基于多源遥感数据的京津冀NO2柱浓度时空变化及成因分析

作     者：王景芝 

作者单位：河北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：袁金国

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：NO2柱浓度 时空分布 轨迹聚类 潜在源区 京津冀地区 

摘      要：随着京津冀地区城市化进程加快,亟需解决经济发展带来的空气污染问题,准确获取NO浓度的时空分布特征,为京津冀协同治理、联防联控提供科学依据。对于NO地面监测站点分布不均,在海洋、森林、极地上空站点稀疏,不能进行全方位立体监测等缺点,本研究利用卫星遥感数据覆盖范围广、容易获取、动态监测等优点,结合地面数据对遥感数据进行验证,使用美国Aura卫星OMI遥感数据,分析了京津冀2005～2020年NO柱浓度时空变化,并基于当前分辨率最高的欧空局Sentinel-5P卫星TROPOMI遥感数据分析了疫情期间NO柱浓度变化;从自然因素(地形、风速风向、土地覆盖类型)和人为因素(机动车保有量、产业结构、工厂聚集度)6个方面对京津冀NO柱浓度变化进行成因分析;应用HYSPLIT模型分析了京津冀污染典型城市(北京、石家庄、唐山、承德)的聚类轨迹,了解污染传输通道,采用浓度权重轨迹分析法(CWT)在城市尺度和季节尺度上分析了NO潜在源区分布及贡献值。主要研究结果如下:(1)2005～2020年京津冀NO柱浓度年际空间分布表现为:区域内具有明显的空间异质性。南北部差异明显,西部的太行山与北部的燕山地区NO柱浓度低,东南部平原NO柱浓度高。2005～2007年NO柱高浓度区域不断扩大,较高浓度大面积扩大并且呈现连片分布的趋势;2008～2014年总体上NO柱浓度高值区呈现波动扩张趋势,形成“石家庄-邢台-邯郸和“北京-天津-唐山两大高浓度区域;2015～2020年,NO柱高浓度区域消失,较高浓度区域缩减程度大。季节空间分布上NO柱浓度表现为明显的季节性差异特征,NO柱浓度值呈现夏季秋季春季夏季,秋冬变化起伏大,春夏变化较平稳。NO柱浓度年际波动较大,最大值出现在2013年,年均值为13.40×10molec/cm;2017年浓度最低,年均值为8.75×10molec/cm。(3)石家庄市2021年新冠疫情期间京津冀地区NO柱浓度比2019年同比期下降了2.40×10molec/cm。在城市尺度上,石家庄市NO柱浓度下降最多,下降率为56.97%,其次为邢台,但承德市和张家口市NO柱浓度较同比期上升35.40%和49.55%。在空间变化上,疫情期京津冀无高浓度区域分布,较高浓度区域比2019年减少了93%。新冠疫情对石家庄、邢台等地区NO浓度影响较大。(4)京津冀地区NO浓度污染严重主要从自然和人为两方面分析其成因。自然因素中燕山、太行山脉地形会导致NO污染物聚集;风速、风向对京津冀NO柱浓度的影响是显著的;降水与NO柱浓度具有显著的负相关关系,降水量越大,NO柱浓度越低;在土地利用类型上,城镇用地NO柱浓度最高,且城镇用地农用地水未利用地林地草地。社会经济因素中机动车保有量、产业结构和工厂聚集度对NO柱浓度影响较大。(5)利用Mete Info中Traj Stat模块对后向轨迹聚类研究表明,气团轨迹越长,速度越快,对污染物的搬运和稀释作用越强。在年际尺度上,京津冀NO污染程度典型城市(北京市、石家庄市、唐山市、承德市)污染通道主要为东南短距离路径和西北长距离路径传输。西北方向路径始于俄罗斯途经外蒙古、内蒙古到达各典型城市,东南方向路径途经地区各不相同。在季节尺度上,冬季西北气流轨迹占绝对优势,北京市、石家庄市西北方向轨迹长度要大于唐山和承德市西北方向轨迹长度,且石家庄市的轨迹较为聚集。(6)应用CWT方法对NO浓度潜在源区分析表明,在年际尺度上北京市、石家庄市、唐山市、承德市NO浓度潜在源区分布具有明显差异性,NO浓度潜在源区贡献值呈现从四周向中心递增的趋势;在季节尺度上,冬季的北京市、石家庄市、唐山市NO浓度潜在源贡献高值区呈现条带状分布,WCWT值为80～100μg/m且污染源区范围集中。