环境科学  2017, Vol. 38 Issue (10): 3998-4004   PDF    
引用本文
武卫玲, 薛文博, 王燕丽, 雷宇. 卫星遥感在NOx总量控制中的应用[J]. 环境科学, 2017, 38(10): 3998-4004.
WU Wei-ling, XUE Wen-bo, WANG Yan-li, LEI Yu. Application of Satellite Remote Sensing in NOx Emission Control[J]. Environmental Science, 2017, 38(10): 3998-4004.
卫星遥感在NOx总量控制中的应用
武卫玲 , 薛文博 , 王燕丽 , 雷宇     
环境保护部环境规划院, 北京 100012
收稿日期: 2017-03-20; 修订日期: 2017-04-20
基金项目: 国家重点研发计划项目（2016YFC0208805）
作者简介: 武卫玲(1985~), 女, 硕士, 助理研究员, 主要研究方向为大气环境卫星遥感应用, E-mail:wuwl@caep.org.cn
通信作者: 薛文博, E-mail:xuewb@caep.org.cn
摘要: 基于美国Aura卫星臭氧观测仪（OMI）提供的对流层NO2垂直柱浓度数据，分析2015年北京世界反法西斯战争胜利70周年纪念活动期间和2016年杭州G20峰会期间NO2柱浓度变化趋势，发现NO2柱浓度能灵敏地捕捉到地面NOx排放量的变化状况.因此，本文利用OMI NO2柱浓度评估"十二五"期间及"十三五"初期我国NOx排放量的变化状况，结果表明，"十二五"期间我国NO2柱浓度降幅为24.98%，NOx减排取得显著成效."十三五"初期，2016年全国NO2柱浓度相比2015年下降3.18%，NOx排放量继续下降.
关键词: 卫星遥感      NO2      柱浓度      NOx排放      总量控制     
Application of Satellite Remote Sensing in NOx Emission Control
WU Wei-ling , XUE Wen-bo , WANG Yan-li , LEI Yu     
Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012, China
Abstract: Tropospheric NO2 vertical column densities (VCDs) from ozone monitoring instrument(OMI) were analyzed to evaluate the decrease in NOx emissions during two special events, 70th anniversary of the end of World War Ⅱ in 2015 and the G20 summit in 2016. Results showed a positive correlation between NO2 VCDs and near ground NOx emissions and verified that the NOx emission control policy during "12th five-year plan" were remarkably effective, with a 24.98% drop in VCDs in five years. At the early stage of "13th five-year plan", in 2016, NO2 VCDs decreased by 3.18% year-on-year, showing a consistent drop in NOx.
Key words: satellite remote sensing      NO2      vertical column densities      NOx emissions      emission control     

现阶段我国煤烟型大气污染趋势得到初步遏制, 以PM2.5、O3为主要污染物的复合型污染日益突出, 其中NOx排放是引起PM2.5、O3的重要因素之一. NOx经化学反应生成的硝酸盐是二次PM2.5的重要组成部分, 而且NOx是O3、过氧酰基硝酸(peroxyacyl nitrate, PAN)等光化学污染物的重要前体物[1~6].此外, NOx可以氧化二氧化硫, 促进硫酸盐迅速生成, 是导致重污染天气的关键因素[7], 控制NOx排放已成为改善我国空气质量的重要手段.为此, 我国自“十二五”将NOx纳入污染物总量控制指标, 确定了NOx排放量下降10%的目标[8], “十三五”继续加大NOx减排力度, 《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》明确要求NOx排放总量下降15%[9].

从“十一五”、“十二五”总量减排经验来看, 传统总量核查核算方式符合我国当时总量控制工作的客观要求[10, 11], 对于落实减排目标发挥了关键作用.但存在的问题是总量核查工作所花费的人力及行政成本较大, 且核查结果存在一定的主观性, 缺乏第三方数据印证.进入“十三五”之后, 随着环境管理模式的转变[12], 总量核查思路将从传统的“工程项目核算”转变为“以质量改善为导向”的宏观核查, “以质量改善为导向”宏观核查思路是：“首先由各省份上报NOx总量减排量, 再由环保部核实减排量的合理性、科学性”, 其中NO2地基监测和卫星遥感观测将作为重要的核查依据.从国内外的经验及研究成果来看, 卫星遥感技术已在环境管理中得到广泛应用[13~17], 但针对我国环境管理中NOx总量控制政策的实践研究几乎空白, 本文基于OMI NO2对流层柱浓度数据, 分析全国及重点省份NO2柱浓度变化, 来印证我国NOx减排效果.

1 材料与方法

卫星观测相比地面观测的优势主要体现在3个方面：一是空间覆盖范围广(水平、垂直); 二是空间分辨率高; 三是观测数据较客观, 人为干扰因素少.本文通过验证重大赛会期间NO2柱浓度能灵敏捕捉地面NOx排放量变化, 进而利用NO2柱浓度评估“十二五”期间及“十三五”初期我国NOx总量减排效果.本文OMI NO2对流层柱浓度数据为2级产品的逐日网格化数据, 来源于http://www.temis.nl/airpollution/no2.html, 由荷兰皇家气象研究所(KNMI)提供, 数据云量小于30%, 空间分辨率为0.25°.对流层NO2柱浓度的产品是基于差分吸收光谱算法(DOAS)获取, 大量实验表明OMI NO2对流层柱浓度与地基及航空实测数据具有较强相关性, 相关系数在0.8以上[18~20].

1.1 方法学设计

通过卫星遥感技术表征污染物排放量包括两个步骤：首先通过卫星探测的光学信号反演“污染物浓度”; 最后通过“污染物浓度”表征“污染物排放量”的变化.从现有研究来看[21~23], 利用卫星观测NO2柱浓度表征NOx排放量的技术最为广泛, 主要原因是：① NO2柱浓度算法较成熟; ② NO2在大气中的寿命和传输距离较短, “NO2浓度”与“NOx排放”具有基本相同的空间分布特征.由于重大赛会期间区域空气质量保障实施污染减排措施, NOx排放量显著降低, 本文利用重大赛会期间OMI NO2对流层柱浓度变化来印证NOx排放量的变化状况.

本文方法学设计如下：① 为分析全国及各省NO2柱浓度的总体变化趋势, 将行政辖区内所有国控空气质量监测站点所在网格NO2柱浓度的平均值作为全国及各省NO2柱浓度, 通过NO2柱浓度增减百分比表征全国及各省NOx排放量的变化趋势; ② 为分析城市辖区NO2柱浓度的总体变化趋势, 同样利用辖区内所有国控空气质量监测站点所在网格NO2柱浓度的平均值作为该城市NO2柱浓度.但是由于城市范围相对较小, 平均浓度的系统稳定性较差.特别是对于NO2浓度水平较低的城市, 微小的变化将引起较大误差.因此, 利用NO2柱浓度绝对值增减幅度表征城市NOx排放量的变化趋势.

1.2 方法学验证

2015年8月22~30日世界田径锦标赛在北京举行, 9月3日是中国首个法定的“中国人民抗日战争胜利纪念日”, 为做好这“两大活动”期间的空气质量保障工作, 北京市和周边六省区实施机动车行驶限制、工业停限产减排、施工工地停止土石方和拆除作业、放假调休等措施, NOx排放量大幅下降[24].为了排除气象条件干扰, 选择2014~2016年同期NO2柱浓度进行分析, 结果表明：2015年8月20日至9月3日期间, 北京市NO2柱浓度相比2014年同期降低45.4%, 但2016年同期NO2柱浓度同比增加45.3%, 柱浓度呈现显著的先降低后升高的V型特征; 从空间分布来看, 以北京市为中心的周边区域改善效果明显, 直接证实了“两大活动”期间NOx排放量大幅下降(图 1及图 2).

图 1 2014~2016年8月20日至9月5日NO2柱浓度变化 Fig. 1 NO2 VCDs from Aug 20 to Sep 5, 2014-2016

图 2 2014~2016年8月20日至9月3日北京及周边地区NO2柱浓度 Fig. 2 NO2 VCDs over Beijing and surrounding regions from Aug 20 to Sep 3, 2014-2016

为了保证2016年杭州G20峰会期间的空气质量, 长三角区域实施大气污染联防联控[25], 区域NOx排放量下降明显. 2016年8月20日至9月5日期间杭州市NO2柱浓度均值同比下降47.4%, 相比2014年同期下降55.1%.从空间分布来看, 2016年杭州市区与周边地区NO2柱浓度明显降低, NOx排放特征呈现以杭州为中心的低值区(图 1及图 3), 综上, 卫星观测NO2柱浓度变化可以灵敏地反映地面NOx排放量的变化趋势.

图 3 2014~2016年8月20日至9月5日长三角区域NO2柱浓度 Fig. 3 NO2 VCDs over Yangtze River Delta from Aug 20 to Sep 5, 2014-2016

2 结果与讨论 2.1 NOx排放变化趋势

根据2011~2015年环境统计数据[26], 全国NOx排放量逐年下降, 从2011年2 404.3万t下降到2015年1 851.9万t, 下降幅度高达22.98%, 见图 4.从全国31省份来看, 除青海、新疆、广西、西藏等西部省份NOx排放时有上升外, 大部分省份NOx排放量保持逐年下降的趋势. “十二五”期间NOx减排主要集中在火电、钢铁、水泥等重点行业, “十二五”初期重点行业脱硝装置开始普及, 尤其是自2013年国务院印发《大气污染防治行动计划》(“大气十条”)之后, “大气十条”提出10条35项重点任务措施[27], NOx排放量下降速度加快, “十二五”期间我国NOx减排取得显著成效.

图 4 2011~2015年全国NOx排放量 Fig. 4 National NOx emissions, 2011-2015

2.2 “十二五”期间NO2柱浓度变化

虽然2011~2015年环境统计数据表明我国NOx减排效果明显, 但鉴于卫星观测数据具有空间覆盖范围广、人为干扰因素少的特点, 本文利用卫星观测NO2柱浓度变化来印证区域尺度NOx排放量的变化趋势.

(1) 全国及各省NO2柱浓度变化

2015年全国对流层NO2柱浓度均值为4.75×1015 cm-2, 三大重点区域京津冀、长三角、珠三角分别为13.01×1015、9.99×1015、4.79×1015 cm-2, 京津冀区域是全国NO2重污染地区. 2015年天津、上海、北京NO2柱浓度年均值位居全国三甲, 分别为14.45×1015、12.98×1015、12.91×1015 cm-2, 特大型城市NO2污染严重.从空间分布来看, 大部分省份NO2柱浓度高值出现在2011年和2012年, 之后呈明显下降趋势, 全国超过13.9×1015 cm-2的区域自2011年有所增加后, 2012年以后逐年减少. 2015年与2010年差值图显示, 整个华北、华中地区NO2柱浓度下降明显, 见图 5.相比2010年全国对流层NO2柱浓度降幅为24.98%, “十二五”期间我国NO2对流层柱浓度下降明显, 证明我国NOx减排取得显著成效, 这与NOx总量核查结果一致. NO2对流层柱浓度除了青海、西藏两省有所上升外, 其他29个省市均下降, 其中, 河南、贵州、河北、山东、浙江、湖北、广东、江苏、陕西、天津、内蒙古、山西等12省市NO2柱浓度降幅超过25%, 河南省下降幅度最大为36.89%, 黑龙江省降幅最小为3.65%.各省NO2柱浓度变化趋势见表 1(香港、澳门、台湾资料暂缺).

图 5 2015年与2010年中国NO2对流层柱浓度差值 Fig. 5 Decrease in annual NO2 VCDs over China in 2015 compared to 2010

表 1 2010~2015年全国及各省NO2柱浓度变化×1015/cm-2 Table 1 NO2 VCDs over China, 2010-2015(×1015/cm-2)

(2) 地级及以上城市NO2柱浓度变化

Aura/OMI遥感数据的空间分辨率约为25 km, 可以重采样到12.5 km, OMI NO2柱浓度不仅可以用于区域NOx排放量的趋势性分析, 同时可以用于反映城市尺度甚至单个污染源的NOx排放状况.本文对2010~2015年全国338个地级及以上城市NO2柱浓度变化进行分析, 结果表明：焦作、邯郸、新乡、鹤壁、邢台等37个城市的NO2柱浓度下降较为明显, 柱浓度下降量超过4×1015 cm-2, 主要集中在天津、河北、河南、山东、山西、上海、江苏等华北、华东地区, 见表 2, 这些城市“十二五”期间NOx减排效果明显.

表 2 2015年相比2010年柱浓度变化量×1015/cm-2 Table 2 Decrease in NO2 VCDs in 2015 compared to 2010 ×1015/cm-2

2.3 “十三五”初期NO2柱浓度变化

(1) 全国及各省NO2柱浓度变化

我国对流层NO2柱浓度均值由2015年的4.75×1015 cm-2下降到2016年的4.60×1015 cm-2, 年均降幅为3.18%, 这表明“十三五”开局之年NOx排放量持续下降.从各省NO2柱浓度变化来看, 安徽、重庆、浙江等省份(市)降幅超过10%, 但北京、天津、河北、上海、福建、广东、广西等地区有所上升, 见表 3. 2016年三大重点区域京津冀、长三角、珠三角NO2柱浓度均值分别为13.26×1015、9.49×1015、4.99×1015 cm-2, 相比2015年京津冀、珠三角NO2柱浓度均有上升趋势, 长三角区域NO2柱浓度有所下降, 见图 6. 2016年NO2对流层柱浓度表明, 天津、北京、上海、河北、山东、江苏位居全国前六名, 均超过10×1015 cm-2, 远高于全国平均浓度4.6×1015 cm-2, 整个华北、华东地区NO2污染程度最严重, 见图 7.

表 3 2015-2016年全国及各省NO2柱浓度变化趋势×1015/cm-2 Table 3 Variations in NO2 VCDs in 2016 compared to 2015 ×1015/cm-2

图 6 2016年与2015年NO2对流层柱浓度的差值 Fig. 6 Decrease in annual NO2 VCDs over China in 2016 compared to 2015

图 7 2016年中国NO2对流层柱浓度 Fig. 7 Annual NO2 VCDs over China in 2016

(2) 地级及以上城市NO2柱浓度变化

对2015~2016年全国338个地级及以上城市NO2柱浓度的变化趋势进行分析(表 4), 结果表明：新乡、苏州、南通、无锡、马鞍山等20城市NO2柱浓度下降较为明显, 下降量超过1×1015cm-2, 但佛山、衡水、保定、沧州NO2柱浓度上升较为明显, 上升1×1015 cm-2以上, 建议将以上城市辖区内的污染源作为下一年度NOx总量核查工作的重点. 2016年城市NO2柱浓度由高到低依次是石家庄、唐山、邢台、邯郸、淄博、天津、廊坊、北京、上海、安阳、济南、保定、苏州、滨州、无锡、临沂、常州、新乡、东营、焦作等, 由此可见, 华北平原及华东地区城市群NO2污染严重.城市NO2柱浓度升高可能由三方面原因导致：一是城市机动车保有量增大, 致使NO2浓度升高; 二是城市辖区内新建NOx高排放企业, 如火电厂、水泥厂等; 三是城市辖区内现役企业NOx治理水平降低; 具体原因应结合现场核查结果确定.

表 4 2016年NO2柱浓度同比变化明显的城市×1015/cm-2 Table 4 Cities with large variations of NO2 VCDs in 2016 compared to 2015 ×1015/cm-2

3 结论

(1) 卫星观测NO2柱浓度能够敏感地反映NOx排放趋势.由于重大活动期间城市NOx排放量大幅下降, 本文采用国控空气质量监测站点所在网格处NO2柱浓度数据, 分析该城市不同年份同期NO2柱浓度的变化, 证明卫星观测NO2柱浓度变化可以表征地面NOx排放量的变化趋势.

(2)“十二五”期间我国NOx减排取得显著效果. 2015年相比2010年全国NO2对流层柱浓度降幅为24.98%, 大部分省份NO2柱浓度高值出现在2011年和2012年, 重点行业脱硝装置开始普及之后, 尤其是“大气十条”实施以来, NOx排放量呈明显下降趋势, 这与NOx总量核查结果基本一致.

(3)“十三五”初期, 2016年我国NOx排放量相比2015年继续下降. 2016年全国NO2对流层柱浓度年均降幅为3.18%, 但北京、天津、河北、上海、福建、广东、广西等省份有所上升, 建议将以上地区作为下一年度NOx总量核查的重点.

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