基于TropOMI和OMI的中国氮氧化物卫星遥感及排放和环境影响研究

China is confronted with high concentrations of nitrogen oxides (NOx), particularly their impacts on formation of ozone and particulate matter (PM) pollution. However, the spatial variation and temporal evolution of NOx and associated environmental impacts over China are not clearly understood, due to inadequacies and inaccuracies in emission inventory and ground-based measurements. Satellite remote sensing can be used to retrieve vertical column densities (VCDs) of tropospheric nitrogen dioxide (NO2), a quantity proven powerful to study NOx pollution and impacts. In particular, the TropOMI sensor to be launched in 2017 will provide unprecedented high-resolution (pixel size is only 7 x 7 km2 at nadir) measurements of NO2, essential for detailed analyses of NOx pollution characteristics and environmental impacts. Based on the OMI sensor currently in orbit, we have established a POMINO algorithm to retrieve tropospheric NO2 VCD. This proposal will implement an improved version of POMINO to further retrieve tropospheric NO2 VCDs from TropOMI. We will combine NO2 data retrieved from OMI and TropOMI to analyze long-term variability and trends of NO2 since 2004 (especially during the thirteenth “Five-Year Plan” period over 2016-2020) at a high spatial resolution. We will further combine satellite data and GEOS-Chem simulations to derive surface emissions of NOx, their spatiotemporal variability and impacts on ozone and PM pollution. Our studies will provide new scientific findings to facilitate further emission control.

中国氮氧化物污染严重，对臭氧和颗粒物的形成有重要影响，但是其排放清单和地基观测存在诸多不足，时空变化特征、排放和环境影响尚不完全清楚。利用卫星遥感可反演得到对流层二氧化氮（NO2）垂直柱浓度资料，特别是将于2017年发射的TropOMI探测器可提供迄今为止最高水平分辨率（星下点像元面积为7 x 7 km2）的NO2遥感，极有助于定量研究氮氧化物污染问题。申请人已经基于现有的OMI探测器发展了POMINO算法并获得了相应的NO2产品，本项目拟改进该算法并应用到TropOMI以反演得到新的覆盖中国地区的高分辨率NO2产品，定量分析反演误差，结合TropOMI和OMI资料作2004年以来（特别是“十三五”期间）长时间序列、高水平分辨率的NO2时空分析，结合GEOS-Chem模型反演高分辨率下的氮氧化物排放及其时间演化，定量分析氮氧化物排放变化对臭氧和颗粒物的影响，为下一步减排策略提供科学依据。

NO2卫星遥感是认识大气环境变化和驱动机制的重要手段，可为空气污染监测和治理提供重要（准）观测资料。本项目围绕高分辨率NO2卫星遥感、时空变化、排放反演和环境影响等方面开展研究工作，取得了一些创新性成果。.（1）持续改善POMINO-OMI NO2对流层垂直柱浓度算法和产品，并将反演区域扩大到覆盖东亚、南亚和东南亚大部分地区，进一步改进POMINO算法并应用到TROPOMI探测器，获得POMINO-TROPOMI NO2产品。完全自主开发了PHLET NOx排放反演算法，获得了长三角地区5km分辨率NO2排放数据，进一步应用到整个亚洲地区并取得了初步成果，揭示了排放清单在排放源缺失等方面的不足。开发了EOF-EEMD统计分析和可视化软件，定量揭示了华北地区秋冬季节NO2和PM2.5多尺度时空变化特征和气象条件影响，并评估了两个主流模式的模拟能力。.（2）利用高精度电厂运营数据定量了中国燃煤电厂NOx排放和排放因子的时间变化规律，利用参数化方法和同化气象资料建立了高时空分辨率自然源排放数据集。发展并应用大气化学传输模式，定量揭示了外来大气输送对中国臭氧的影响，定量了不同富裕程度的国家所造成的跨界PM2.5污染历史问题。探索了贸易发展对全球和区域大气环境和健康的影响，与合作者探索了大气污染暴露对胎儿和婴儿健康的影响。.这些研究成果有助于中国的精准减排和国际环境合作。基于这些成果，项目主持人以第一作者或通信作者（含共同）发表21篇学术论文（含已录用1篇），其中14篇为第一标注。相关卫星数据免费发布并获得了国内外200多个注册用户，部分数据已被用于支撑青藏高原科考专项。本项目协助支持主持人培养了5名博士生（2名已毕业）。