烏魯木齊市冬季采暖期對流層NO2柱濃度變化特征

馬雯，李艷紅*，侯小剛

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆維吾爾自治區重點實驗室//新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054；3. 新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002

烏魯木齊市冬季采暖期對流層NO2柱濃度變化特征

馬雯1，2，李艷紅1，2*，侯小剛3

1. 新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2. 新疆維吾爾自治區重點實驗室//新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室，新疆 烏魯木齊 830054；3. 新疆維吾爾自治區氣候中心，新疆 烏魯木齊 830002

NO2是大氣對流層的一種痕量氣體，也是城市空氣污染的重要監測指標，影響著生態環境和人體健康。特殊的地形及不利于污染物擴散的天氣條件，使得烏魯木齊市冬季采暖期大氣污染最為嚴重。2014—2016年采暖期（11月至翌年3月）在烏魯木齊市城中心（市區）和城北部（工業園區）利用地基多軸差分吸收光譜儀（MAX-DOAS）對大氣NO2進行了監測，探討NO2柱濃度的變化特征及其污染來源。結果表明，（1）與2014—2015年采暖期相比，2015—2016年采暖期市區監測站點NO2柱濃度下降了6.8%，工業園區監測站點上升了28.5%；NO2柱濃度月均值表現出12月最大，3月最小，濃度范圍是3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2；兩監測站NO2柱濃度日變化明顯，市區晚上偏高；工業園區早晚偏高，且晚大于早。（2）64%～71%的NO2柱濃度的逐日變化由氣象要素決定，其中平均風速對NO2柱濃度的影響最顯著；市區NO2的污染源主要分布在東、東北和西南方向，正南北方向的風對NO2有擴散作用；工業園區NO2的污染源來自西北和東南方向，南風及偏東風對NO2具有擴散作用。（3）烏魯木齊市“煤改氣”工程初見成效，而市周邊工業園區及機動車尾氣排放仍是大氣污染治理的重點。

NO2柱濃度；采暖期；氣象條件；烏魯木齊市

烏魯木齊市作為新疆維吾爾自治區首府，是全區政治、文化、經濟中心，一直以來是我國城市大氣污染最嚴重的城市之一（張興贏等，2007；何麗等，2014）。烏魯木齊市地處天山中段北麓、準噶爾盆地南緣，屬溫帶大陸性干旱氣候。受山脈、峽谷特殊的地形影響，再加上不利于污染物擴散的氣象條件，即常年逆溫的存在，烏魯木齊市的大氣污染相當嚴重，特別在冬季采暖期表現得最為明顯。穩高壓、大霧、靜風天氣現象的頻繁出現，導致烏魯木齊市的大氣污染物在水平和垂直方向擴散能力較弱，近地面層污染物持續累積，造成烏魯木齊市大氣環境污染居高不下（魏毅等，2008；王春華等，2010）。自1998年3個“藍天工程”及2012年“煤改氣”工程相繼實施后，烏魯木齊市空氣質量整體有好轉趨勢，污染物SO2和PM10開始呈現不同程度的下降，但由于機動車輛的快速增加及燃煤設施脫硝處理的滯后（朱文玲等，2012），導致NO2的權重呈上升趨勢（鄭健，2014；李軍等，2014）。2004—2014年間，烏魯木齊市成為全國大氣NO2濃度的高值區（閆歡歡等，2015）。目前，烏魯木齊市大氣污染特征開始從煤煙型污染向煤煙和機動車尾氣混合型污染轉換，其空氣污染治理依然是政府和各界人士關注的焦點問題。2014年，烏魯木齊市經濟穩步發展，國內生產總值（GDP）、機動車輛、建成面積分別較上年增加了10.5%、16.2、5.11%。在此背景下，烏魯木齊市大氣中的NO2濃度出現怎樣的變化，大氣污染治理是否有成效，對這些問題的科學回答可為今后烏魯木齊市大氣污染治理提供數據參考。

本研究選擇在烏魯木齊市冬季耗煤量占總耗煤量三分之二以上的采暖期，通過在市區和工業園區布點，采用地基多軸差分吸收光譜儀監測對流層NO2的垂直分布和日變化，了解大氣NO2的污染程度，分析NO2的污染源及輸送通道。

1　數據與方法

1.1監測布點和數據

以環境空氣質量國控點作為參考，在烏魯木齊市建成區設置了市區和工業園區兩個監測點，監測站點覆蓋了區域內各環境質量功能區，可以保證監測數據能夠充分代表研究區域的NO2污染信息。其中，市區監測站點位于沙依巴克區新疆師范大學內，離市監測站1 km左右，周邊多為商業區、居民區、學校，區域NO2排放源主要是交通車輛；工業園區監測站點位于米東區環保局附近的中泰化工園內，區域NO2排放源是工業和交通車輛。烏魯木齊市冬季嚴寒漫長，采暖期長達6個月（10月中旬至翌年4月中旬），對煤和天然氣的需求量較大。本研究選擇2014—2016年冬季采暖期的11月—翌年3月為監測時間段，每天連續監測11 h，從9:00—19:00。氣象數據為對應時段烏魯木齊市和米東區氣象站的常規氣象數據。

1.2監測方法

地基多軸差分吸收光譜儀是一種先進的大氣成分遙感儀器，對地面幾千米大氣中的吸收物質很敏感，與傳統的站點環境監測手段相比，其遙感觀測結果更具有區域代表性，被廣泛應用于大氣環境監測領域（司福祺等，2009；石鵬等，2010）。它是通過觀測不同仰角散射的太陽光來反演NO2的斜柱濃度信息，再利用公式計算得到垂直柱濃度。儀器架設時觀測桶的方向朝北，且保證無高大建筑物遮擋。數據處理使用Windoas軟件，選取測量時段內較為“干凈”的光譜作為參考譜（Fay et al.，2001），在410～445 nm波段內反演。在反演過程中用HCHO、NO2、O3、O4及Ring結構去除干擾，其中Ring結構的獲取是參考譜通過DOAS軟件（德國海德堡大學開發）計算產生的（Bracher et al.， 2005）。為了方便，我們選取30°仰角的觀測數據進行分析（李蔚等，2013）。

圖1　烏魯木齊市采暖期對流層NO2柱濃度月分布Fig. 1　Monthly distribution of NO2VCD in the heating period of Urumqi

2　結果分析

2.1NO2柱濃度的月差異

圖1給出了烏魯木齊市兩個監測站點在2014—2016年采暖期間不同月份的NO2柱濃度信息，其中2014—2015年采暖期為2014年11月至翌年3月，2015—2016年采暖期為2015年11月至翌年3月。可以看出，2014—2015年烏魯木齊采暖期市區和工業園監測站點大氣對流層NO2柱濃度均值分別為11.964×1015、9.134×1015molec·cm-2，月平均值均表現出12月最大；2015—2016年采暖期市區和工業園監測站點大氣對流層NO2柱濃度均值分別為11.205×1015、12.770×1015molec·cm-2，月均值峰值分別出現在1月、12月。已有的研究發現NO2月均值峰值出現在1月和12月的主要原因是新疆冬季采暖期常伴有逆溫現象，1月層結最大（胡晏玲等，2006），12月次之；新疆氣象學會公布的最新數據顯示，2015年11月—2016年2月期間烏魯木齊大霧天數有84 d，其中1月所占天數比例達到34.5%。2014—2016年采暖期不同月份間的NO2柱濃度值的變化范圍在3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2之間，其中市區NO2月均柱濃度最大值是最小值的2.2倍，工業園區NO2月均柱濃度最大值是最小值的6倍；烏魯木齊市市區NO2柱濃度的均值是11.787×1015molec·cm-2；而工業園區NO2柱濃度略小于市區的，為10.952×1015molec·cm-2。這與2013年夏季烏魯木齊市NO2濃度表現趨勢一致（陳成賀日等，2015）。兩監測站點表現出差異的原因是烏魯木齊市市區較工業園區，人口密度大，建筑物密集，且處于三面環山的低洼處，極不利于污染物的擴散；再加上烏魯木齊市冬季熱島效應明顯，使城市周邊工廠排放的污染物輸入城區，這勢必會加重市區的污染程度；監測期間兩監測地的車流量有明顯差異，市區5 min約為1032輛，工業園區5 min約為158輛。

圖2　NO2柱濃度日變化特征Fig. 2　Diurnal variation of NO2VCD

2.2NO2柱濃度的日變化特征

為更加深入地了解烏魯木齊市NO2柱濃度的變化特征，圖2給出了2014—2016年采暖期市區和工業園區的NO2柱濃度的日變化特征。可以看出，2014—2015年與2015—2016年采暖期烏魯木齊市有基本一致的日變化特征，特別在市區，兩年的趨勢線幾乎重合；工業園區兩年采暖期雖有相同的變化趨勢，但2015—2016年除了在19:00低于2014—2015年，其他時刻均是明顯偏高的，這主要是由于2014年1月NO2柱濃度整體偏低引起的。而對比不同區域的趨勢線分析，兩監測點有著不同的日變化特征，市區NO2柱濃度在9:00—17:00變化趨勢比較平緩，浮動不超過2.231×1015molec·cm-2，之后開始呈上升趨勢，直至19:00達到峰值；工業園區則呈早晚雙峰型的日變化特征，且晚峰值大于早峰值，15:00左右出現最小值。市區NO2柱濃度日變化與烏魯木齊市區車流量保持一致，全天候基本處于同一水平（呂任生等，2015）；工業園區NO2柱濃度的日變化特征可能與穩定的邊界層結構和交通高峰源排放有關（王莉莉等，2011）。

表1　采暖期烏魯木齊市NO2柱濃度日均值與氣象要素日均值相關關系統計Table 1　The correction coefficients among NO2VCD and meteorological parameters in heating period based on daily mean data

2.3烏魯木齊市NO2柱濃度的影響因素

2.3.1地形地貌

烏魯木齊市位于西北內陸，生態環境比較脆弱，其沿烏魯木齊河發育呈南北狹長走勢，東西窄；市區東、西、南三面環山，城中有紅山、雅瑪里克山阻隔，地勢呈東南高、西北低的喇叭口形峽谷地帶特征，天然坡度12‰～15‰。這樣特殊的地形導致秋冬季平均風速小，靜穩天數較多，抑制了大氣污染物垂直混合、擴散和稀釋，使污染物濃度持續增大，形成氣溶膠，白天吸收太陽輻射加熱山谷上層空氣的同時削弱谷底地表太陽輻射，從而進一步加劇了逆溫層效應（董蘭芳等，2010），最終造成烏魯木齊市的大氣污染更加嚴重。

2.3.2氣象條件

選取2014—2016年采暖期烏魯木齊市市監測點和米東氣象站的日均氣象數據（包括氣溫、氣壓、水汽壓、平均風速及云量），分析氣象條件對NO2柱濃度的影響。表1給出了NO2柱濃度與氣象要素的相關關系統計結果，發現除了氣壓與NO2柱濃度呈正相關外，氣溫、水汽壓、平均風速及云量與NO2柱濃度均呈負相關；且與平均風速的關系最為顯著，與氣壓、氣溫的關系次之；在工業園區NO2柱濃度與水汽壓關系顯著，而市區NO2柱濃度與水汽壓、云量的關系都不顯著。

為進一步評估氣象狀況對污染物的影響，利用多元線性逐步回歸方法建立污染物與氣象因子日均值的統計關系模型（Eder et al.，1994），選擇氣壓、氣溫、水汽壓、云量、平均風速作為自變量進入模型，通過顯著水平0.01的檢驗，得到市區和工業園區NO2統計模型的擬合優度（R2）分別為0.595、0.675，說明2014—2016年采暖期59.5%～67.5%的NO2柱濃度的逐日變化由氣象要素決定。

為分析烏魯木齊市NO2的可能來源，圖3給出了不同風向下NO2柱濃度的分布情況，發現市區盛行東北風（包括東北偏東和東北偏北），頻率為32.3%，且當刮西南、東北及東風時，NO2柱濃度比較大，說明這些風向處有NO2的污染源。吳彥等（2008）也發現烏魯木齊市冬季大霧天氣時東北、東北偏東及東風的頻率達到81.5%，該風向不利于城內氣流向外輸出，導致空氣污染愈加嚴重。而在南風（包括偏南風）和北風（包括偏北風）時，NO2柱濃度相對較小，說明該風向下有NO2的輸送通道。工業園區盛行西北風（包括西北偏西），頻率為64.7%，同樣在西北（包括西北偏西）風及東南風時NO2濃度較高；在南風及偏東風時，NO2柱濃度相對較小，說明該風向對當地NO2濃度有一定的擴散作用。市區東側為河灘快速路，全天車流量都較大，是市區NO2的移動源；西南側有火車站，東北方向有米東區工業園，可作為市區NO2的固定源。在工業園區西北偏西風向有烏魯木齊國際機場，飛機的燃油排放對NO2濃度有一定的貢獻。

2.3.3機動車尾氣排放

近地面機動車尾氣排放是烏魯木齊市NO2、SO2、PM2.5及CO濃度升高的主要原因之一（郭宇宏等，2014）。從圖4可知，目前烏魯木齊市近4年機動車保有量以每年近20%的速度快速增長，其中私家車數量占機動車總量的70%以上。烏魯木齊市環境監測中心對機動車排氣污染分擔率的調查顯示：機動車氮氧化物造成的污染占城市空氣中氮氧化物污染的比例達40.1%（新疆維吾爾自治區統計局，2015）。這說明要從根本上減少NO2排放源，機動車尾氣排放治理是刻不容緩的，其中淘汰黃標車是治理重點；其次是提高新疆地區汽油和柴油的品質，加寬城市道路，對市區車輛進行分流和限行。

圖4　烏魯木齊市汽車保有量變化趨勢Fig. 4　Trend of automobile vehicles amount in Urumqi city

3　結論

（1）受峽口地形和靜風、逆溫等不利于污染物擴散的天氣條件及人口密集度影響，烏魯木齊市市區監測點的NO2柱濃度大于城北部工業園區監測點；與2014—2015年采暖期相比，2015—2016年采暖期烏魯木齊市市區監測站點NO2柱濃度下降了6.8%，工業園區監測站點上升了28.5%；說明今后烏魯木齊市的大氣污染治理應重點針對市區周邊的工業園區進行。

（2）2014—2016年采暖期間烏魯木齊市對流層NO2柱濃度月均值表現出12月最大，3月最小，其變化范圍是3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2；NO2柱濃度日變化特征在市區監測點和工業園區有所差異，前者為晚上偏高；后者為早晚偏高，且晚上值大于早上值。

（3）通過對2014—2016年采暖期間烏魯木齊市對流層NO2柱濃度的影響因素分析，發現64%～71%的NO2柱濃度的逐日變化由氣象要素決定，其中平均風速對NO2柱濃度的影響最顯著，其次是氣溫、氣壓及水汽壓，云量最不顯著。市區NO2的污染源主要在西南、東北及東面，而正南北方向的風對NO2有一定的擴散作用；工業園區NO2污染源來自西北和東南方向，而南風及偏東風對NO2具有擴散作用。機動車尾氣排放作為烏魯木齊市NO2的主要污染源，必須加以治理。

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Characteristics of Atmospheric NO2Vertical Column Densities in Heating Period of Urumqi

MA Wen1，2， LI Yanhong1，2， HOU Xiaogang3
1. College of Geography Science and Tourism， Xinjiang Normal University， Urumqi 830054， China；2. Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region//Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area， Urumqi 830054， China；3. Xinjiang Uygur Autonomous Region Climate Center， Urumqi 830002， China

NO2was a trace gas in the atmosphere， also was the important monitoring indexes in the air pollution of urban， had influence on ecological environment and human health. Due to special terrain and bad weather， the air pollution of Urumqi was the most serious. The characteristics of NO2vertical column densities （VCD） during the heating period of 2014—2016 （November to March） were analyzed based on the NO2monitoring data released on the multi axis DOAS at urban area and industrial area sites of Urumqi， also correlation between NO2and meteorological factors. The analytical results showed that， （1） Compared with the heating period of 2014—2015， the NO2VCD of urban area sate during heating period of 2015—2016 were decreased by 6.8%， but the industrial area site were increased by 28.5%； with its monthly mean being maximum in December and minimum in March， the range of NO2VCD were 3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2； the diurnal variation of NO2VCD was obvious in both two sites. （2） 64% to 71% of the daily change of concentration of NO2VCD was determined by the meteorological elements， especially average wind speed； the main sources of NO2were from the east， the northeast and southwest in urban area， north and south direction of the wind had spread effect to NO2； NO2pollution from the industrial area's northwest and southeast， southerly and easterly of NO2can be diffused. （3） “the changing fuel coal to natural gas” project in Urumqi had the success， and industrial area and motor vehicle emissions continue to be the focus of atmospheric pollution control.

NO2vertical column densities； heating period； meteorological conditions； Urumqi

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.014

X131.1； X16

A

1674-5906（2016）08-1351-05

中國沙漠氣象科學研究基金項目（Sqj2012012）；國家自然科學地區基金項目（41161010）

馬雯（1991年生），女，碩士研究生，主要研究方向為干旱區氣候與環境。E-mail: 125763619@qq.com

?。李艷紅，E-mail: lyh0704@126.com

2016-04-30

引用格式：馬雯， 李艷紅， 侯小剛. 烏魯木齊市冬季采暖期對流層NO2柱濃度變化特征［J］. 生態環境學報， 2016， 25（8）: 1351-1355. MA Wen， LI Yanhong， HOU Xiaogang. Characteristics of atmospheric NO2vertical column densities in heating period of Urumqi ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1351-1355.