基于OMI数据的青岛市酸沉降通量估算

杜金辉，匡开宇，慕金波*

（1. 山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南 250013；2. 山东省核与辐射安全监测中心，山东 济南 250117）

环境管理

基于OMI数据的青岛市酸沉降通量估算

杜金辉1，匡开宇2，慕金波1*

（1. 山东省环境保护科学研究设计院，山东 济南 250013；2. 山东省核与辐射安全监测中心，山东 济南 250117）

针对地面监测点位过少，不能满足大区域范围土壤酸沉降通量研究需求的现状，建立了基于OMI痕量气体遥感数据和地面观测数据的区域酸沉降通量估算方法，并对青岛市硫元素和氮元素沉降通量进行了估算。结果表明，新方法能够实现大区域范围土壤酸沉降通量的估算。与传统估算方法相比，新方法采用大气痕量气体遥感监测数据，是对酸沉降通量常规研究手段的有益补充。

OMI数据；干沉降通量；湿沉降通量；沉降总通量；青岛市

目前，大气沉降的研究方法主要有野外观测和数值模拟，虽能估算出研究区大气沉降通量，但都依赖实地采样数据支持[1]。国内大气沉降监测主要集中于湿沉降，干沉降因方法较复杂开展较少，且监测点位集中分布在城市周边地区或者零星分布于农村或者背景值地区[2]。地面监测网络虽能监测低对流层大气，但不适用于大范围的监测[3]。与传统大气监测方法相比，遥感具有覆盖范围广、实时、连续、分辨率高等优点[4]。随着高光谱遥感技术和定量遥感理论的发展，应用遥感数据开展大范围大气SO2、NO2等痕量气体分布的研究引起人们的关注。目前，OMI痕量数据产品主要应用于柱浓度[5]以及排放量的时空分布研究[6]，用于酸沉降干沉降通量的研究尚不多见。

本研究基于大气痕量气体遥感数据产品OMI（Ozone Monitoring Tnstrument）SO2e和NO2d、降水遥感产品TRMM（tropical Rainfall Measuring Mission satellite）3B43及地面观测数据，建立区域酸沉降干、湿沉降及沉降总通量计算方法，以弥补地面监测点位较少、不能满足大范围酸沉降研究的不足。

1 研究区域概况

山东省由于地理环境和气候的影响，酸雨的区域性差异较为明显，沿海地区和山区酸雨发生频率较高，相对来说山东半岛和泰沂山区为最严重的酸雨危害区，而鲁西北、鲁中及鲁南、鲁西南等部分地区的酸雨频率较低[7]。青岛市地处山东半岛东南部，濒临海洋，海洋性湿润气候提供了产生酸雨的温床。根据“山东省环境质量状况公报”数据，2006—2013年，除2011年青岛无酸雨样品检出外，其他年份均为酸雨检出城市。因此，选取青岛市作为山东省典型区域进行酸沉降通量研究。

2 研究方法

2.1 研究方法

不同生态系统所接受的大气酸沉降的数量可用沉降通量来表征，包括干沉降和湿沉降通量。

2.1.1 干沉降通量计算方法

2.1.1.1 干沉降日通量计算方法

干沉降日通量由气溶胶离子中的元素质量浓度（Cd）和该元素干沉降速率（Vd）计算得到。干沉降速率Vd取值参考山东省酸沉降的有关研究成果[8]，城区和郊区SO2的干沉降速率Vd分别取0.6 cm/s、0.7 cm/s；NO2的干沉降速率参考文献取值0.1 cm/s[9]。质量浓度Cd可用卫星观测的对流层SO2和NO2垂直柱密度数据计算得到，SO2和NO2近地表质量浓度计算公式为：

式中：Cd为质量浓度（g·（m3·d）-1）；M为分子量（g/mol）；V为对流层垂直柱密度（SO2e为2.69×1016分子/cm2，NO2d为分子/cm2）；NA为阿伏伽德罗常数（6.02×1023分子/mol）；H为近地表混合层高度（m），取值参考文献[1，4]。

2.1.1.2 干沉降年通量计算方法

由干沉降日通量加和得到SO2和NO2沉降月通量、年通量。由于气溶胶SO42-的浓度不易获得，假定SO2和气溶胶SO42-分别占干沉降的89%和11%[8]，根据SO2干沉降年通量计算气溶胶SO42-的干沉降年通量。根据SO2和SO42-中硫元素所占比例计算得到硫元素的总干沉降年通量。NO2干沉降年通量乘以0.30得到氮元素干沉降年通量。

2.1.2 湿沉降通量计算方法

根据降水月值及离子浓度月值计算得到湿沉降月通量，逐月加和得到湿沉降年通量。降水SO42-的湿沉降年通量乘以1/3得到硫元素湿沉降年通量。根据降水量及降水离子浓度栅格分别计算出NH4+_N和NO3-_N湿沉降年通量，二者加和得到氮元素湿沉降年通量。

2.1.3 沉降总通量计算方法

利用ARCGIS空间分析功能，将硫元素和氮元素干、湿沉降年通量分别加和得到各自沉降年总通量。

2.2 数据来源及处理

2.2.1 数据来源

可同时检测SO2和NO2的传感器有GOME、SCIMACHY和OMI[4，10]。与GOME和SCIMACHY相比，臭氧层观测仪（OMI）具有更高的空间分辨率和每日一次全球覆盖的优势，并首次提供每日O3、SO2、NO2等污染物的全球观测结果[11]，其痕量数据产品在反演大气SO2和NO2量值中取得了较好的效果[12，13]。选取最新的OMI Level-3日数据产品OMSO2e和OMNO2d对流层SO2垂直柱浓度和NO2垂直柱密度数据进行大气硫和氮干沉降通量的计算。湿沉降通量降水数据采用TRMM 3B43月降水数据，降水离子浓度数据为地面监测站每次降水监测数据。

2.2.2 数据处理

所有数据均转化为1 km×1 km的ArcGIS栅格格式，UTM坐标系。根据各数据来源的时间跨度，选取2005—2010年作为研究时段。利用ArcGIS，通过格式转换、提取有效值点、插值、投影变换、裁切、单位转化、栅格计算（NO2d数据需要考虑权重）等预处理，生成计算所需的各种栅格数据。

3 结果与讨论

3.1 青岛市酸沉降通量计算结果

青岛市酸沉降通量计算结果见表1。

根据表1，2005—2010年青岛市硫干沉降通量平均值为2 145.21 kg/（km2·a），湿沉降通量平均值为2 673.03 kg/（km2·a），总通量平均值为4 818.24 kg/（km2·a），干湿沉降比例平均值分别为44.86%、55.14%，说明青岛市硫沉降通量以湿沉降为主。青岛市氮干沉降通量平均值为49.85 kg/（km2·a），湿沉降通量平均值为1 375.25 kg/（km2·a），总通量平均值为1 425.1 kg/（km2·a），干湿沉降比例平均值分别为3.61%、96.39%，说明青岛市氮沉降通量以湿沉降为主，而青岛市氮沉降分布趋势与降水分布大致相似也说明这一点。

表1 2005—2010年青岛市硫和氮沉降总通量及干、湿沉降贡献率

3.2 青岛市酸沉降通量空间分布

青岛市酸沉降通量空间分布见图1（以2009年和2010年为列）。由于硫干沉降速率城区和郊区不同，在硫沉降通量空间计算中通过栅格计算器来实现这一差别，图（a）和图（b）中图斑即为城镇及村庄。氮采用统一的干沉降速率，沉降通量分布图中未区分城区和郊区。由图1可见，青岛市硫元素和氮元素沉降总通量均以东北、东南和西南部沿海区域数值较高，内陆区域相对较低，与降水分布呈现大体相似趋势。

图1 2009—2010年青岛市酸沉降总通量空间分布

4 结论

建立了基于大气卫星遥感数据和地面观测数据的区域酸沉降通量估算方法，并对青岛市酸沉降通量进行了研究。结果表明：2005—2010年，青岛市硫元素沉降总通量平均值为4 818.24 kg/（km2·a），氮元素沉降总通量平均值为1 425.10 kg/（km2·a）。硫元素和氮元素沉降均以湿沉降为主，湿沉降对总通量贡献率平均值分别为55.14%和96.39%。硫元素和氮元素沉降总通量均以东北、东南和西南部沿海区域数值较高，内陆区域相对较低，与降水分布情况呈现大体相似趋势。

[1]马胜，杨晓峰，李紫薇.基于GOME-2卫星遥感数据估算近海海域氮沉降通量的方法研究[J].海洋环境科学，2012，31（2）：272-276.

[2]常运华，刘学军，李凯辉，等.大气氮沉降研究进展[J].干旱区研究，2012，29（6）：972-979.

[3]王耀庭，王桥，杨一鹏，等.利用Landsat/TM影像监测北京地区气溶胶的空间分布[J].地理与地理信息科学，2005，21（3）：19-22.

[4]赵军，樊洁平，张斌才，等.大气SO2卫星遥感监测技术及其研究进展[J].安全与环境学报，2012，12（4）：166-169.

[5]肖钟湧，江洪，程苗苗.利用OMI遥感数据研究中国区域大气NO2[J].环境科学学报，2011，31（10）：2080-2090.

[6]姜杰.基于OMI卫星数据和数值模拟的中国大气SO2浓度监测与排放量估算[D].南京：南京师范大学，2012.

[7]田晓萍，陈优宽，刘欣，等.对山东省2003年以来的酸雨分布的分析[C]//中国气象学会2007年年会大气成分观测、研究与预报分会场论文集，2007：705-709.

[8]慕金波，马春元，郎咏梅，等.山东省城市酸沉降及控制研究[M].济南：山东大学出版社，2005：62-76.

[9]张艳，王体健，胡正义，等.典型大气污染物在不同下垫面上干沉积速率的动态变化及空间分布[J].气候与环境研究，2004，9（4）：591-604.

[10]王跃启，江洪，张秀英，等.基于OMI卫星遥感数据的中国对流层NO2时空分布[J].环境科学研究，2009，22（8）：932-937.

[11]赵其昌，杨勇，李叶飞，等.大气痕量气体遥感探测仪发展现状和趋势[J].中国光学，2013，6（2）：156-162.

[12]CARN S A，KRUEGER A J，KROTKOV N A，et al.Sulfur dioxide emis-sions from Peruvian copper smelters detected by the Ozone Monitoring Instrument[J].Geophysical Research Letters，2007，34（9）：L09801.

[13]赵军，张斌才，樊洁平，等.基于OMI数据的兰州及附近地区大气边界层SO2量值变化初步分析[J].遥感技术与应用，2011，26（6）：808-813.

（编辑：周利海）

Estimation of the Acid Deposition Fluxes in Qingdao City based on OMI Satellite Remote Sensing Data

Du Jinhui1,Kuang Kaiyu2,Mu Jinbo1*
（1.Shandong Academy of Environmental Science,Jinan Shandong 250013,China；2.Shandong Provincial Nuclear and Radiation Safety Monitoring Center,Jinan Shandong 250013,China）

To solve the problem that the lack of ground monitoring data could not meet the spatial needs for the study of atmospheric acid deposition fluxes,a method for estimating regional acid deposition fluxes based on the OMI atmospheric satellite remote sensing data and the ground observation data was proposed.With the proposed method,the sulphur and nitrogen deposition fluxes of Qingdao City were estimated.The results showed that the acid deposition on soils on a regional scale could be evaluated with the proposed method.Compared to the traditional methods, the proposed method provided the study of atmospheric acid deposition with the supplementary basis and reference.

OMI data；dry deposition flux；wet deposition flux；total deposition flux；Qingdao City

X87

A

1008-813X（2015）02-0001-04

10.13358 /j.issn.1008-813x.2015.02.01

2014-12-23

山东省科技发展计划项目《山东省土壤环境容量及酸沉降临界负荷研究》（2006GG3206002）

杜金辉（1979-），男，山东兰陵人，毕业于山东大学环境工程专业，硕士，工程师，主要从事环境管理与规划的研究工作。

*通讯作者：慕金波（1964-），男，山东荣成人，毕业于华东工学院环境系统工程专业，博士，研究员，主要从事环境系统工程的研究工作。