克拉瑪依市NO2和SO2垂直柱濃度特征分析*

馬瑩萍，李艷紅，閆晶潔

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

NO2為一種重要的大氣痕量氣體，在大氣光化學反應和二次氣溶膠生成過程中都具有顯著作用，會對人類健康和環境變化產生深遠影響［1］。SO2是大氣主要污染物之一，在許多工業過程中會產生SO2。煤和石油通常都含有硫元素，在燃燒時會生成SO2。SO2溶于水形成亞硫酸，若把亞硫酸進一步在PM2.5存在的條件下氧化，會迅速高效生成硫酸（酸雨的主要成分）［2］。王婷等利用多軸差分光譜儀觀測數據對河北省廊坊市對流層NO2垂直柱濃度的時空變化進行了相關研究，發現華北地區河北香河站對流層NO2柱濃度具有冬高夏低的季節變化特征，認為NO2柱濃度與風速風向密切相關［3-5］。就目前來看，國內關于MAX-DOAS 技術大多都是針對東部沿海發達城市，對西北干旱區城市的研究也僅見于烏魯木齊［6］、庫爾勒［7］、蘭州［8］等城市，然而關于新疆石油城市克拉瑪依的研究尚未報道，因此本文選擇世界上唯一以石油命名的城市克拉瑪依，克拉瑪依不僅是世界石油石化產業的聚集區，油氣資源儲量占全世界的近80%，而且在中國實施向西開放戰略中具有不可替代的作用。因此應用DOAS 技術分析其NO2和SO2垂直柱濃度分布特征，以期將MAX-DOAS 技術在干旱區石油城市中逐漸被推廣使用，準確掌握城市大氣NO2和SO2的濃度分布特征及影響因素對于有效治理大氣污染具有重要意義。

1 研究區概況

克拉瑪依是新疆維吾爾自治區轄地級市，系維吾爾語 “黑油” 的意思，是一座以石油石化為主的工業城市。位于準噶爾盆地西部，西北傍加依爾山，南依天山北麓，東瀕古爾班通古特沙漠。距烏魯木齊312 km，距石河子194 km。中部、東部地勢開闊平坦，向準噶爾盆地中心傾斜。屬于典型的溫帶大陸性氣候。主導風向為西北風，春、秋時間短，冬、夏溫差大，累年平均氣溫8. 6 ℃。全市總面積約7 萬km2，轄克拉瑪依、獨山子、白堿灘、 烏爾禾4 個行政區。 全市總人口約4 萬人［9-10］。克拉瑪依已具備超過1 300萬t當量的油氣生產能力、1 600 萬t 的煉油能力，工業增加值占GDP 的70% 以上，是新疆重點建設的新型工業化城市。NO2和SO2垂直柱濃度均低于烏魯木齊市。

2 數據來源與研究方法

地基多軸差分吸收光譜儀是由德國海德堡大學和Hoffmann 公司聯合開發的一種MiniMAXDOAS 儀器，它是一款便攜式應用被動DOAS 技術的多軸差分吸收光學設備。由于儀器以太陽散射光作為光源，觀測過程中，需將儀器鏡筒指向正北方向，以避免陽光直射。儀器觀測時按不同的仰角進行循環觀測，角度分別為1°，3°，6°，10°，15°，20°，30°，45°，90°，一個循環周期大約需要10 分鐘。車載DOAS 監測技術是以汽車為載體，被動吸收差分吸收光譜為核心，能夠獲取多種氣體的垂直柱濃度。整個系統配置由望遠鏡、光譜儀、GPS 裝置和計算機等組成。本研究使用Win-DOAS 2. 1 軟件進行光譜處理，選用400～420 nm波長窗口反演NO2和SO2濃度，選取30°仰角觀測數據對SO2和NO2進行分析［11-13］。相比于衛星和地面觀測站的監測，MAX-DOAS 具有實時、連續、精度高和攜帶方便等優點。

本文選取2018 年1～12 月克拉瑪依市地基多軸差分吸收光譜儀（MAX-DOAS） 獲取的固定監測和移動車載監測數據。固定監測點位于市中心居民區高層建筑物樓頂，從而獲取市中心SO2和NO2垂直柱濃度值。定點監測為全天連續監測（9：00～19：00），每個季節定點監測15 d。移動車載監測按順時針行駛（監測時間為11：00～17：00），每個季節車載移動監測2次。移動車載監測可以更全面地解釋城市大氣污染時空分布特征。車載移動監測路線從市中心居民區出發，沿友誼路、永紅路、塔河路、鴻雁路和外環路環城一圈。途經原油運輸主要路線、住宅區、工業區、商業區、學校、十字交叉路口、油田等主要監測地點。同期的氣象數據來自中國氣象數據網日產品數據（https://data.cma.cn/），同時段全球資料同化系統（GDAS） 數據（ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1） 由美國國家環境預報中心（NCEP）提供。采用移動車載DOAS系統進行移動監測，并在移動監測的同時把攝像機安裝在相應的位置，整個過程中攝像機保持不動并記錄車流量數據。

3 結果與討論

3.1 NO2和SO2垂直柱濃度日變化

MAX-DOAS 可在日間進行自動連續監測，但是作為以太陽光為光源的被動光譜技術，只有白天可以獲取數據，本文的NO2和SO2垂直柱濃度日變化均為北京時間白天的日變化［14］。為了進一步了解不同季節的NO2和SO2垂直柱濃度日變化特征，選擇固定監測和移動監測，對各季節NO2和SO2垂直柱濃度日均值的變化進行監測。由于地基多軸差分光譜儀器是以太陽散射光作為光源，所以監測時間選為9：00～19：00。由于SO2數據處理時，太陽天頂角大于75°時的光譜數據因反演誤差過大，在數據質量控制處理中已被剔除，因此對流層SO2垂直柱濃度日變化覆蓋時段較NO2略短（11：00～17：00）。為進一步保證監測效果，監測時選擇晴天條件下進行。由圖1可以看出，克拉瑪依市區的NO2垂直柱濃度和SO2垂直柱濃度整體呈U形日變化趨勢，先下降后上升，早晚偏高，中午偏低。整體而言NO2垂直柱濃度比SO2垂直柱濃度值偏大一些。峰值上：表現為全部是日落時分達到最高值，中午出現最低值。早晨上班出行車輛較多，NO2垂直柱濃度會升高，中午車輛減少，NO2垂直柱濃度較低，晚上下班高峰期NO2垂直柱濃度達一天中的最高值。另一方面，傍晚太陽光照微弱，NO2很難分解，因而NO2垂直柱濃度明顯高于其他時間。移動監測在公路上進行會有大量的汽車尾氣排放，致使NO2垂直柱濃度上升，同時移動監測相比于固定監測數值波動會大一些。

3.2 NO2和SO2垂直柱濃度季節變化

圖1 為克拉瑪依不同季節下NO2和SO2垂直柱濃度變化特征。在季節上：二者皆表現為冬季＞秋季＞春季＞夏季。NO2和SO2垂直柱濃度日最大值皆出現在冬季， 分別為22. 03×1015molec/cm2（19：00） 和冬季16. 35×1015molec/cm2（17：00）；日最小值皆出現在夏季，分別為2. 40×1015molec/cm2（14：00） 和3. 39×1015molec/cm2（14：00）。冬季由于居民需要更多的化石燃料消耗進行供暖，從而產生大量NO2，導致冬季NO2垂直柱濃度偏高。另外季風變化同樣影響NO2和SO2的輸送。監測發現NO2垂直柱濃度高值通常出現在立交橋和工廠附近。原因在于這些地方汽車流量大，而且時常發生交通擁擠，汽車滯留時間延長，造成汽車尾氣排放污染物增加，工廠廢棄物排放加重NO2堆積［15］。其次靠近市區和居民區的地方NO2垂直柱濃度也偏高。SO2垂直柱濃度也表現出相似變化。克拉瑪依為典型的石油工業城市，其石油開采區NO2垂直柱濃度也較高［16］。在陽光照射下，NO2產生NO和O3，NO和O3再反應生成NO2，二者可逆轉換。石油開采時會產生大量VOC （揮發性有機物），而當VOC 存在時，會發生相應化學反應：VOC＋NO2＝O3＋NO＋某硝酸化合物，因此克拉瑪依NO2濃度會有所降低，而O3一般高于烏魯木齊。由于汽車尾氣排放主要對NO2的貢獻率較大，故此處只探討NO2與車流量的關系。不同季節車流量不同，表現為冬高夏低。不同位置NO2濃度高低不同，車流量較多區域NO2濃度較高［17］。

圖1 克拉瑪依不同季節大氣NO2和SO2垂直柱濃度日變化Fig. 1 Diurnal variation of atmospheric NO2 and SO2 vertical column concentrations in different seasons in Karamay

3.3 NO2和SO2垂直柱濃度影響因素分析

3.3.1 地形因素特殊的地理位置是引起大氣污染的主要自然因素。克拉瑪依地勢呈西北向東南傾斜，克拉瑪依位于準噶爾盆地西北緣。西北傍加依爾山，南依天山北麓，東瀕古爾班通古特沙漠。盆地邊緣西北部山脈阻擋西北風的直接深入，來自西北的濕潤氣流到達克拉瑪依將會明顯減少。導致山前平原地區空氣流動較差，形成氣流滯留區，進而導致克拉瑪依冬季風較少。NO2和SO2等污染物容易集聚且很難擴散，加劇了霧和霾的形成。由于東臨古爾班通古特沙漠，大風天氣造成風沙頻繁，道路能見度降低，車輛在道路上停留時間也隨之延長，導致汽車尾氣中的NO2氣體大量排放，污染物又因特殊的盆地地形而難以及時擴散，最終導致NO2和SO2污染物濃度的升高。

3.3.2 氣象因素研究發現風場對污染物的擴散起著重要作用，風向決定了大氣中污染物的擴散方向，而風速的大小直接影響擴散的速率和距離。某一地區的風速越大， 污染物擴散的范圍越大［18-20］。克拉瑪依是我國有名的風口之一，風大且多，活動十分頻繁［21-22］。NO2和SO2濃度的高低與風密切相關，如圖2 為2018 年克拉瑪依市不同季節風速風向分布情況。經緯度為（45. 38°N，84. 52°E），觀測的風向風速高度為1. 2 m。由圖可知，克拉瑪依主導風向為西北風，主要在春季、夏季和秋季， 頻率分別為44. 4%、 45. 6% 和46. 0%。大風天氣春季最多，秋季次之，夏季由于冷空氣勢力減弱，大風很少。冬季由于冷空氣下沉，存在較強逆溫層，導致低空積聚， 污染物便長時間留存在對流層中。又因冬季采暖期燃煤取暖，最終導致燃煤產生的NO2和SO2不易擴散和分解，同時西北風也導致污染進一步加重。

圖2 2018年克拉瑪依四季風向玫瑰圖Fig. 2 The wind direction rose of Karamay in four seasons in 2018

3.3.3 產業結構和汽車保有量因素人為排放的NO2濃度最主要的是燃料的燃燒和汽車尾氣的排放，這些過程的排放物是NO2的重要來源，也是NO2濃度最直接的影響因素。有研究表明NO2濃度與常住人口數量、工業GDP、工業能耗等因素有關，NO2高濃度區基本與這些高排放污染源的分布一致［23］。克拉瑪依市主導產業為第二產業，第二產業約占其生產總值的2/3 （2018 年）。近年來，克拉瑪依市生產總值呈上升趨勢，第一產業在2016～2018年呈現出先下降后上升趨勢，第二產業和第三產業呈上升趨勢。在三大產業中，第二產業的能源消耗能力是最強的，再加上冬季取暖消耗大量化石燃料，燃燒釋放大量的NO2，這就導致了克拉瑪依的環境進一步惡化。已有研究表明第二產業與對流層NO2柱濃度的相關性高達0. 84，說明工業生產對NO2的貢獻是相當大的［24］。截止到2018 年末克拉瑪依市全市民用汽車保有量達到13. 5 萬輛（包括三輪車和低速貨車），比上年增長6. 6%。其中，私人汽車保有量10. 7 萬輛，增長8. 8%（國民經濟和社會發展統計公報）。機動車保有量持續增長，隨之而來的是汽車尾氣的大量排放，導致NO2濃度居高不下。2018 年克拉瑪依主要交通節點友誼路與幸福路交叉路口、友誼路與準噶爾路交叉路口、友誼路與昆侖路交叉路口在上班出行高峰期，車流量已分別達到4 323輛/h、2 241輛/h、3 711輛/h。汽車保有量的大幅度持續增加導致汽車尾氣排放增加，再加上特殊的地理位置條件，導致NO2和SO2逐漸增加。

3.3.4 后向軌跡分析選取克拉瑪依市政府（45. 59°N，84. 77°E） 為受點位置，利用后向軌跡模型的Trajstat 軟件，設定相對地面高度為500 m，后向追溯的時間尺度為48 h，模擬了2018 年克拉瑪依市外來氣團的后向軌跡分布（圖3）。根據軌跡長短可判斷氣團移動速度，后向軌跡長說明氣團移動速度快，軌跡短說明氣團移動速度慢。克拉瑪依市春季、夏季和秋季外來氣團的后向軌跡平均長度較長，表明其氣團移動速度較快；且后向軌跡大部分來自偏西方向，其次來自偏東方向。然而，冬季外來氣團的后向軌跡平均長度較短，表明氣團的移動速度較慢；且后向軌跡大部分來自偏西方向，其次來自偏東方向，符合克拉瑪依市的地形特征和冬季以偏西北風為主的氣候特征。克拉瑪依市的大氣污染物隨氣流從內地而來所占比例較少，以外地來源為主，氣流多以擴散、稀釋的方式影響克拉瑪依市的污染程度。運用了后向軌跡模型，探討了大氣遷移規律，為NO2和SO2的擴散和傳輸提供了新思路，綜合氣象條件和污染物程度，分析了污染物氣團來源軌跡，以及NO2和SO2的潛在來源區。

圖3 2018年克拉瑪依市季節后向軌跡分布（底圖信息來自MeteoInfo 軟件）Fig. 3 Distribution of the backward track of the season in Karamay in 2018(the information of the base map is from MeteoInfo software)

3.3.5 聚類分析基于各類氣流軌跡空間分布特征的一致性，將后向軌跡每個季節分為6類進行軌跡的聚類分析，后向軌跡聚類結果如圖4。設置高度為500 m，聚類軌跡出現頻率順序為，春季：1＞3＞2＞4＞6＞5；夏季：1＞3＞5＞4＞2＞6；秋季：1＞3＞2＞5＞6＞4； 冬 季： 1＞2＞6＞4＞3＞5。軌跡以偏西方向的輸送為主，該方向軌跡數共占總軌跡數為：春季（74. 25%）、夏季（75%）、秋季（75. 82%）、冬季（51. 12%），其中春季和夏季來自西北方向，途徑托里縣、裕民縣的1號聚類軌跡出現概率最高；秋季和冬季來自東北方向，途徑和布克賽爾蒙古自治縣1號聚類軌跡出現概率最高。表明該軌跡移動方向是500 m高度上克拉瑪依市NO2和SO2外來輸送的主要通道方向。

圖4 2018年克拉瑪依市NO2和SO2季節聚類軌跡分布結果（底圖信息來自MeteoInfo 軟件）Fig. 4 Clustering track distribution results of season NO2 and SO2in karamay city in 2018(base map information comes from MeteoInfo software)

4 結 論

本文借助地基多軸差分光譜儀（MAXDOAS），反演了2018 年克拉瑪依市大氣NO2和SO2垂直柱濃度，并利用所得監測數據分析其季節變化和日變化，得到以下結論：

1） NO2和SO2垂直柱濃度日變化規律：克拉瑪依市區的NO2和SO2垂直柱濃度整體呈 “U” 型日變化趨勢，NO2垂直柱濃度一般在9：00～11：00、17：00～19：00 濃度值較高，11：00～17：00 濃度值較低；SO2垂直柱濃度一般在11：00～13：00、15：00～17：00 濃度值較高，13：00～15：00 濃度值較低，即早晚高中午低。整體而言NO2垂直柱濃度比SO2垂直柱濃度值偏大一些。二者皆在日落時分達到最高值，中午出現最低值。NO2垂直柱濃度和SO2垂直柱濃度日最大值皆出現在冬季，分別為22. 03×1015molec/cm2（19：00） 和冬季16. 35×1015molec/cm2（17：00）；日最小值皆出現在夏季，分別為（2. 40×1015molec/cm2（14：00） 和3. 39×1015molec/cm2（14：00）。

2） NO2和SO2垂直柱濃度季節變化規律，NO2和SO2垂直柱濃度均表現為冬季＞秋季＞春季＞夏季的變化特點，和我國河北等其他城市的季節變化一致。NO2和SO2垂直柱濃度波峰均出現在冬季，NO2垂直柱濃度季節平均值為冬季（13. 91×1015molec/cm2）、秋季（10. 76×1015molec/cm2）、春季（8. 20×1015molec/cm2）、夏季（6. 45×1015molec/cm2）；SO2垂直柱濃度季節平均值為冬季（12. 90×1015molec/cm2）、秋季（10. 11×1015molec/cm2）、春季（7. 87×1015molec/cm2）、 夏季（6. 32×1015molec/cm2）。

3） NO2和SO2垂直柱濃度變化影響因素：其濃度與最大風速成反比，且風速越大，污染物擴散的范圍越大。大風主要集中于春夏兩季，造成污染物范圍擴大，單位面積內污染濃度降低。冬季漫長采暖期及不利于污染物擴散的地理條件，造成冬季NO2和SO2垂直柱濃度升高。

4） 2018 年克拉瑪依市外來氣團的季節后向軌跡平均長度不同，其氣團移動速度有快有慢；且后向軌跡大部分來自偏西方向，其次來自偏東方向。冬季外來氣團的后向軌跡平均長度較短，氣團的移動速度較慢；春季、夏季和秋季外來氣團的后向軌跡平均長度較長，氣團的移動速度較慢。