原盆地、臨汾盆地以及以西安為中心的渭河平原。圖1所示為汾渭平原地形及主要城市分布情況。

圖1 汾渭平原地形及主要城市Fig. 1 Topography and main cities in Fenwei Plain

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

OMI傳感器由荷蘭、芬蘭與NASA聯(lián)合研發(fā)，搭載平臺(tái)為NASA的EOS/Aura衛(wèi)星，其主要目的是研究大氣痕量成分及其對(duì)氣候變化的影響，OMI已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于污染氣體監(jiān)測(cè)、空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和氣候變化研究等領(lǐng)域（Livingston et al.，2009；鄭曉霞等，2014）。本研究 SO2數(shù)據(jù)獲取自 NASA（http://mirador.gsfc.nasa.gov）的GES DISC數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)反映的是對(duì)應(yīng)空氣柱高度低于2 km，重心高度為0.9 km的大氣邊界層內(nèi)的SO2柱濃度，其單位為 Dobson Unit，簡(jiǎn)稱(chēng) DU（1 DU=2.69×1016mol·cm-2）。數(shù)據(jù)經(jīng)PCA反演算法產(chǎn)生，空間分辨率為 0.125°×0.125°。地面監(jiān)測(cè)站 SO2數(shù)據(jù)（OBS）來(lái)源于中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，為太原、臨汾、渭南和西安4個(gè)城市各自不同站點(diǎn)的日均和月均值。

OMI的SO2衛(wèi)星監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間為2008年1月—2018年2月，前一年的12月和翌年1月、2月為冬季、3月、4月、5月為春季、6月、7月、8月為夏季、9月、10月、11月為秋季；SO2年總量值以整年各月份柱濃度累加得到。因?yàn)榄h(huán)境監(jiān)測(cè)站SO2數(shù)據(jù)時(shí)間較短，所以本研究所用地面監(jiān)測(cè) SO2的時(shí)段為2013年1月—2018年2月。

1.3 研究方法

由于衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的SO2單位為DU，而中國(guó)環(huán)保部門(mén)對(duì)外公布的SO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為μg·m-3，兩者之間單位不統(tǒng)一，不便于比較，故對(duì)二者進(jìn)行歸一化無(wú)量綱處理，選擇太原、臨汾、渭南和西安4個(gè)城市繪制散點(diǎn)圖進(jìn)行比較。采用歸一化將原始數(shù)據(jù)處理成[0, 1]之間的數(shù)據(jù)（康重陽(yáng)等，2018），消除原始數(shù)據(jù)的量綱差異。其計(jì)算方法如下：

式中，Yi為歸一化無(wú)量綱處理數(shù)據(jù)；Xi為未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 SO2季節(jié)性空間分布特征和逐月變化

以2008年3月—2018年2月SO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析SO2季節(jié)性空間分布，首先計(jì)算出每年每個(gè)季節(jié)的平均值，然后計(jì)算多年平均值。由于汾渭平原地勢(shì)平坦、人口密度高，長(zhǎng)期以來(lái)形成以傳統(tǒng)能源消耗為主導(dǎo)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式，加之地形較為封閉，全年平均風(fēng)速較低，容易造成SO2積累，故這些區(qū)域SO2柱濃度偏高。從4個(gè)季節(jié)空間分布來(lái)看（圖2），主要污染區(qū)域集中在太原盆地、臨汾盆地南部以及以西安為中心的渭河平原地帶。春季、夏季城市中心地帶的污染水平基本相當(dāng)，均在0.6~1.0 DU之間；秋季太原盆地和臨汾盆地 SO2濃度水平明顯高于渭河平原；冬季太原和以西安為中心的區(qū)域濃度水平基本相當(dāng)，均值在0.8~1.5之間，明顯高于臨汾盆地的濃度水平；運(yùn)城盆地四季變化較為平穩(wěn)，均值0.6~1.0 DU之間。寶雞和忻州等地SO2濃度水平遠(yuǎn)低于其他地區(qū)，春季和夏季平均濃度均在0.4 DU以下，秋季和冬季在0.4~0.8 DU之間。

圖2 汾渭平原SO2柱濃度的季節(jié)性空間分布Fig. 2 Seasonal spatial distribution of SO2 column value in Fenwei Plain

從2008年1月—2017年12月逐月的變化來(lái)看（圖3），冬季月份SO2遠(yuǎn)高于其他季節(jié)月份。太原、渭南、西安三地SO2柱濃度總體上呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，渭南的下降趨勢(shì)比太原和西安明顯，然而，自2013年以來(lái)，3個(gè)地區(qū)的濃度均有明顯上升，尤其是冬季SO2濃度水平上升幅度較大。臨汾SO2濃度水平下降趨勢(shì)不明顯，尤其是 2013年以來(lái)，冬季的濃度水平明顯高于其他城市。近年來(lái)，由于東亞地區(qū)冬季風(fēng)減弱（張人禾等，2014；劉芷君等，2015），北方地區(qū)增暖效應(yīng)顯著（Calkins et al.，2016；Van et al.，2017；周靜等，2018），加之冬季北方降水較少，秦嶺-淮河以北地區(qū)又處于采暖期，從而導(dǎo)致大氣污染擴(kuò)散條件變差，SO2干濕沉降速度減慢，所以冬季柱濃度顯著高于其他季節(jié)。

圖3 2008—2017年4個(gè)城市SO2柱濃度逐月變化Fig. 3 Monthly change of SO2 column value in four cities from 2008 to 2017

從上述分析可以看出，太原、西安、渭南三地的 SO2濃度水平逐月變化總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而2013年以來(lái)，冬季SO2濃度有所上升。那么，OMI逐月柱濃度數(shù)據(jù)與地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和相關(guān)性如何呢？利用2013年1月—2017年12月的地面站點(diǎn)監(jiān)測(cè)的SO2濃度數(shù)據(jù)與之進(jìn)行比較，由圖 4）可知，4個(gè)城市 SO2柱濃度與地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的復(fù)相關(guān)系數(shù)（R2）可達(dá)到0.6以上，均通過(guò)了0.05置信度檢驗(yàn)（學(xué)生氏檢驗(yàn)的 R2標(biāo)準(zhǔn)值為 0.42），R2最高的是渭南，達(dá)到了0.7334，最低的是太原，為0.6625。從散點(diǎn)分布圖來(lái)看，四地散點(diǎn)主要集中在0.2以下，太原、臨汾大于0.2的散點(diǎn)明顯多于渭南、西安，同時(shí)，隨著量值的增大，點(diǎn)的分布也越來(lái)越離散。

2.2 2008年以來(lái)的年總量變化情況

為了考察2008—2012年和2013—2017年SO2濃度的平均年總量分布情況，對(duì)每年 12個(gè)月的柱濃度進(jìn)行了累加，然后分別計(jì)算 2008—2012年和2013—2017年的年均值。從圖5a可知，2008—2012年太原盆地平均值遠(yuǎn)高于其他區(qū)域，濃度水平在10~12 DU，太原城區(qū)達(dá)到了12.5 DU以上，其次是臨汾盆地，柱濃度在6~8 DU之間，渭河平原濃度水平明顯低于臨汾、太原盆地，柱濃度在5 DU以下。2013—2017年柱濃度出現(xiàn)了明顯下降，但是太原盆地 SO2柱濃度仍然高于其他地方，均值在7.5~10 DU之間，臨汾盆地和渭河平原SO2柱濃度分別在5~7.5和2.5~5 DU之間。

從前后兩段時(shí)間的差值可以看出（圖6a），下降最顯著的區(qū)域是太原盆地北部，下降幅度達(dá)到了1.5~3.0 DU，也就是太原城區(qū)下降幅度最大，外圍下降幅度較小，太原盆地南部幾乎沒(méi)有變化；渭南和西安下降幅度也比較明顯，兩地下降幅度基本相當(dāng)，在1.0~2.0 DU之間。臨汾盆地下降幅度最小，在0.5 DU以下，甚至部分區(qū)域有上升的傾向。從2008—2017年四地的變化趨勢(shì)來(lái)看（圖6b），2008—2012年四地均有不同程度的下降趨勢(shì)，2013年以來(lái)又有所上升，渭南和西安的年SO2總量值低于太原和臨汾。2015年和2016臨汾SO2年濃度值明顯高于其他3個(gè)地區(qū)。

2.3 汾渭平原SO2柱濃度與其他地區(qū)的比較

圖4 歸一化的地面觀測(cè)和OMI觀測(cè)的SO2濃度散點(diǎn)分布Fig. 4 Scatter points of normalized SO2 concentration on ground observation and OMI observation data

圖5 2008—2012年和2013—2018年前后兩段時(shí)期SO2柱濃度的平均總量Fig. 5 Annual average of SO2 column in 2008-2012 and 2013-2018

圖6 前后兩段時(shí)期SO2柱濃度的差值以及4個(gè)城市的逐年變化情況Fig. 6 Difference values of SO2 column in the two periods of the first and the back periods, and the yearly variations in the four cities

圖7 全國(guó)SO2柱濃度以及5個(gè)地區(qū)的逐年變化情況Fig. 7 Average values of SO2 column and yearly variations in the five regions

汾渭平原SO2污染狀況與全國(guó)其他地區(qū)有何不同呢？本文選取了汾渭平原（太原、臨汾、運(yùn)城、渭南、西安、銅川）、京津冀（北京、天津、石家莊、邢臺(tái)、保定、滄州、唐山）、四川盆地（成都、重慶、宜賓、樂(lè)山、自貢、南充、綿陽(yáng)）、長(zhǎng)江三角洲（上海、杭州、南京、蘇州、南通、揚(yáng)州）、珠江三角洲（廣州、惠州、深圳、珠海）5個(gè)地區(qū)不同的城市，提取了對(duì)應(yīng)城市的SO2柱濃度值，并對(duì)各區(qū)域內(nèi)不同城市SO2柱濃度進(jìn)行平均，進(jìn)而比較了2008—2017年SO2年總量的變化情況。圖7a反映了2008—2017年全國(guó)SO2柱濃度平均分布狀況，太行山東麓、山東北部SO2柱濃度顯著高于其他地區(qū)，可以達(dá)到15 DU以上，其次，汾渭平原也是比較高的地帶，達(dá)到了10 DU以上，四川盆地、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲等南方地區(qū)的SO2柱濃度明顯低于北方。從各區(qū)逐年總量變化的情況來(lái)看（圖7b），2014年以前汾渭平原SO2柱濃度年總量明顯低于京津冀地區(qū)，高于其他3個(gè)地區(qū)，2014年之后高于所有的其他區(qū)域，并且有上升趨勢(shì)。近10年來(lái)，汾渭平原SO2柱濃度的變化幅度也較小，而京津冀下降幅度較大，尤其是 2011年以來(lái)下降趨勢(shì)特別明顯，四川盆地、長(zhǎng)江三角洲與京津冀有類(lèi)似的變化，2011年以后也出現(xiàn)了大幅度的下降。珠江三角洲從2008—2012年下降速度較快，2012年以后維持在1.0 DU以下。

3 討論

3.1 SO2柱量值與氣象要素

全國(guó)空氣質(zhì)量均呈現(xiàn)出春夏優(yōu)、秋冬劣的季節(jié)性變化規(guī)律（劉海猛等，2018），這種規(guī)律與氣象條件，以及人類(lèi)活動(dòng)的季節(jié)性變化有關(guān)（肖悅等，2017）。冬季空氣干燥，氣壓穩(wěn)定，氣溫低，大氣垂直對(duì)流較弱，易出現(xiàn)逆溫天氣，不利于污染物的擴(kuò)散和稀釋?zhuān)钆d川等，2017），同時(shí)冬季北方進(jìn)入采暖期，能源消耗加大，污染排放增多，加劇了大氣污染。夏季是北方濕度和溫度最高的季節(jié)，同時(shí)也是對(duì)流最為旺盛的時(shí)期，有利于污染物的稀釋和擴(kuò)散，有助于改善空氣質(zhì)量（郭麗君等，2015）。汾渭平原屬于半濕潤(rùn)半干旱季風(fēng)氣候，四季分明，季節(jié)交替比較明顯（姚玉璧等，2005），氣象要素都表現(xiàn)出了明顯的季節(jié)性特點(diǎn)。本研究區(qū)SO2柱濃度與氣溫、邊界層高度、風(fēng)速等氣象要素呈現(xiàn)出了較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相對(duì)濕度與SO2柱濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但只有西安通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。氣壓與SO2柱濃度呈正相關(guān)關(guān)系，但顯著性較差（表 1）。這些氣象要素的季節(jié)變化對(duì)汾渭平原 SO2的擴(kuò)散輸送、干濕沉降、氣粒轉(zhuǎn)換等過(guò)程具有較大影響作用。

表1 SO2柱量值與氣象要素的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficient between SO2 column value and meteorological elements

3.2 SO2污染與治理

城市化、人口分布、工業(yè)發(fā)展、交通以及能源結(jié)構(gòu)等社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素對(duì)SO2污染源分布的影響至關(guān)重要（馬麗梅等，2014）。汾渭平原作為晉陜兩省經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)的地區(qū)，城市、人口、工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)戎饕植荚谠搮^(qū)域，加之能源結(jié)構(gòu)中煤炭占比較大等，諸多因素共同決定了SO2污染源的分布特征。同時(shí)，受地形和氣象條件等因素的影響，大氣污染存在明顯的跨區(qū)域輸送特征，即污染物本身具有空間溢出效應(yīng)（薛文博等，2014），這種外在因素對(duì)汾渭平原SO2濃度的分布特征也具有較大的影響作用。近年來(lái)，京津冀地區(qū)開(kāi)展去產(chǎn)能、供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革、協(xié)同發(fā)展，以及大氣污染聯(lián)動(dòng)治理以來(lái)，2014—2015年城市群的空氣質(zhì)量顯著改善，其中SO2的年均濃度下降了37.55%（王振波等，2017）。因此，在制定大氣污染防治措施時(shí)要重視大城市內(nèi)部以及大城市與周邊區(qū)域的交互影響，加強(qiáng)區(qū)域間的聯(lián)防聯(lián)控與協(xié)同治理。本研究通過(guò)衛(wèi)星資料發(fā)現(xiàn)汾渭平原SO2污染的基本狀況，以及本地區(qū)各個(gè)地理單元之間SO2污染的差異性，為有針對(duì)性地開(kāi)展大氣污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）基于 OMI的汾渭平原 SO2柱濃度值季節(jié)變化特征比較明顯，由高到低依次為冬季、秋季、春季和夏季。太原、渭南和西安逐月濃度變化總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，臨汾表現(xiàn)出了弱上升趨勢(shì)。這4個(gè)城市的SO2柱濃度值與地面監(jiān)測(cè)站的SO2濃度值具有較好的相關(guān)性，說(shuō)明基于 OMI的 SO2柱濃度變化一定程度上可反映大氣SO2濃度變化。

（2）從2008—2012年和2013—2017年這兩段時(shí)期的年平均總量來(lái)看，前期的SO2濃度值明顯大于后期，太原盆地北部SO2柱濃度下降幅度最大，達(dá)到了1.5~3.0 DU，西安及周邊下降幅度為1.0~2.0 DU，臨汾盆地和太原盆地南部有上升趨勢(shì)?？傮w而言，渭河平原大氣SO2濃度低于汾河平原。

（3）與其他地區(qū)相比，汾渭平原SO2柱濃度變化幅度較小，2013—2016年有明顯的上升趨勢(shì)，而京津冀地區(qū)、四川盆地、長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲自2011年來(lái)均表現(xiàn)出下降趨勢(shì)。