摩洛哥卡萨布兰卡-塞塔特地区（2018-2025年）NO?浓度数据的时空动态：基于卫星的评估方法用于城市空气质量管理

《Remote Sensing Applications: Society and Environment》：Spatiotemporal dynamics of NO 2 concentration data (2018-2025) in Casablanca-Settat region, Morocco: A Satellite-Based Assessment for Urban Air Quality Management

NO?浓度时空变化分析及疫情影响因素研究，基于Sentinel-5P卫星数据，运用地理空间统计方法，揭示摩洛哥卡萨布兰卡-赛塔特地区2018-2025年间NO?浓度梯度、城市热点及疫情冲击效应，发现该区域城市NO?浓度普遍超标，而南部农村地区浓度较低且波动小，疫情初期浓度降幅达30%-50%。

　　

阿卜杜勒哈利姆·米夫塔赫

哈桑第一大学，塞塔特分校，科学与技术学院，过程与材料物理化学实验室，采矿与能源资源地质研究团队，塞塔特26002，摩洛哥

摘要：

二氧化氮（NO₂）是大气中的主要污染物之一，对人类健康有已知的有害影响，这主要是由于快速的城市化、交通和工业化造成的。在北非快速发展的城市地区，由于地面监测站的分布稀少，二氧化氮的时空变化分析受到了限制。在邻近的摩洛哥，特别是在卡萨布兰卡-塞塔特地区，利用卫星数据分析结合地理空间统计分析的研究也较为有限。本研究的目的是填补摩洛哥卡萨布兰卡-塞塔特地区2018年至2025年间二氧化氮浓度时空变化分析的科学空白。本研究使用Sentinel-5P（TROPOMI）卫星传感器的数据，并通过地理空间分析工具对二氧化氮浓度进行了分析。利用Getis-Ord Gi*统计量在统计学上显著的置信水平下确定了二氧化氮的高浓度区和低浓度区。年平均二氧化氮浓度在南部省份的农村地区为6.3 μg/m³，而在卡萨布兰卡则为11.3 μg/m³，显示出城市、工业区和农村地区之间的显著差异。卡萨布兰卡、梅迪乌纳和努阿苏尔省的二氧化氮浓度高于世界上任何其他城市；这些地区的浓度经常超过世界卫生组织推荐的年平均值10 μg/m³。然而，像塞塔特、西迪本努尔和埃尔贾迪达这样的南部省份的二氧化氮浓度较低且变化较小。在COVID-19封锁期间，二氧化氮浓度明显下降，随后在2022-2023年趋于稳定，之后再次下降。在99%的置信水平下，二氧化氮的高浓度区位于卡萨布兰卡-贝特穆罕默德亚-梅迪乌纳-贝雷奇德地区，而在南部地区则为低浓度区。

引言

二氧化氮（NO₂）是一种重要的空气污染物，主要来源于与道路交通、工业和能源生产相关的化石燃料燃烧。其浓度与人口密度和人为排放密切相关，因此成为城市环境中空气质量的关键参数（WHO, 2021; Silva et al., 2022）。多项研究表明，在北京、东京和纽约等大城市中，二氧化氮浓度经常超过世界卫生组织（WHO）规定的年度空气质量标准，而在农村和人口密度低的地区，由于排放量低和大气扩散作用强，二氧化氮浓度通常较低（Abrouki et al., 2021; WHO, 2021; Silva et al., 2022, Cedeno Jimenez and Brovelli, 2023）。高浓度的二氧化氮会对人类健康产生多种有害影响，如呼吸系统和心血管疾病，并增加肺炎感染的风险。在全球范围内，二氧化氮还会促进二次空气污染物（如PM₂和对流层臭氧）的生成，进一步恶化空气质量并危害生态系统健康（Silva et al., 2022; Sitharthan et al., 2022; Oujidi et al., 2023）。因此，了解二氧化氮在空间和时间上的变化对于有效的空气质量管理、合理的城市规划以及保护人类健康至关重要。

卫星遥感和统计建模的最新发展显著提高了对区域和全球范围内二氧化氮的观测能力。Sentinel-5P（TROPOMI）卫星数据的广泛应用有助于探索不同地理环境下的时空、季节性和排放相关模式。印度等国家利用创新的统计方法进行了大范围的二氧化氮浓度估算（Srivastava et al. 2025a），而加尔各答等城市的小规模研究则结合了Sentinel-5P卫星数据和多光谱图像，并应用机器学习算法来预测对流层中的二氧化氮浓度（Srivastava et al. 2025b）。中国研究人员采用两级机器学习算法改进了地面二氧化氮的反演，从而实现了多年时间尺度的详细时空评估（Wang et al., 2020）。在全球范围内，卫星分析还研究了加拿大草原地区的空气质量动态（Ghahremanlou, A. and Ghahremanlou D., 2025a），分析了伊朗马什哈德、德黑兰等大城市的污染原因、风险和影响（Ahmadian et al., 2025; Ghahremanlou, A. and Ghahremanlou D., 2025b），以及孟加拉国和美国的空气污染物（Tuli et al., 2025; Alam et al., 2025）。通过与TEMPO卫星数据和地面监测站的联合比较，进一步验证了TROPOMI二氧化氮产品的准确性（Acker et al., 2025）。尽管取得了这些进展，但由于地面二氧化氮监测网络的不完善，针对北非（特别是摩洛哥）的全面二氧化氮卫星研究在时空热点分析方面仍存在不足。

本研究与其他关于北非国家空气质量评估的研究的不同之处在于，它使用了长达七年（2018年至2025年）的TROPOMI/Sentinel-5P卫星观测数据，并采用了正式的统计方法进行二氧化氮聚类分析，这种方法比过去仅使用地平线扫描或描述性地图的研究更为客观。塞塔特-卡萨布兰克地区作为摩洛哥的主要城市、工业和经济中心，旨在首次获得二氧化氮暴露水平及其相关时间稳定性的客观描述。为了填补这一空白，本研究利用Sentinel-5P数据（TROPOMI传感器）分析了2018年至2025年间摩洛哥城市化程度最高、工业化最严重的卡萨布兰克-塞塔特地区的二氧化氮浓度时空模式和动态。本文旨在：（i）研究该地区二氧化氮的长期变化趋势以及城乡之间的差异；（ii）识别二氧化氮污染高浓度和低浓度的区域，即热点和冷点；（iii）探讨COVID-19大流行期间封锁措施对该地区空气质量的影响；（iv）确定长期暴露于污染物的区域及其与世界卫生组织推荐标准的对比情况。本研究的主要创新之处在于结合了多年卫星数据和空间统计模型，首次基于热点分析了摩洛哥这一高度城市化和工业化的地区的二氧化氮污染动态。

研究区域概述

研究区域的介绍

塞塔特-卡萨布兰克是摩洛哥国家的主要行政和经济区域之一，地理位置位于该国的大西洋沿岸，具体位于国家领土的中西部（图1）。该地区不仅在经济上具有战略重要性，在地理上也具有重要意义。该区域包括多个主要省份和城镇，如卡萨布兰卡、塞塔特、努阿苏尔、梅迪乌纳和贝雷奇德等。

2018–2025年区域年平均二氧化氮浓度变化

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  参考情况（2018年）：观测的第一年确定了二氧化氮的基线浓度（图3a）。最高浓度出现在卡萨布兰卡（10.47 μg/m³）和梅迪乌纳（10.09 μg/m³），最低浓度出现在西迪本努尔（6.37 μg/m³）和塞塔特（6.41 μg/m³）。城市地区的浓度比非城市地区高3-4 μg/m³。因此，2018年是参考年份，此时尚未受到任何经济活动的影响。

年际变化趋势及影响因素

对2018-2025年卡萨布兰克-塞塔特地区二氧化氮浓度的研究显示，2020年出现了明显的变化，所有城市的二氧化氮浓度均大幅下降。这种下降与COVID-19疫情期间对人员流动的限制和工业活动的放缓一致，全球许多大城市（如米兰和马德里）也观察到了类似的趋势，封锁措施使二氧化氮浓度下降了30%至50%（Muhammad et al., 2020）。

结论

本文利用Sentinel-5P数据（Veefkind et al., 2012; ESA, 2023）分析了2018–2025年卡萨布兰克-塞塔特地区二氧化氮（NO₂）浓度的时空变化趋势。二氧化氮是一种全球关注的污染物，因为它与城市化、交通等过程密切相关，并对人类健康产生负面影响，尤其是在缺乏大规模卫星时空分析的情况下。

未引用的参考文献

Benali, 2023; 欧洲航天局, 2023; Geddes et al.,; Ghahremanlou and Ghahremanlou, 2025; 摩洛哥规划高级专员办公室, 2025; Seinfeld et al., 1998; Srivastava et al., 2025; Wang and Wang, 2020; 世界卫生组织, 2020.

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

数据来源

Sentinel-5P（TROPOMI）二氧化氮数据可通过Copernicus开放获取平台公开获取（https://s5phub.copernicus.eu/）。

作者贡献

米夫塔赫·阿卜杜勒哈利姆：概念构思、数据整理、分析、撰写——原始草案；方法论开发、验证、可视化、审稿和编辑、监督。

伦理声明

本研究未涉及人类参与者或动物实验。所有数据均来自公开来源（Copernicus Sentinel-5P），研究符合科学诚信和数据使用的伦理标准。

资金支持

本研究未获得任何资助机构的特定资助。

致谢

作者感谢匿名审稿人的宝贵意见和建设性建议，这些意见有助于提高本文的质量。同时，作者感谢使用由欧洲航天局（ESA）处理并通过Copernicus开放获取平台提供的Copernicus Sentinel-5P数据。