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卫星数据驱动的中国区域NOx排放快速反演

卫星遥感；NOx；排放反演；算法

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.7 大气痕量气体遥感和应用

氮氧化物（NO_x）是对流层中关键的反应性痕量气体和主要空气污染物，通过影响臭氧光化学反应、参与大气颗粒物及酸雨形成过程，在大气化学中占据重要地位。精确且近实时地估算NO_x排放量，不仅对大气污染管控至关重要，也为估算同源CO₂排放提供了有效途径。新一代卫星遥感反演获得的对流层NO₂垂直柱浓度（TVCDs），凭借其前所未有的时空分辨率与精度，推动了基于质量守恒原理的快速反演方法在NO_x排放估算中的发展。本文利用S5P/TROPOMI NO2 TVCDs和ERA5风场数据，基于改进的方向导数法（directional derivative framework），实现了中国区域NO_x点源和区域排放0.05° × 0.05°高分辨率、高精度同步估算。方法考虑了NO_x/NO₂的非均匀性及非线性的NO_x生命期。结果表明，2019–2024年中国人为源NO_x排放量分别为20.2 Tg、18.5 Tg、19.4 Tg、18.9 Tg、20.7 Tg和18.8 Tg，不确定性27%–30%。验证结果表明，估算结果与“自下而上”的清单（MEIC、EDGAR）和“自上而下”的数据集高度吻合，国家尺度上，差异介于−11.8%至0.8%；省级尺度上，超过85%的省份与清单的差异在±60%以内，DDA估算的结果在经济发达省份低于清单排放，而在西部欠发达地区则偏高，并且与MEIC的一致性高于EDGAR。DDA捕捉到了长时间尺度上NO_x排放模式的异同，包括特大城市一致的下降趋势以及省级排放变化的差异，该差异由区域间城市化和经济发展不平衡所驱动。对于点源，研究时段内124座燃煤发电厂的氮氧化物排放速率介于0.02–2.13 kg s⁻¹，平均不确定性为16%，与先前的研究结果接近（R²=0.81，slope=0.83）。相较于“自下而上”排放清单和“自上而下”数据同化反演，本文发展的基于卫星数据快速反演算法展现出以低延迟提供长期排放估算的显著优势。