新疆干旱區(qū)城市對(duì)流層NO2垂直柱濃度的時(shí)空分布*

馬 雯 李艷紅# 劉 巖

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”，新疆 烏魯木齊 830054)

新疆干旱區(qū)城市對(duì)流層NO2垂直柱濃度的時(shí)空分布*

馬 雯1,2李艷紅1,2#劉 巖1,2

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆維吾爾自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室”，新疆 烏魯木齊 830054)

基于地基多軸差分吸收光譜儀(MAX-DOAS)，分析2014年3月至2016年2月新疆干旱區(qū)城市(中等城市庫(kù)爾勒市和小城市博樂市)對(duì)流層NO2垂直柱濃度(VCD)變化規(guī)律、分布特征及其影響因素。結(jié)果表明：(1)新疆干旱區(qū)城市對(duì)流層NO2VCD采暖期是非采暖期的4倍左右，且有顯著的季節(jié)特征，表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季，庫(kù)爾勒市的對(duì)流層NO2VCD年均值大于博樂市，兩市對(duì)流層NO2VCD日變化峰值在8:00(冬季峰值在9:00)和20:00左右，且晚上的峰值高于早上；(2)庫(kù)爾勒市和博樂市的對(duì)流層NO2VCD高值分別達(dá)到2.540×1015～4.450×1015、1.630×1015～2.620×1015molec/cm2，高值區(qū)均集中在商業(yè)、工業(yè)區(qū)，對(duì)流層NO2VCD低值分別為2.300×1014～1.920×1015、6.000×1014～1.390×1015molec/cm2，低值區(qū)均集中在居民區(qū)、學(xué)校周邊；(3)庫(kù)爾勒市和博樂市對(duì)流層NO2VCD對(duì)氣象因子有不同程度的響應(yīng)，其與氣壓呈正相關(guān)，與氣溫、相對(duì)濕度、云量和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)。

NO2垂直柱濃度 對(duì)流層 干旱區(qū)城市 地基多軸差分吸收光譜儀

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，我國(guó)以城市為中心的大氣污染問題日益嚴(yán)重[1]。SO2、PM2.5、PM10及NO2成為大多數(shù)城市的首要污染物，其中NO2作為對(duì)流層的一種重要痕量氣體,參與大氣光化學(xué)反應(yīng)，其來源包括自然源(閃電過程、土壤和海洋釋放及自然燃燒釋放)和人為源(人為化石燃料等的燃燒、汽車尾氣及人類工農(nóng)業(yè)活動(dòng)釋放)[2]。當(dāng)NO2濃度較大時(shí)，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境及人體健康存在嚴(yán)重威脅。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，我國(guó)NO2濃度在1996—2005年間呈現(xiàn)出持續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且在東部沿海城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)的增長(zhǎng)趨勢(shì)更加明顯[3-4]。張強(qiáng)等[5]研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)原有NOx排放高值區(qū)在不斷擴(kuò)大，其中特大城市的排放速度在減緩，而中小城市的排放速度在加快。準(zhǔn)確掌握城市大氣對(duì)流層NO2來源及其影響因素對(duì)于有效治理大氣污染具有重要意義。就目前來看，在新疆開展的研究主要集中在大城市烏魯木齊，而其他城市的NO2觀測(cè)較為少見[6-9]。故本研究選擇南疆中等城市庫(kù)爾勒市和北疆小城市博樂市作為研究區(qū)，基于地基多軸差分吸收光譜儀(MAX-DOAS)，于2014年3月至2016年2月連續(xù)觀測(cè)，探討分析庫(kù)爾勒市和博樂市NO2垂直柱濃度(VCD)的變化特征，以期為新疆干旱區(qū)城市的大氣污染治理提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

庫(kù)爾勒市位于天山南麓，市域面積7 219 km2，是一個(gè)承載著約56.41萬人口的南疆中等城市，氣溫日較差大，盛行東北風(fēng)，其次是西南風(fēng)，干熱風(fēng)和大風(fēng)的天數(shù)多，2013年全市機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)22.4萬輛，且以每年近3萬輛的速度增長(zhǎng)，大氣污染屬自然浮塵兼煤煙型污染。博樂市是北疆的一個(gè)人口近27萬的小城市，北、西、南三面倚山，地勢(shì)自西向東傾斜，高山、中山、低山丘陵和谷地平原呈階梯狀分布，為大陸性干旱半荒漠和荒漠氣候。2013年博樂市機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)14.52萬輛，同比增長(zhǎng)7.8%，空氣質(zhì)量以優(yōu)良為主，大氣污染類型屬煙塵和揚(yáng)塵型污染。

1.2 樣點(diǎn)布置及觀測(cè)方法

固定觀測(cè)點(diǎn)的布設(shè)：庫(kù)爾勒市布設(shè)在市區(qū)香梨大道(41°44′36.58″N，86°10′38.01″E)，屬居民區(qū)、交通區(qū)；博樂市布設(shè)在市區(qū)興樂廣場(chǎng)(44°53′51.84″N，82°4′15.12″E)，屬商業(yè)區(qū)、交通區(qū)。

移動(dòng)觀測(cè)路線均為城市主干道。

對(duì)流層NO2VCD采用MAX-DOAS采集，觀測(cè)方向?yàn)檎狈较颍冶ＷC無高大建筑物遮擋。從不同仰角(1°、3°、6°、10°、15°、20°、30°、45°和90°)進(jìn)行觀測(cè)，每個(gè)角度停留1 min，1個(gè)循環(huán)大約10 min。最終獲得的光譜數(shù)據(jù)直接由傳輸至裝有差分吸收光譜(DOAS)系統(tǒng)的控制計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存。在夜間，DOAS系統(tǒng)會(huì)自行測(cè)量暗電流和電偏置光譜，用于數(shù)據(jù)校正。地面觀測(cè)NO2數(shù)據(jù)由庫(kù)爾勒市和博樂市環(huán)境監(jiān)測(cè)站提供，氣象數(shù)據(jù)來源于庫(kù)爾勒市和博樂市氣象局。

1.3 數(shù)據(jù)處理

光譜處理主要使用WIN-DOAS軟件和DOASIS軟件來消除系統(tǒng)的噪聲、太陽(yáng)光譜結(jié)構(gòu)及Ring效應(yīng)等因素的影響。參考文獻(xiàn)[10]的操作，選用仰角90°的光譜作為最小參考光譜進(jìn)行反演，得到NO2的精確濃度，再選用仰角為30°時(shí)的NO2VCD進(jìn)行分析。由多個(gè)觀測(cè)循環(huán)的對(duì)流層NO2VCD可計(jì)算得出其小時(shí)均值及日均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

MAX-DOAS技術(shù)能觀測(cè)整層對(duì)流層垂直總量信息，與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)相比在觀測(cè)尺度上有一定差異，但對(duì)流層NO2來源主要是近地面的源排放，因此兩者具有一定的可比性。選取對(duì)應(yīng)時(shí)段的庫(kù)爾勒市和博樂市的地面觀測(cè)NO2數(shù)據(jù)，將其與MAX-DOAS觀測(cè)的對(duì)流層NO2VCD數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，以檢驗(yàn)MAX-DOAS觀察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，結(jié)果如圖1所示。MAX-DOAS觀測(cè)的對(duì)流層NO2VCD與地面NO2月均值表現(xiàn)出較好的正相關(guān)關(guān)系，因此可以利用MAX-DOAS觀測(cè)數(shù)據(jù)來分析新疆中小城市對(duì)流層NO2VCD分布特征。

圖1 對(duì)流層NO2 VCD與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析Fig.1 The analysis of relationship between tropospheric NO2 VCD and the concentration of near surface NO2

2.2 對(duì)流層NO2 VCD季節(jié)變化

庫(kù)爾勒市和博樂市對(duì)流層NO2VCD季節(jié)變化特征見圖2(3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季，其中采暖期為11月至翌年3月，4—10月為非采暖期)。由圖2可以看出，庫(kù)爾勒市和博樂市對(duì)流層NO2VCD的年均值分別為4.385×1015、3.999×1015molec/cm2。兩市對(duì)流層NO2VCD的季節(jié)變化均表現(xiàn)為冬季>秋季>春季>夏季。除夏季外，其他季節(jié)對(duì)流層NO2VCD的變化幅度均較大，這與丁宇宇等[11]的研究結(jié)果一致。對(duì)流層NO2VCD夏季低冬季高的變化特征說明研究區(qū)的NO2受人為源的影響可能較大[12-13]，其原因可從3個(gè)方面分析：第一，新疆冬季所處的采暖期長(zhǎng)達(dá)5個(gè)月，對(duì)煤、石油等化石燃料的需求量在采暖期大幅度增加，使冬季NO2的排放量增多；第二，庫(kù)爾勒市和博樂市冬季太陽(yáng)輻射較弱，平均氣溫在-15 ℃左右，光化學(xué)反應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)，使NO2壽命延長(zhǎng)；第三，冬季大氣邊界層較低，且出現(xiàn)逆溫的天數(shù)較多，造成低空積聚，導(dǎo)致NO2長(zhǎng)時(shí)間留存在對(duì)流層中。

圖2 對(duì)流層NO2 VCD的季節(jié)變化Fig.2 Seasonal variation of tropospheric NO2 VCD

兩市采暖期對(duì)流層NO2VCD均大于非采暖期，庫(kù)爾勒市采暖期對(duì)流層NO2VCD(6.279×1015molec/cm2)是非采暖期(1.799×1015molec/cm2)的3.5倍，博樂市采暖期對(duì)流層NO2VCD (6.013×1015molec/cm2)是非采暖期(1.353×1015molec/cm2)的4.4倍。

2.3 對(duì)流層NO2 VCD日變化

考慮到不同季節(jié)的日照時(shí)數(shù)不同，而MAX-DOAS是通過觀測(cè)不同仰角的太陽(yáng)散射光進(jìn)行反演得到對(duì)流層NO2VCD，因此不同季節(jié)觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)有所不同：春、夏、秋季為8:00—20:00，冬季為9:00—20:00。由圖3可以看出，兩市對(duì)流層NO2VCD日變化基本呈“U”型分布，峰值出現(xiàn)在8:00(冬季出現(xiàn)在9:00)和20:00左右，且晚上的峰值高于早上。樊建凌等[14]研究發(fā)現(xiàn)，污染較嚴(yán)重的市區(qū)由于受人為活動(dòng)(主要指交通運(yùn)輸)影響明顯，NO2日變化曲線會(huì)呈典型的單峰或雙峰形式。本研究中峰值出現(xiàn)的早晚時(shí)段，與上下班高峰期接近，此時(shí)車流量較大，尾氣排放量增加，NO2容易積累。

圖3 NO2 VCD日變化Fig.3 Diural variation of NO2 VCD

2.4 對(duì)流層NO2 VCD的空間分布

普通克里格插值法建立在半變異函數(shù)理論分析基礎(chǔ)上，能夠?qū)τ邢迏^(qū)域內(nèi)變量取值進(jìn)行較好預(yù)測(cè)。已有研究通過該方法對(duì)O3、PM2.5及NO2的空間分布進(jìn)行了展示[15-17]。利用ArcGIS 10.0軟件，運(yùn)用普通克里格插值法得出庫(kù)爾勒市和博樂市NO2空間分布，結(jié)果見圖4。由圖4(a)可以看出：庫(kù)爾勒市西北部和東南部為對(duì)流層NO2VCD高值區(qū),達(dá)到2.540×1015～4.450×1015molec/cm2，西北部屬庫(kù)爾勒市的市中心，是商業(yè)集中地，人口密度大，車流量多，東南部是工業(yè)園區(qū)，且附近有巴州市車管所，車流量相對(duì)較大；庫(kù)爾勒市中部為NO2VCD低值區(qū)，為2.300×1014～1.920×1015molec/cm2，該地區(qū)是學(xué)校、居民區(qū)，車流量分散，無明顯的排放源。由圖4(b)可以看出：博樂市中部為NO2VCD高值區(qū),達(dá)到1.630×1015～2.620×1015molec/cm2，該區(qū)是博樂市的商業(yè)集中地，人口密集，車流量較大；西北部和西南部為NO2VCD低值區(qū)，為6.000×1014～1.390×1015molec/cm2，學(xué)校、居民區(qū)較多。可見，影響對(duì)流層NO2VCD分布的主要因素是局地排放源，它與城市的分布格局有直接關(guān)系。

圖4 對(duì)流層NO2 VCD空間插值分布Fig.4 Distribution of spatial interpolation of tropospheric NO2 VCD

2.5 對(duì)流層NO2 VCD的影響因素

2.5.1 人為因素

影響對(duì)流層NO2VCD的人為因素包括NO2人為排放、人口集中密度及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，其中火力發(fā)電及汽車尾氣對(duì)NO2的貢獻(xiàn)率較大[18]。已有的研究表明，博樂市市區(qū)的NO2主要來自機(jī)動(dòng)車排放的尾氣[19]。庫(kù)爾勒市工業(yè)體系較全，市區(qū)工業(yè)面積為906 hm2[20]，其中造紙廠、重工業(yè)工廠較多，對(duì)NO2的貢獻(xiàn)相對(duì)較大。

2.5.2 自然因素

氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、云量和風(fēng)速等氣象因子對(duì)NO2的擴(kuò)散、積累有一定的影響，故對(duì)對(duì)流層NO2VCD和各氣象因子做相關(guān)性分析。從表1看出，兩市對(duì)流層NO2VCD均與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，而與氣溫、相對(duì)濕度、云量和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中，博樂市氣溫、氣壓對(duì)對(duì)流層NO2VCD的影響最大，其次是風(fēng)速、相對(duì)濕度，云量的影響最弱；庫(kù)爾勒市氣溫、風(fēng)速對(duì)對(duì)流層NO2VCD的影響顯著，相對(duì)濕度、氣壓次之，云量的影響也最弱。氣溫與光化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)，大氣中的NO2在強(qiáng)太陽(yáng)光下易發(fā)生分解。此外，大風(fēng)或降水天氣條件有利于NO2的擴(kuò)散。

表1 對(duì)流層NO2 VCD與氣象因子日均值相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)1)

注：1)*表示在α=0.05水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)，**表示在α=0.01水平上(雙側(cè))顯著相關(guān)。

3 結(jié) 論

(1) MAX-DOAS觀測(cè)的對(duì)流層NO2VCD與地面NO2濃度有較好的正相關(guān)關(guān)系。

(2) 庫(kù)爾勒市和博樂市的采暖期對(duì)流層NO2VCD均是非采暖期的4倍左右。對(duì)流層NO2VCD分布表現(xiàn)為：冬季>秋季>春季>夏季。庫(kù)爾勒市對(duì)流層NO2VCD年均值高于博樂市。兩市NO2VCD日變化基本呈“U”型分布，峰值在8:00(冬季出現(xiàn)在9:00)和20:00，且晚上峰值大于早上峰值。

(3) 庫(kù)爾勒市和博樂市的對(duì)流層NO2VCD高值分別達(dá)到2.540×1015～4.450×1015、1.630×1015～2.620×1015molec/cm2，高值區(qū)位于商業(yè)、工業(yè)區(qū)；低值分別為2.300×1014～1.920×1015、6.000×1014～1.390×1015molec/cm2，低值區(qū)位于學(xué)校、居民區(qū)。

(4) 庫(kù)爾勒市和博樂市對(duì)流層NO2VCD對(duì)氣象因子的響應(yīng)程度存在差異，但都與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫、相對(duì)濕度、云量和風(fēng)速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

[1] 朱文玲，李建剛，李軍，等．2006—2010年烏魯木齊市主要大氣污染物濃度時(shí)空變化特征[J]．環(huán)境與健康雜志，2012，29(5)：429-431．

[2] 程苗苗，江洪，陳健，等．2005—2009年浙江省不同土地類型上空對(duì)流層NO2變化特征[J]．生態(tài)學(xué)報(bào)，2011，31(5)：1249-1259．

[3] VAN DER A R J,PETERS D,ESKES H,et al.Detection of the trend and seasonal variation in tropospheric NO2over China[J].Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2006,111(D12):D12317.

[4] RICHTER A,BURROWS J P,NUSS H,et al. Increase in tropospheric nitrogen dioxide over China observed from space[J].Nature,2005,437(755):129-132.

[5] 張強(qiáng)，耿冠楠，王斯文，等．衛(wèi)星遙感觀測(cè)中國(guó)1996—2010年氮氧化物排放變化[J]．科學(xué)通報(bào)，2012，57(16)：1446-1453．

[6] 劉夢(mèng)瀟，周濤．烏魯木齊市大氣環(huán)境中NO2污染現(xiàn)狀及達(dá)標(biāo)途徑淺析[J]．干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2012，26(4)：208-211．

[7] 何麗，朱建雯，呂愛華．基于GIS的烏魯木齊市NO2時(shí)空分布特征[J]．環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2014，6(3)：47-49．

[8] 張海珍，趙麗莉，魏疆．烏魯木齊市“煤改氣”對(duì)冬季氣態(tài)污染物濃度空間分布變化的影響[J]．環(huán)境工程，2014，32(8)：59-63．

[9] 蔡仁，李霞，趙克明，等．烏魯木齊大氣污染特征及氣象條件的影響[J]．環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2014，37(增刊1)：40-48．

[10] 李蔚，馬建中，郭軍讓．大氣NO2柱濃度多軸差分吸收光譜測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[J]．氣象科技，2013，41(5)：796-802．

[11] 丁宇宇，彭麗，冉靚，等．利用OMI衛(wèi)星資料計(jì)算NO2地面濃度的方法研究[J]．北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，47(4)：671-676．

[12] 安俊琳，王躍思，李昕，等．北京大氣中NO、NO2和O3濃度變化的相關(guān)性分析[J]．環(huán)境科學(xué)，2007，28(4)：706-711．

[13] 張興贏，張鵬，張艷，等．近10 a中國(guó)對(duì)流層NO2的變化趨勢(shì)、時(shí)空分布特征及其來源解析[J]．中國(guó)科學(xué)：D輯 地球科學(xué)，2007，37(10)：1409-1416．

[14] 樊建凌，胡正義．江西鷹潭地區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)NO2濃度變化規(guī)律[J]．中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2006，26(2)：171-175．

[15] 趙晨曦，王云琦，王玉杰，等．2014北京地區(qū)冬春PM2.5和PM10污染水平時(shí)空分布及其與氣象條件的關(guān)系[J]．環(huán)境科學(xué)，2014，35(2)：418-427．

[16] 趙陽(yáng)，邵敏，王琛，等．被動(dòng)采樣監(jiān)測(cè)珠江三角洲NOx、SO2和O3的空間分布特征[J]．環(huán)境科學(xué)，2011，32(2)：324-329．

[17] 王占山，張大偉，陳添，等．2013年北京市NO2的時(shí)空分布[J]．環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2015，35(5)：1529-1536．

[18] 陳姍姍，束炯，徐建中．中國(guó)若干典型城市對(duì)流層NO2時(shí)空分布特征[J]．長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境，2010，19(12)：1484-1490．

[19] 塔西買買提·阿布拉．博樂市空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)分析[J]．干旱環(huán)境監(jiān)測(cè)，2006，20(4)：231-233．

[20] 楊殿華，鄭奇．庫(kù)爾勒市城市工業(yè)布局與環(huán)境保護(hù)[J]．新疆環(huán)境保護(hù)，2000，22(2)：112-114．

TemporalandspatialvariationforverticalcolumndensityoftroposphericNO2overaridareacityofXinjiang

MAWen1,2,LIYanhong1,2,LIUYan1,2.

(1.CollegeofGeographicScienceandTourism,XinjiangNormalUniversity,UrumqiXinjiang830054;2.XinjiangLaboratoryofLakeEnvironmentandResourcesinAridArea,KeyLaboratoryofXinjiangUygurAutonomousRegion,UrumqiXinjiang830054)

The characteristics of tropospheric NO2vertical column density (VCD) in arid area city of Xinjiang (medium city Korla and small city Bole) and its influence factors in March 2014 to February 2016 were analyzed according to the data monitored by ground-based multi-axis differential absorption spectrometer (MAX-DOAS). The results showed that: (1) the tropospheric NO2VCD during heating period was about 4 times of that during the period without heating and the significant seasonal feature ranked winter>autumn>spring>summer. The tropospheric NO2VCD annual value of Korla was higher than Bole. The daily variation had two peak values at 8:00 (9:00 for winter) and 20:00,with the night peak higher than morning peak. (2) The high values of tropospheric NO2VCD were 2.540×1015-4.450×1015,1.630×1015-2.620×1015molec/cm2for Korla and Bole, respectively, which were distributed on commerical and industrial area. The low values of tropospheric NO2VCD were 2.300×1014-1.920×1015,6.000×1014-1.390×1015molec/cm2for Korla and Bole,respectively,which were distributed on school and residential area. (3) The tropospheric NO2VCD had different degree of response to meteorological elements,with air pressure positively correlated to tropospheric NO2VCD,air temperature,relative humidity,cloud cover and wind speed negatively correlated to tropospheric NO2VCD.

NO2vertical column density; troposphere; arid area city; MAX-DOAS

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.10.018

馬 雯，女，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)樽匀毁Y源開發(fā)與規(guī)劃。#

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*烏魯木齊市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No.P161310004)；國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41161010)；中國(guó)沙漠氣象科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目(No.Sqj2012012)。

2016-07-12)