新疆干旱區(qū)城市對流層NO2垂直柱濃度的時空分布*

馬 雯 李艷紅# 劉 巖

(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(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”，新疆 烏魯木齊 830054)

新疆干旱區(qū)城市對流層NO2垂直柱濃度的時空分布*

馬 雯1,2李艷紅1,2#劉 巖1,2

(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(qū)重點實驗室“新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室”，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(中等城市庫爾勒市和小城市博樂市)對流層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，庫爾勒市的對流層NO2VCD年均值大于博樂市，兩市對流層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)庫爾勒市和博樂市的對流層NO2VCD高值分別達到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)、學校周邊；(3)庫爾勒市和博樂市對流層NO2VCD對氣象因子有不同程度的響應，其與氣壓呈正相關(guān)，與氣溫、相對濕度、云量和風速呈負相關(guān)。

NO2垂直柱濃度 對流層 干旱區(qū)城市 地基多軸差分吸收光譜儀

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的不斷加快，我國以城市為中心的大氣污染問題日益嚴重[1]。SO2、PM2.5、PM10及NO2成為大多數(shù)城市的首要污染物，其中NO2作為對流層的一種重要痕量氣體,參與大氣光化學反應，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)活動釋放)[2]。當NO2濃度較大時，對社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境及人體健康存在嚴重威脅。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)資料發(fā)現(xiàn)，我國NO2濃度在1996—2005年間呈現(xiàn)出持續(xù)增長的趨勢，且在東部沿海城市經(jīng)濟發(fā)達區(qū)的增長趨勢更加明顯[3-4]。張強等[5]研究發(fā)現(xiàn)，我國原有NOx排放高值區(qū)在不斷擴大，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。準確掌握城市大氣對流層NO2來源及其影響因素對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觀測較為少見[6-9]。故本研究選擇南疆中等城市庫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，探討分析庫爾勒市和博樂市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

庫爾勒市位于天山南麓，市域面積7 219 km2，是一個承載著約56.41萬人口的南疆中等城市，氣溫日較差大，盛行東北風，其次是西南風，干熱風和大風的天數(shù)多，2013年全市機動車保有量達22.4萬輛，且以每年近3萬輛的速度增長，大氣污染屬自然浮塵兼煤煙型污染。博樂市是北疆的一個人口近27萬的小城市，北、西、南三面倚山，地勢自西向東傾斜，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年博樂市機動車保有量達14.52萬輛，同比增長7.8%，空氣質(zhì)量以優(yōu)良為主，大氣污染類型屬煙塵和揚塵型污染。

1.2 樣點布置及觀測方法

固定觀測點的布設(shè)：庫爾勒市布設(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(44°53′51.84″N，82°4′15.12″E)，屬商業(yè)區(qū)、交通區(qū)。

移動觀測路線均為城市主干道。

對流層NO2VCD采用MAX-DOAS采集，觀測方向為正北方向，且保證無高大建筑物遮擋。從不同仰角(1°、3°、6°、10°、15°、20°、30°、45°和90°)進行觀測，每個角度停留1 min，1個循環(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)的控制計算機中儲存。在夜間，DOAS系統(tǒng)會自行測量暗電流和電偏置光譜，用于數(shù)據(jù)校正。地面觀測NO2數(shù)據(jù)由庫爾勒市和博樂市環(huán)境監(jiān)測站提供，氣象數(shù)據(jù)來源于庫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、太陽光譜結(jié)構(gòu)及Ring效應等因素的影響。參考文獻[10]的操作，選用仰角90°的光譜作為最小參考光譜進行反演，得到NO2的精確濃度，再選用仰角為30°時的NO2VCD進行分析。由多個觀測循環(huán)的對流層NO2VCD可計算得出其小時均值及日均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)驗證

MAX-DOAS技術(shù)能觀測整層對流層垂直總量信息，與地面觀測數(shù)據(jù)相比在觀測尺度上有一定差異，但對流層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。選取對應時段的庫爾勒市和博樂市的地面觀測NO2數(shù)據(jù)，將其與MAX-DOAS觀測的對流層NO2VCD數(shù)據(jù)進行對比驗證，以檢驗MAX-DOAS觀察數(shù)據(jù)的準確性，結(jié)果如圖1所示。MAX-DOAS觀測的對流層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觀測數(shù)據(jù)來分析新疆中小城市對流層NO2VCD分布特征。

圖1 對流層NO2 VCD與地面觀測數(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 對流層NO2 VCD季節(jié)變化

庫爾勒市和博樂市對流層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，庫爾勒市和博樂市對流層NO2VCD的年均值分別為4.385×1015、3.999×1015molec/cm2。兩市對流層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個方面分析：第一，新疆冬季所處的采暖期長達5個月，對煤、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，庫爾勒市和博樂市冬季太陽輻射較弱，平均氣溫在-15 ℃左右，光化學反應時間變長，使NO2壽命延長；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，導致NO2長時間留存在對流層中。

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

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

2.3 對流層NO2 VCD日變化

考慮到不同季節(jié)的日照時數(shù)不同，而MAX-DOAS是通過觀測不同仰角的太陽散射光進行反演得到對流層NO2VCD，因此不同季節(jié)觀測時長有所不同：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)，污染較嚴重的市區(qū)由于受人為活動(主要指交通運輸)影響明顯，NO2日變化曲線會呈典型的單峰或雙峰形式。本研究中峰值出現(xiàn)的早晚時段，與上下班高峰期接近，此時車流量較大，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)變量取值進行較好預測。已有研究通過該方法對O3、PM2.5及NO2的空間分布進行了展示[15-17]。利用ArcGIS 10.0軟件，運用普通克里格插值法得出庫爾勒市和博樂市NO2空間分布，結(jié)果見圖4。由圖4(a)可以看出：庫爾勒市西北部和東南部為對流層NO2VCD高值區(qū),達到2.540×1015～4.450×1015molec/cm2，西北部屬庫爾勒市的市中心，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，車流量相對較大；庫爾勒市中部為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，學校、居民區(qū)較多?？梢姡绊憣α鲗覰O2VCD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 對流層NO2 VCD空間插值分布Fig.4 Distribution of spatial interpolation of tropospheric NO2 VCD

2.5 對流層NO2 VCD的影響因素

2.5.1 人為因素

影響對流層NO2VCD的人為因素包括NO2人為排放、人口集中密度及社會經(jīng)濟發(fā)展水平，其中火力發(fā)電及汽車尾氣對NO2的貢獻率較大[18]。已有的研究表明，博樂市市區(qū)的NO2主要來自機動車排放的尾氣[19]。庫爾勒市工業(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NO2的貢獻相對較大。

2.5.2 自然因素

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

表1 對流層NO2 VCD與氣象因子日均值相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計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觀測的對流層NO2VCD與地面NO2濃度有較好的正相關(guān)關(guān)系。

(2) 庫爾勒市和博樂市的采暖期對流層NO2VCD均是非采暖期的4倍左右。對流層NO2VCD分布表現(xiàn)為：冬季>秋季>春季>夏季。庫爾勒市對流層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) 庫爾勒市和博樂市的對流層NO2VCD高值分別達到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)位于學校、居民區(qū)。

(4) 庫爾勒市和博樂市對流層NO2VCD對氣象因子的響應程度存在差異，但都與氣壓呈正相關(guān)關(guān)系，與氣溫、相對濕度、云量和風速呈負相關(guān)關(guān)系。

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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，研究方向為自然資源開發(fā)與規(guī)劃。#

。

*烏魯木齊市科技計劃項目(No.P161310004)；國家自然科學基金地區(qū)科學基金資助項目(No.41161010)；中國沙漠氣象科學研究基金資助項目(No.Sqj2012012)。

2016-07-12)