新疆大中小城市夏季對流層NO2垂直柱濃度變化特征

馬 雯，李艷紅，王盼盼

新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，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

新疆大中小城市夏季對流層NO2垂直柱濃度變化特征

馬 雯，李艷紅*，王盼盼

新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院，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

利用地基多軸差分光譜儀(Mini MAX-DOAS)，選擇新疆烏魯木齊、庫爾勒、博樂市具有代表性的大中小城市，于2014年6-8月對其市區(qū)、工業(yè)區(qū)、農(nóng)田區(qū)的對流層NO2濃度進行觀測。結(jié)果表明： (1)大中小城市夏季大氣對流層NO2垂直柱濃度的日變化有波峰和波谷的波動，其峰值在大中小城市中有所差異，表現(xiàn)為烏魯木齊(7.590×1015molec·cm-2)>庫爾勒(7.559×1015molec·cm-2)>博樂(3.578×1015molec·cm-2)； (2)大中小城市夏季大氣對流層NO2垂直柱濃度大小與城市地表條件差異有關(guān)，尤其與觀測區(qū)的車流量有密切關(guān)系，表現(xiàn)為市區(qū)(4.643×1015molec·cm-2)>工業(yè)區(qū)(4.469×1015molec·cm-2)>農(nóng)田區(qū)(2.425×1015molec·cm-2)； (3)不同天氣條件下大中小城市大氣對流層NO2的垂直柱濃度特征為雨天(3.082×1015molec·cm-2)時濃度最小，說明降水對NO2的濃度具有重要的影響。

對流層NO2垂直柱濃度； 夏季； 大中小城市； 地基多軸差分吸收光譜儀

引 言

作為大氣主要污染物的二氧化氮(NO2)氣體，在大氣光化學(xué)反應(yīng)中扮演重要的角色，它的存在不僅會造成酸雨、地表水酸化、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境效應(yīng)，而且濃度較大時對人體健康、生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴重的威脅[1]。對大氣對流層NO2濃度的觀測研究，主要采用衛(wèi)星遙感資料、地基多軸差分吸收光譜儀(MAX-DOAS)等方法，如利用GOME衛(wèi)星遙感資料，Richter等[2]研究大氣對流層NO2的精確反演方法； Velders等[3]在此基礎(chǔ)上結(jié)合三維模式研究了全球?qū)α鲗覰O2柱濃度的分布情況； Vander等[4]將OMI數(shù)據(jù)與SCIAMACHY資料合成； 姚凌[5]、張興贏等[6]利用SCIAMACHY觀測數(shù)據(jù)研究認為我國大氣NO2濃度東高西低，東部一些工業(yè)發(fā)達地區(qū)的NO2柱濃度有明顯增加的趨勢； 且北部和中部地區(qū)呈明顯的增長趨勢，工業(yè)廢氣排放與NO2柱濃度及時空分布具較好的一致性。而利用地基多軸差分吸收光譜儀(MAX-DOAS)來獲得大氣對流層NO2的濃度分布方法證明是一種先進的且有效的對流層痕量氣體監(jiān)測手段[7]。我國學(xué)者采用MAX-DOAS技術(shù)，先后對北京夏季、上海市夏秋季、天津市夏季、長江三角洲地區(qū)臨安冬夏季、華北地區(qū)香河站、廣州亞運期間對流層NO2的濃度特征反演研究，這些研究[8-13]表明我國近10a對流層NO2垂直柱濃度呈顯著的增長走勢，且與機動車保有量的變化有著顯著的相關(guān)性。何麗等[14]利用ArcGIS技術(shù)，將烏魯木齊大氣NO2濃度與上海、北京、廣州等大城市對比分析發(fā)現(xiàn)，烏魯木齊的NO2濃度是最高的。但目前基于MAX-DOAS技術(shù)對大氣NO2濃度的研究主要集中在經(jīng)濟發(fā)達的東部沿海大城市，對新疆干旱區(qū)大中小城市研究尚未報道。因此，本文選擇新疆唯一一個百萬人口的大城市烏魯木齊、南疆重要的中等城市庫爾勒、北疆邊疆小城市博樂，應(yīng)用MAX-DOAS技術(shù)對比分析新疆干旱區(qū)大中小城市大氣NO2濃度空間差異性，以期將MAX-DOAS技術(shù)在新疆干旱區(qū)大中小城市中推廣應(yīng)用。

1 研究區(qū)概況

新疆共有22個城市，以天山山脈為界劃分為北疆和南疆。選擇新疆首府城市烏魯木齊、通往南疆要塞的中等城市庫爾勒、北疆邊寨的小城市博樂進行研究，首府烏魯木齊是唯一一個人口超過百萬的大城市，位于天山山脈中段北麓，三面環(huán)山，四季均有逆溫層出現(xiàn)。全市14 000 km2，機動車保有量為74.3萬輛，2013年NO2濃度值為0.068 mg·m-3，超過國家二級標準，屬于典型的煤煙型污染城市[15]。庫爾勒市[16]地處天山南麓，是國家級衛(wèi)生城市，優(yōu)秀旅游城市。2013年NO2濃度值達到國家二級標準，但2014年春季該區(qū)空氣質(zhì)量幾次全國排名在倒數(shù)。全市7268 km2，是常住人口為540 000的中等城市，由于在沙漠邊緣風(fēng)口之處，所以城市空氣污染隨季節(jié)變化而改變，屬大氣自然浮沉煤煙型污染： 春季以浮沉污染為主，冬季以煤煙型污染為主。博樂[17]位于天山山脈西段北麓，阿拉山口附近。是人口為263 700的小城市，全市7 790 km2。2013年NO2濃度值為0.014 mg·m-3，達到國家二級標準，但較上一年濃度上升了0.004 mg·m-3，其空氣污染屬于典型的大陸性干旱地區(qū)煙塵和揚塵污染。

2 實驗部分

2.1 監(jiān)測位點

在新疆烏魯木齊市、庫爾勒市和博樂市分別選擇市區(qū)、工業(yè)區(qū)和農(nóng)田區(qū)，共布設(shè)了9個觀測點。市區(qū)主要是靠近城市的主要交通干道，車流量大，人口集中的地方，烏魯木齊、庫爾勒和博樂的觀測點依次是新疆師范大學(xué)、香梨大道、興樂廣場； 工業(yè)區(qū)選擇的是工廠集中區(qū)，烏魯木齊、庫爾勒和博樂的觀測點依次是米泉中泰化工園、巴州車管所、油化廠； 農(nóng)田區(qū)則在城市邊緣，有大片農(nóng)田，受交通、工業(yè)污染影響較少的地方，烏魯木齊、庫爾勒和博樂的觀測點依次是三道壩鎮(zhèn)、西尼爾鎮(zhèn)、84團。

2.2 監(jiān)測方法

監(jiān)測用一種便攜式的采用被動DOAS技術(shù)的地基多軸差分吸收光學(xué)設(shè)備(Mini MAX-DOAS)。由于儀器是以太陽散射光作為光源，觀測過程中，需將儀器的鏡頭朝著正北方向，以避免太陽光直射。并采用多角度測量方式，將儀器仰角的位置分別設(shè)置為1°，3°，6°，10°，15°，20°，30°，45°，90°，按此順序進行循環(huán)觀測，每個位置約1min的觀測時間，一個循環(huán)為10 min左右。在夜間自動測量暗電流(dark current)和電偏置(electronic offset)光譜，用來對采集的光譜進行誤差修正。每個觀測點定期監(jiān)測7天，并同時記錄當(dāng)日的天氣條件，包括氣溫、濕度、云量等。觀測時間為2014年6月1日至8月31日，數(shù)據(jù)選取每日8:00—20:00的小時平均值。

圖1 監(jiān)測位點示意圖

2.3 數(shù)據(jù)處理

地基多軸差分吸收光譜儀在實際觀測時，結(jié)果會受到系統(tǒng)的噪聲、Ring效應(yīng)等因素的影響，故在處理數(shù)據(jù)時需先進行光譜處理來消除這些影響。利用Win-DOAS軟件和Doasis軟件結(jié)合進行光譜處理反演出大氣對流層NO2的準確濃度。由于大氣NO2氣體主要分布在近地面，仰角角度越低，測量值就越大[8], 為了方便，直接選取仰角為30°時反演出來的大氣NO2氣體對流層垂直柱濃度。

利用Excel進行后期的數(shù)據(jù)處理和作圖，SPSS進行單因素方差分析。

3 結(jié)果與討論

3.1 大中小城市大氣對流層NO2濃度日變化特征

在研究大氣對流層NO2濃度日變化時，選取各地區(qū)都是晴天的天氣條件。由圖2可以看出： 烏魯木齊市區(qū)NO2濃度值8:00后開始上升，12:00后下降，18:00后又出現(xiàn)上升趨勢，工業(yè)區(qū)和農(nóng)田區(qū)表現(xiàn)出先降后升的趨勢，烏魯木齊一天中的最大值(7.590×1015molec·cm-2)出現(xiàn)在15:00，最小值(1.313×1015molec·cm-2)在8:00； 庫爾勒市區(qū)NO2濃度值日變化幅度不大，在11:00和20:00的濃度值較高，工業(yè)區(qū)NO2濃度值在8:00以后呈持續(xù)上升趨勢，13:00以后呈下降趨勢，農(nóng)田區(qū)NO2濃度在16:00時達到最大值，也是庫爾勒一天中最大值(7.559×1015molec·cm-2)出現(xiàn)的時刻，最小值(4.205×1015molec·cm-2)出現(xiàn)在8:00； 博樂市區(qū)、工業(yè)區(qū)NO2濃度值日變化趨勢大致相同，出現(xiàn)兩個峰值，農(nóng)田區(qū)NO2濃度值表現(xiàn)出8:00后開始降低，17:00后開始上升，10:00-16:00之間濃度值幾乎保持不變，博樂一天中最大值(3.578×1015molec·cm-2)出現(xiàn)在20:00，最小值(0.664×1015molec·cm-2)出現(xiàn)在13:00。

圖2 不同地區(qū)大氣對流層NO2濃度日變化

3.2 不同天氣狀況下大氣對流層NO2濃度差異

在各地區(qū)選取雨天、晴天和多云的NO2濃度來作比較進行分析(圖3)。研究結(jié)果表明，除了庫爾勒市區(qū)多云(4.577×1015molec·cm-2)時略高于晴天(4.472×1015molec·cm-2) ，工業(yè)區(qū)、農(nóng)田區(qū)與烏魯木齊、博樂的各地區(qū)NO2垂直柱濃度變化趨勢是一致的，表現(xiàn)出在不同天氣條件下大氣對流層NO2濃度的順序為： 雨天(3.082×1015molec·cm-2)<多云(4.274×1015molec·cm-2)<晴天(5.335×1015molec·cm-2)。

圖3 不同天氣條件下大氣對流層NO2濃度

3.3 不同地區(qū)大氣對流層NO2濃度差異

由圖4可以看出，烏魯木齊市區(qū)的NO2垂直柱濃度最高，庫爾勒、博樂工業(yè)區(qū)NO2的濃度最高，大氣對流層NO2垂直柱濃度最低的都是農(nóng)田區(qū)。從3個地區(qū)大氣對流層NO2垂直柱濃度的平均值看： 不同地區(qū)間NO2垂直柱濃度順序依次為： 市區(qū)(4.643×1015molec·cm-2)>工業(yè)區(qū)(4.469×1015molec·cm-2)>農(nóng)田區(qū)(2.425×1015molec·cm-2)。方差分析結(jié)果表明，3個地區(qū)大氣對流層NO2的垂直柱濃度差異顯著(F=9.204p=0.01<0.05)，多重比較結(jié)果顯示市區(qū)和工業(yè)區(qū)的濃度差異不顯著(P>0.05)，但均與農(nóng)田區(qū)的差異顯著(p<0.05)。從3個城市大氣對流層NO2垂直柱濃度的平均值看不同城市間的NO2垂直柱濃度順序依次為： 烏魯木齊(6.107×1015molec·cm-2)>庫爾勒(5.014×1015molec·cm-2)>博樂(1.576×1015molec·cm-2)。方差分析結(jié)果表明，三個城市大氣對流層NO2的垂直柱濃度差異顯著(F=14.841p=0.000<0.05), 多重比較結(jié)果顯示烏魯木齊與博樂大氣對流層NO2的垂直柱濃度差異顯著(p<0.05)，烏魯木齊與庫爾勒大氣對流層NO2的垂直度濃度差異不顯著(p>0.05)，庫爾勒與博樂大氣對流層NO2的垂直度濃度差異不顯著(p<0.05)。

圖4 不同地區(qū)大氣對流層NO2濃度差異

4 結(jié) 論

NO2是一次污染物，污染源對其有明顯的影響。利用地基多軸差分吸收光譜儀(Mini MAX-DOAS)對新疆大中小城市大氣對流層的NO2垂直柱濃度進行觀察，分析了NO2的日變化特征、不同天氣情況下NO2濃度的變化特征及不同地區(qū)間NO2濃度的差異性，得出以下結(jié)論。

(1)NO2的日變化分析表明，在相同天氣條件時NO2垂直柱濃度的夏季日變化出現(xiàn)了一定的波動，有波峰和波谷的交替。但不同地區(qū)其峰值在大中小城市中出現(xiàn)的時刻有所差異： 烏魯木齊和博樂的最大值分別出現(xiàn)在15:00和20:00，最小值出現(xiàn)在8:00和13:00； 庫爾勒的最大值出現(xiàn)在14:00，最小值出現(xiàn)在8:00。其中10:00—12:00和18:00—20:00出現(xiàn)高值，和周海金[19]對合肥地區(qū)NO2的日變化特征的研究得出了相似的結(jié)果，這可能與市區(qū)上下班高峰期時車流量的多少有關(guān)，已有的研究[20]也證明機動車密度和機動車保有量是影響城區(qū)大氣NO2的主要影響因素。

(2)從不同天氣條件下分析NO2垂直柱濃度的變化特征發(fā)現(xiàn)，由于降水稀釋了大氣中的NO2濃度，導(dǎo)致雨天、晴天和多云三種天氣條件下濃度不同雨天大氣中NO2的垂直柱濃度最小。晴天時與太陽輻射強度有關(guān)，張敏[18]在研究南京郊區(qū)時也得出了類似的結(jié)論。故在治理大氣污染時，依靠降水可減少大氣中NO2的濃度，但這并不是從根本上解決問題。

(3)通過對烏魯木齊、庫爾勒和博樂大氣對流層的NO2垂直柱濃度變化特征分析得出，NO2濃度存在明顯的區(qū)域性差異。烏魯木齊>庫爾勒>博樂, 說明大城市的濃度明顯大于小城市； 且市區(qū)>工業(yè)區(qū)>農(nóng)田區(qū)。這與夏德祥等[21]研究上海市NO2濃度的空間分布特征得出的結(jié)論是相似的。與我國其他城市相比，新疆大中小城市的大氣對流層NO2垂直柱濃度(烏魯木齊為6.107×1015molec·cm-2、庫爾勒為5.014×1015molec·cm-2、博樂為1.576×1015molec·cm-2)處于較低水平，明顯低于我國東部地區(qū)NO2垂直柱濃度均值(15.86×1015molec·cm-2)[6]； 低于浙江省北部地區(qū)(25×1015molec·cm-2)，高于南部地區(qū)(2.6×1015molec·cm-2)[22]； 低于北京、天津、唐山、青島、濟南、沈陽等地(這些地區(qū)濃度都超過了20×1015molec·cm-2)[23]。

[1] GAO Jie, WANG Yu, ZHANG Bei(高 婕, 王 禹, 張 蓓). Environmental Protection Science(環(huán)境保護科學(xué)), 2004, 30(125): 1.

[2] Richter A K, Burrows J P. Adv. Space. Res., 2002, 28: 1673.

[3] Velders G J M, Granier C, Portmann R W, et al. J. Geophys. Res., 2001, 106: 12643.

[4] Vander A R J, Peters D H M U, Heskes H, et al. J. Geophys. Res., 2006, 111: D12317, dio: 10:1029/2005JD006594.

[5] YAO Ling, Lü Ning, SHI Hua-ding(姚 凌, 呂 寧, 師華定). Research of Environmental Sciences(環(huán)境科學(xué)研究), 2012, 25(4): 419.

[6] ZHANG Xing-ying, ZHANG Peng, ZHANG Yan, et al(張興贏, 張 鵬, 張 艷, 等). Science China Earth Sciences(中國科學(xué)D輯: 地球科學(xué)), 2007, 37: 1409.

[7] LI Wei, MA Jian-zhong, GUO Jun-rang(李 蔚, 馬建中, 郭軍讓). Meteorological Science and Technology(氣象科技), 2013, 41(5): 796.

[8] ZHU Yan-wu, LIU Wen-qing, XIE Pin-hua, et al(朱燕舞, 劉文清, 謝品華, 等). Journal of Atmospheric and Environmental Optics(大氣與環(huán)境光學(xué)報), 2008, 3(5): 369.

[9] WANG Ting, WANG Pu-cai, YU Huan, et al(王 婷, 王普才, 余 環(huán), 等). Climatic and Environmental Research(氣候與環(huán)境研究), 2014, 19(1): 51.

[10] YANG Shu-shen, SHAO Long-yi, YANG Yuan-yuan(楊書申, 邵龍義, 楊園園). Resources and Environment in the Yangtze Basin(長江流域資源與環(huán)境), 2008, 17(2): 323.

[11] LI Xian-xin, LIU Wen-qing, SI Fu-qi, et al(李先欣, 劉文清, 司福祺, 等). Journal of Atmospheric and Environmental Optics(大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報), 2012, 7(1): 18.

[12] FAN Yang, FAN Shu-xian, ZHANG Hong-liang, et al(范 洋, 樊曙先, 張紅亮,等). Transactions of Atmospheric Sciences(大氣科學(xué)學(xué)報), 2013, 36(1): 121.

[13] HUANG He, YAO Qing, ZHANG Wen-yu, et al(黃 鶴, 姚 青, 張文煜, 等). Research of Environmental Sciences(環(huán)境科學(xué)研究), 2009, 22(3): 315.

[14] HE Li, ZHU Jian-wen, Lü Ai-hua(何 麗, 朱建雯, 呂愛華). Environmental Monitoring and Forewarning(環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警), 2014, 6(3): 47.

[15] LIU Meng-xiao, ZHOU Tao(劉夢瀟, 周 濤). Arid Environmental Monitoring(干旱環(huán)境監(jiān)測), 2012, 26(4): 208.

[16] ZHAO Zhan-cheng(趙戰(zhàn)成). Science &Technology Information(科技資訊), 2010, 24: 152.

[17] ABULA Taximaimaiti(塔西買買提·阿布拉). Arid Environmental Monitoring(干旱環(huán)境監(jiān)測), 2006, 20(4): 231.

[18] ZHANG Min, ZHU Bin, WANG Dong-dong, et al(張 敏, 朱 彬, 王東東, 等). Transactions of Atmospheric Sciences(大氣科學(xué)學(xué)報), 2009, 32(5): 695.

[19] ZHOU Hai-jin, LIU Wen-qing, SI Fu-qi, et al(周海金, 劉文清, 司福祺, 等). Acta Optica Sinica(光學(xué)學(xué)報), 2011, 31(11): 1.

[20] XU Song, CHEN Tong-qing(徐 頌, 陳同慶). Journal of Nanchang University·Natural Science(南昌大學(xué)學(xué)報·理科版), 2006, 30(1): 99.

[21] XIA De-xiang, XU Li-ping, LI Jun(夏德祥, 徐麗萍, 李 俊). Shanghai Environmental Sciences(上海環(huán)境科學(xué)), 2001, 20(1): 45.

[22] CHENG Miao-miao, JIANG Hong, CHEN Jian, et al(程苗苗, 江 紅, 陳 鍵, 等). Acta Ecologica Sinica(生態(tài)學(xué)報), 2011, 31(5): 1249.

[23] GAO Li-jie, ZHANG Mei-gen, ZHU Ling-yun(高麗潔, 張美根, 朱凌云). China Powder Science and Technology(中國粉體技術(shù)), 2010, 16(1): 62.

(Received Mar. 16, 2015; accepted Jul. 21, 2015)

*Corresponding author

Variation Characteristics of Tropospheric NO2Vertical Column Densities over Large and Small Cities of Xinjiang in Summer

MA Wen, LI Yan-hong*，WANG Pan-pan

College of Geographic Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region; Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area, Urumqi 830054, China

Selecting the representative large and small towns which were Urumqi, Korla, Bole cities in Xinjiang, the ground-based mini MAX-DOAS measurement was carried out to observe the tropospheric NO2vertical column density at town, industrial districts and farmland area in different grade cities from Jul to Aug 2014. It turned out(1) In the diurnal variation of the concentration of tropospheric NO2vertical column density have peaks and troughs, the difference between its peak in the large and small towns, Urumqi(7.590×1015molec·cm-2)>Korla(7.559×1015molec·cm-2)>Bole(3.578×1015molec·cm-2); (2)During summer the tropospheric NO2vertical column density has relationship with urban surface condition. Especially it has close relationship with the number of cars in the observational area, town(4.643×1015molec·cm-2)>industrial districts (4.469×1015molec·cm-2)>farmland area(2.425×1015molec·cm-2); (3)Under different weather conditions the tropospheric NO2vertical column density : the minimum density appeared on a rainy day(3.082×1015molec·cm-2), it turned out the precipitation has an important influence on NO2.

Tropospheric NO2vertical column density; Summer; Large and small cities; Ground-based MAX-DOAS

2015-03-16，

2015-07-21

國家自然科學(xué)地區(qū)基金項目(41161010), 中國沙漠氣象科學(xué)研究基金項目(Sqj2012012)和新疆師范大學(xué)博士點支撐學(xué)科研究生創(chuàng)新基金項目(XJNU-DL-201502)資助

馬 雯，女，1991年生，新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院碩士研究生 e-mail: 125763619@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: lyh0704@126.com

X511

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2195-05