Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 23-39
Интегральная оценка качества атмосферного воздуха в крупнейших городах России на основе данных TROPOMI (Sentinel-5P) за 2019–2020 гг.
А.Э. Морозова
1, 2 , О.С. Сизов
1, 3 , П.О. Елагин
4, 2 , Н.А. Агзамов
2 1 РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, Москва, Россия
2 ООО «КБ Стрелка», Москва, Россия
3 Институт проблем нефти и газа РАН, Москва, Россия
4 Российский университет дружбы народов, Москва, Россия
Одобрена к печати: 02.08.2022
DOI: 10.21046/2070-7401-2022-19-4-23-39
Рассматривается уровень загрязнения атмосферного воздуха в пределах территории 20 крупнейших по численности городов России за 2019–2020 гг. Исходными данными исследования служат измерения TROPOMI (спутник Sentinel-5P) таких поллютантов, как оксид углерода, формальдегид, диоксид азота, диоксид серы и аэрозоли (индекс аэрозольного загрязнения). Измерения получены с помощью облачной платформы Google Earth Engine для геопространственного анализа данных, в которой представлены данные уровня L3, доступные для непосредственного анализа. Для интегральной оценки качества атмосферного воздуха разработан индекс TAQI (англ. Tropomi Air Quality Indeх), результаты расчёта которого показали, что большая часть рассматриваемых городов (15 из 20) имеют низкий или повышенный уровень загрязнения. В структуре загрязняющих веществ основную роль играют формальдегид (35,7 %) и диоксид азота (26,4 %). Существенную долю занимает диоксид серы (16,4 %). Вклад оксида углерода и аэрозолей в среднем составляет 10,8 и 10,6 % соответственно. На загрязнение атмосферного воздуха в городах оказывают влияние как природные (пожары, пыльные бури) факторы, так и антропогенные (сезонные миграции населения, ограничения в связи с пандемией COVD-19). Оценка уровня загрязнения атмосферы в городских условиях на основе интегральных индексов с использованием дистанционных данных (на примере TAQI) представляется перспективным подходом и может рассматриваться как важное информационное дополнение для существующих наземных измерительных систем в рамках реализации мультисенсорной парадигмы.
Ключевые слова: загрязнение атмосферы, город, дистанционное зондирование, TROPOMI, Google Earth Engine, Sentinel-5P
Полный текстСписок литературы:
- Богоявленский В. И., Сизов О. С., Никонов Р. А., Богоявленский И. В., Каргина Т. Н. Дегазация земли в Арктике: генезис природной и антропогенной эмиссии метана // Арктика: экология и экономика. 2020. №3(39). С. 6–22. DOI: 10.25283/2223-4594-2020-3-6-22.
- Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2020 году» / Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации; МГУ им. М. В. Ломоносова. М., 2021. 1000 с.
- Зуев Д. В., Кашкин В. Б. Анализ выбросов диоксида серы по данным инструмента OMI (спутник AURA) для Норильской промышленной зоны // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26. № 9. С. 793–797.
- Лаппо Г. М. География городов: учеб. пособие для геогр. фак. вузов. М.: Гуманитарный изд. центр ВЛАДОС, 1997. 480 с.
- Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2020 год. М.: Росгидромет, 2021. 205 с. URL: https://www.meteorf.gov.ru/upload/iblock/d94/Obzor_2020_070721.pdf (дата обращения: 03.02.2022).
- РД 52.04.667 2005. Руководящий документ. Документы о состоянии загрязнения атмосферы в городах для информирования государственных органов, общественности и населения. Общие требования к разработке, построению, изложению и содержанию. М.: Метеоагенство Росгидромета, 2006. 60 с.
- Ситнов С. А. Анализ спутниковых наблюдений тропосферного содержания NO2 над Московским регионом // Изв. Российской акад. наук. Физика атмосферы и океана. 2011. Т. 47. № 2. С. 184–203.
- Тронин А. А., Киселёв А. В., Васильев М. П., Седеева М. С., Неробелов Г. М. Мониторинг содержания диоксида азота в воздушном бассейне России по спутниковым данным в условиях пандемии COVID-19 // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 309–313. DOI: 10.21046/2070-7401-2021-18-3-309-313.
- Численность населения Российской Федерации по муниципальным образованиям на 1 января 2020 года / Федеральная служба государственной статистики (Росстат). 2020. URL: https://rosstat.gov.ru/compendium/document/13282 (Дата обращения 08.02.2022).
- Air quality in Europe. Technical Report No. 9/2020 / European Environment Agency. Luxembourg: Publications Office of the European Union, 2020. 160 p. URL: https://www.eea.europa.eu/publications/air-quality-in-europe-2020-report (accessed 03.02.2022).
- Bechle M. J., Millet D. B., Marshall J. D. Does Urban Form Affect Urban NO2? Satellite-Based Evidence for More than 1200 Cities // Environmental Science and Technology. 2017. No. 51. P. 12707–12716. DOI: 10.1021/acs.est.7b01194.
- Bernath P. F., McElroy C. T., Abrams M. C., Boone C. D., Butler M., Camy-Peyret C., Carleer M., Clerbaux C., Coheur P.-F, Colin R., DeCola P., DeMazière M., Drummond J. R., Dufour D., Evans W. F. J., Fast H., Fussen D., Gilbert K., Jennings D. E., Llewellyn E. J., Lowe R. P., Mahieu E., McConnell J. C., McHugh M., McLeod S. D., Michaud R., Midwinter C., Nassar R., Nichitiu F., Nowlan C., Rinsland C. P., Rochon Y. J., Rowlands N., Semeniuk K., Simon P., Skelton R., Sloan J. J., Soucy M.-A., Strong K., Tremblay P., Turnbull D., Walker K. A., Walkty I., Wardle D. A., Wehrle V., Zander R., Zou J. Atmospheric Chemistry Experiment (ACE): Mission overview // Geophysical Research Letters. 2005. V. 32. Iss. 15. Art. No. L15S01. 5 p. DOI: 10.1029/2005GL022386.
- Cohen A. J., Brauer M., Burnett R., Anderson H. R., Frostad J., Estep K., Balakrishnan K., Brunekreef B., Dandona L., Dandona R., Feigin V., Freedman G., Hubbell B., Jobling A., Kan H., Knibbs L., Liu Y., Martin R., Morawska L., Pope C. A. III, Shin H., Straif K., Shaddick G., Thomas M., van Dingenen R., van Donkelaar A., Vos T., Murray C. J. L., Forouzanfar M. H. Estimates and 25-year trends of the global burden of disease attributable to ambient air pollution: an analysis of data from the Global Burden of Diseases Study 2015 // The Lancet. 2017. V. 389. P. 1907–1918. DOI: 10.1016/S0140-6736(17)30505-6.
- Gorelick N., Hancher M., Dixon M., Ilyushchenko S., Thau D., Moore R. Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone // Remote Sensing of Environment. 2017. No. 202. P. 18–27. https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.06.031.
- Hamazaki T., Kaneko Y., Kuze A., Kondo K. Fourier transform spectrometer for Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) // Proc. 4th Intern. Asia-Pacific Environmental Remote Sensing Symp. 2004: Remote Sensing of the Atmosphere, Ocean, Environment, and Space. V. 5659. Enabling Sensor and Platform Technologies for Spaceborne Remote Sensing. 2005. https://doi.org/10.1117/12.581198.
- Ionov D. V. Tropospheric NO2 trend over St. Petersburg (Russia) as measured from space // Russian J. Earth Sciences. 2010. V. 11. Art. No. ES4004. 7 p. DOI: 10.2205/2010ES000437.
- Kaginalkar A., Kumar S., Gargava P., Niyogi D. Review of urban computing in air quality management as smart city service: An integrated IoT, AI, and cloud technology perspective // Urban Climate. 2021. V. 39. Art. No. 100972. https://doi.org/10.1016/j.uclim.2021.100972.
- Khan R., Kumar K. R., Zhao T. Assessment of variations of air pollutant concentrations during the COVID-19 lockdown and impact on urban air quality in South Asia // Urban Climate. 2021. No. 38. Art. No. 100908. DOI: 10.1016/j.uclim.2021.100908.
- Lelieveld J., Evans J. S., Fnais M., Giannadaki D., Pozzer A. The contribution of outdoor air pollution sources to premature mortality on a global scale // Nature. 2015. V. 525(7569). P. 367–371. DOI: 10.1038/nature15371.
- Martin R. V. Satellite remote sensing of surface air quality // Atmospheric Environment. 2008. No. 42. P. 7823–7843. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2008.07.01.
- Quarterly Validation Report of the Sentinel-5 Precursor Operational Data Products No. 13: April 2018 – December 2021 / Sentinel-5 Precursor Mission Performance Centre. 2021. 189 p. URL: https://mpc-vdaf.tropomi.eu/ProjectDir/reports//pdf/S5P-MPC-IASB-ROCVR-13.00.10-20211217_signed.pdf (accessed 08.02.2022).
- Saito M., Niwa Y., Saeki T., Cong R., Miyauchi T. Overview of model systems for global carbon dioxide and methane flux estimates using GOSAT and GOSAT-2 observations // J. Remote Sensing Society of Japan. 2019. V. 39. No. 1. P. 50–56. https://doi.org/10.11440/rssj.39.50.
- Schneider P., Lahoz W. A., van der A. R. Recent satellite-based trends of tropospheric nitrogen dioxide over large urban agglomerations worldwide // Atmospheric Chemistry and Physics. 2015. No. 15. P. 1205–1220. DOI: 10.5194/acp-15-1205-2015.
- Sicard P., Agathokleous E., De Marco A., Paoletti E., Calatayud V. Urban population exposure to air pollution in Europe over the last decades // Environmental Science Europe. 2021. No. 33. Art. No. 28. 12 p. https://doi.org/10.1186/s12302-020-00450-2.
- Veefkind J. P., Aben I., McMullan K., Förster H., de Vries J., Otter G., Claas J., Eskes H. J., de Haan J. F., Kleipool Q., van Weele M., Hasekamp O., Hoogeveen R., Landgraf J., Snel R., Tol P., Ingmann P., Voors R., Kruizinga B., Vink R., Visser H., Levelt P. F. TROPOMI on the ESA Sentinel-5 Precursor: A GMES mission for global observations of the atmospheric composition for climate, air quality and ozone layer applications // Remote Sensing of Environment. 2012. V. 120. P. 70–83. https://doi.org/10.1016/j.rse.2011.09.027.
- Waters J. W., Froidevaux L., Harwood R. S., Jarnot R. F., Pickett H. M., Read W. G., Siegel P., Cofield R., Filipiak M., Flower D., Holden J., Lau G. K., Livesey N., Manney G., Pumphrey H., Santee M., Wu D. L., Cuddy D., Lay R. R., Loo M. S., Perun V., Schwartz M., Stek P., Thurstans R., Boyles M. A., Chandra K., Chavez M., Chen G.-Sh., Chudasama B. V., Dodge R., Fuller R., Girard M. A., Jiang J., Jiang Y., Knosp B., LaBelle R., Lam J., Lee K. A., Miller D., Oswald J., Patel N. C., Pukala D., Quintero O., Scaff D. M., Snyder W. V., Tope M., Wagner P., Walch M. J. The Earth observing system microwave limb sounder (EOS MLS) on the aura Satellite // IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing. 2006. V. 44. No. 5. P. 1075–1092. DOI: 10.1109/TGRS.2006.873771.
- Wentz E. A., Anderson S., Fragkias M., Netzband M., Mesev V., Myint S. W., Quattrochi D., Rahman A., Seto K. C. Supporting Global Environmental Change Research: A Review of Trends and Knowledge Gaps in Urban Remote Sensing // Remote Sensing. 2014. No. 6. P. 3879–3905. DOI: 10.3390/rs6053879.
- WHO global air quality guidelines: particulate matter (PM2.5 and PM10), ozone, nitrogen dioxide, sulfur dioxide and carbon monoxide / World Health Organization. 2021. 273 p. URL: https://apps.who.int/iris/handle/10665/345329 (accessed 03.02.2022).
- Zhu Z., Chen B., Zhao Y., Ji Y. Multi-sensing paradigm based urban air quality monitoring and hazardous gas source analyzing: a review // J. Safety Science and Resilience. 2021. No. 2. P. 131–145. https://doi.org/10.1016/j.jnlssr.