2014年前后雅典地区的土地利用变化特征对大气污染格局的影响外文翻译资料

 2022-11-10 14:48:38

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2014年前后雅典地区的土地利用变化特征对大气污染格局的影响

摘要：在2004年雅典奥运会之前，雅典半岛的城市面积快速扩张。结果，使得污染源的分布和排放情况发生了变化，从而对气溶胶与光化学污染物的分布产生了影响。本文目的是研究2004年雅典奥运会前后，阿提卡半岛包括雅典地区(GAA)土地利用变化以及这些变化对污染物分布的影响。土地利用数据由USGS Global land use / land Cover version 2.0数据库提供，通过卫星图像完成更新过程。空间网格分辨率为5x5 km2。

结果表明，在过去的15年里，城市得到了很大的扩展，同时人口也向阿提卡东部地区大量转移，新的城镇也随之建立起来。同时，随着其他城镇的扩张和许多工厂迁出雅典市中心。此外，由于持续和扩大的森林火灾与居民区的爆发增长，阿提卡半岛的林地大大减少。通过使用扩展的综合空气质量模型(CAMx)来估计记录的污染事件中O3的分布。结果表明，土地利用变化对臭氧浓度影响较小，有必要制定与新的土地利用特征有关的排放清单。

关键字 ：土地利用，空气质量模型，CAMx，雅典

  1. 介绍

雅典地区(GAA)是希腊最大的城市，由于其复杂的地形和拥挤的交通、工业区、城市热岛、建筑工程和其他活动，雅典地区的空气质量很差。在过去的几十年里，大量的研究人员对GAA的空气污染特征进行了数值模拟与实验研究(Kalambokas et al.， 2012;Pateraki等，2010;Astitha和Kallos, 2008;Bossioli等，2007;Grivas等，2004;Martilli等，2003;Mavroidis等，2011;Chaloulakou等，2003;Moussiopoulos等，2000;Pilinis等，1993)。空气污染源特征的研究的重点在于土地利用类型的资料，因为土地利用类型通过不同的过程决定着空气质量，其中最重要的是排放的分布(Cheng et al.， 2008)。光化学模型需要更新高分辨率的土地利用土地利用数据(LULC)。开发可靠的LULC主要的数据来源是卫星成像(Feldman et al.， 2007)，卫星成像也可以更新现有数据。本研究之目的通过卫星图像，更新大雅典地区包括波伊奥蒂亚、伯罗奔尼撒东北部(NE)和尤伯亚岛的部分地区的土地利用数据。并将新的LULC引入光化学模型CAMx，从而定量这些变化对光化学污染分布/特征的影响。

  1. 光化学模式的介绍

扩展的综合空气质量模型(CAMx)是一种光化学模型，通过在嵌套的三维网格系统上求解每种化学物质的污染物连续性方程，模拟对流层污染物的排放、扩散、化学反应和去除过程(CAMx v.4.40 Users Guide)。通过一系列时间间隔逐步“求解”连续方程。在每个时段中，连续性方程变为对不同时段的分别计算，并在每个格点的中心计算每个时段的(排放、扩散、化学反应和去除)对每个格点浓度变化的贡献。通过使用11个土地利用类别来描述地表特征每个单元对应一个类别(Table 1)，并根据季节定义不同的地表类型的地表粗糙度。

  1. 方法

3.1模型配置

光化学模型CAMx v. 4.40采用双重网格嵌套方法。第一个网格（粗网格）覆盖欧洲南部和中部、土耳其和北非 (fig.1-left)，空间分辨率为15 x15平方公里(200 x160 格点),而第二个网格(细网格)分辨率为5 x5平方公里(29 x29格点)和覆盖GAA, NE Peloponnesus的一部分,埃维厄岛岛(fig.1-right)。模拟期间从2006年6月17日00.00 (UTC)开始，到2006年6月19日24.00 (UTC)结束，前两天为spin-up期。上述期间稳定的天气条件促进了当地环流系统的发展(海风，图4)，导致阿提卡半岛的空气污染浓度较高。利用中尺度气象模型MM5，得到了CAMx的气象场(温度、风、压力、水汽、云/雨)。粗网格的时间分辨率为120分钟，细网格与CAMx网格的空间分辨率相同为60分钟。粗网格采用EMEP中心每小时的网格排放，细网格使用的由希腊塞萨洛尼基亚里斯多德大学传热与环境工程实验室(LHTEE)提供排放清单可以追溯到2000年。其中包括10个不同snapcategory (SNAP Level 1)对各类污染源(点、线、面积)的SO2、NOx、CO、NH3、NMVOCs、PM10和PM2.5的小时排放情况。采用CB4化学机理，包括96个反应，37种(25种状态气体和12种自由基)。

3.2、土地利用/土地覆盖数据（LULC）

本研究中使用的是由美国地质调查局(USGS)全球LULC 2.0版数据库提供的LULC数据，该据库自1992年使用先进的1.1公里高分辨率辐射计(AVHRR)。美国地质调查局的分系统包括24个土地覆盖类别，其中有14个在精细网格中找到(图2)。通过MM5气象模型的处理，该数据适用于CAMx使用的11个LULC类别。使用空间分辨率为5x5 km2的Lambert圆锥角投影将区域划分为格点。每个单元格分别检查，必要时对LULC类别进行纠正。在此过程中使用的方法是美国地质调查局地质调查专业论文964，(www.usgs.gov)。本文认为，在土地多种用途被识别的情况下，最终适应此格点的LULC类是覆盖范围最大的土地覆盖类别。校正后形成的LULC场如图2b所示。之后，将24个USGS土地利用类划分为CAMx使用的11个类别(figure 3)，并进行了新的模拟。然后，将新的LULC场与2006年空间分辨率为5600 m的中分辨率成像光谱仪(MODIS)获得的地表覆盖信息进行了比较。根据MODIS土地利用分类的定义，将MODIS土地利用分类转化为CAMx土地利用分类。

  1. 结果

4.1、土地利用/土地覆盖修正

为了主办雅典奥运会，修建的建筑改变了阿提卡半岛的土地特征。通过扩大道路网，建造新的环形道路(例如Attiki Odos)，以便为阿提卡东部城镇和斯帕塔的新机场“Eleftherios Venizelos”服务。因此，沿着这些交通路线进行的线性开发住宅已经扩展了(Mesogia平原)。

更新后形成的LULC字段如图2b所示。显然，市区已向阿提卡的南部和东部扩展。覆盖这些区域的单元的土地利用等级从8(灌木地)变为1(城市建成地)。半岛西部相对开阔的Thriassio平原也发生了许多变化。除了存在多年的炼油厂，在过去的20年里，许多轻工业从雅典市中心搬到了这个地区。因此，该地区的景观现在被建筑(道路、植物、停车场)所覆盖，被称为“工业园区”。如图3所示，在GAA中，城市和建成区的细胞覆盖率从6%上升到23%。影响阿提卡半岛景观的另一个方面是不断扩大的火灾，导致森林土地恶化，被灌木、低植被和新住宅区取代。

此外，在波伊奥蒂亚和伯罗伯尼斯东北部，灌溉和混合灌溉/旱地农田面积从1992年的210平方公里扩大到2006年的420平方公里。对农产品需求的增加导致这些地区灌溉网络的改善，因此现在的农业活动更加有组织。更新后的LULC字段与MODIS数据集之间的比较表明，对于urban类，两者具有很好的一致性(表2)。然而，MODIS数据集显示了混合森林类更大的空间范围。这是因为MODIS数据集没有一个单独的类用于混合农业/牧场土地，所以覆盖这些区域的单元包含在混合森林类中。

4.2、比较O3和NOX浓度的剖面分析

图6为2006年6月19日9.00 LT、12.00 LT、15.00 LT、18.00 LT时地表臭氧浓度的空间分布，输入更新后的LULC场。CAMx成功地再现了O3的典型(预期的)日变化。在清晨，GAA及其周围地区的背景浓度占主导地位，而在日出之后，强烈的太阳辐射驱动光化学，并导致随后的臭氧形成。一次污染物主要排放在GAA中心，夜间受陆风影响向萨罗尼克湾扩散，下午海风最强时以二次污染物的形式到达GAA(图4)。在希腊的模式模拟结果与城市测站测量结果比较显示，CAMx没能重现臭氧的高值(在 Marousi Nea Smirni约为110 ppb和在Agia Paraskevi约为90 ppb， 6月19日) (图5)。然而，在Pallini场地(位于城市之外)的观测结果和模型结果之间的差异较小。对于NOx浓度，模型也再现了日变化(图8)。在城市地区，由于道路交通排放，上午和晚上的数值较高。该模型低估了城市站点(Marousi、Agia Paraskevi和Nea Smirni)的NOx浓度，而Pallini站点的NOx浓度似乎被模型高估了。对模型的评价进行统计分析(表3)，发现模型结果与观测值相关关系较差。这是由于观测是指一个点的测量，而模型浓度是25平方公里面积的平均值。更高的网格分辨率有望提高模型的性能。此外，更新输入数据，特别是排放清单，会对模型结果产生积极的影响。

图7显示了2006年6月19日O3浓度的差异(O3与新的LULC场- O3与旧的LULC场)。在9.00LT时，土地利用的变化影响了本底臭氧浓度，该浓度在城市地区似乎要高约5ppb，特别是对于以前被描述为草原的格点。下午早些时候差异更大，尤其是在萨罗尼克湾和阿提卡南部地区，主要是因为城市网格的扩张和随之而来的风廓线变化(Fameli et al. 2013)。此外，土地利用的变化影响到阿提卡东部的风速，因为农田/林地网格现在已被更低植被所取代，风速的增加，从而导致更高的臭氧浓度。氮氧化物浓度随土地利用变化的差异如图8所示。土地利用变化对氮氧化物浓度影响不大。上午GAA的南部单元(作为新城市区域土地利用数据的特征)的NOx值出现上升(约10ppb)。

  1. 总结

2004年雅典奥运会的主办，进行了大规模的建筑工程，大大改变了GAA的土地覆盖特征。这些变化影响到污染物排放源的分布和该地区的空气质量。通过对比2004年前后的GAA区域的变化，对研究光化学污染扩散规律的数值模拟具有重要的意义。根据2006年的卫星图像数据制作了一份旧的和新的土地利用分布，将这些数据作为光化学模型CAMx的输入。研究结果表明，GAA及其周边地区的土地利用和土地覆被剖面发生了较大的变化。，由于城市网格的扩张，城市用地或建成区用地的比例有所增加。新的城镇被创建，尤其是在雅典国际机场所在的阿提卡东部地区。许多工业已迁往Thriassio平原，道路网也扩大了。此外，波伊奥蒂亚的灌溉农田也有所增加。新区域土地利用类别3和4 (USGS LULC分类体系)所占比例为12%，而老区域仅占1%。土地利用特征的这些变化影响了排放模式以及光化学污染物浓度(O3、NOx)。最显著的变化出现在阿提卡南部地区。此外，GAA北部和东部郊区的城市地区密度增加，也促进二次生成O3浓度的增加。因此，定期检查和记录土地利用的变化，对发展最新的排放背景和研究准确的光化学模型是非常重要的。

致谢

本研究由欧洲联盟(欧洲社会基金- ESF)和希腊国家基金共同资助，通过国家战略参考框架(NSRF)的“教育和终身学习”业务计划-研究资助计划: Heracleitus II。透过欧洲社会基金投资知识社会。作者要感谢塞萨洛尼基亚里士多德大学的传热与环境工程实验室(LHTEE)和Astitha Marina博士，他们分别为雅典国际机场的细网格和粗网格提供了排放清单以及Pallini站点的观测数据。

参考文献

Anderson, J.R., Hardy, E., Roach, J., Witmer, R.A (1976), Land Use and Land Cover Classification System for use with remote sensor data, Geological Survey Professional Paper 964.

Astitha, M. and Kallos, G. (2009), Gas-phase and aerosol chemistry interactions in South Europe and the Mediterranean region, Environ. Fluid Mech., 9, 3-22.

Bossioli, E., Tombrou, M., Dandou, A., Soulakelis, N. (2007), Simulation of the effects of critical factors on ozone formation and accumulation in the greater Athens area, J. . Geophys. Res., 112, D02309.

Chaloulakou, A., Kassomenos, P., Spyrellis, N., Demokritou, P., Koutrakis, P. (2003), Measurements of PM10 and PM2.5 particle concentrations in Athens, Greece, Atmos. Environ., 37, 649-660.

Cheng, Fang-Yi, Kim, Soontae, Byun, W. Daewon (2008), Application of high resolution land use and land cover d

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