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(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)驗室/ 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)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(xué)反應(yīng)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(huán)境變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響［1］。SO2是大氣主要污染物之一，在許多工業(yè)過程中會產(chǎn)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(jìn)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(shù)據(jù)對河北省廊坊市對流層NO2垂直柱濃度的時空變化進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)河北香河站對流層NO2柱濃度具有冬高夏低的季節(jié)變化特征，認(rèn)為NO2柱濃度與風(fēng)速風(fēng)向密切相關(guān)［3-5］。就目前來看，國內(nèi)關(guān)于MAX-DOAS 技術(shù)大多都是針對東部沿海發(fā)達(dá)城市，對西北干旱區(qū)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(guān)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(chǎn)業(yè)的聚集區(qū)，油氣資源儲量占全世界的近80%，而且在中國實(shí)施向西開放戰(zhàn)略中具有不可替代的作用。因此應(yīng)用DOAS 技術(shù)分析其NO2和SO2垂直柱濃度分布特征，以期將MAX-DOAS 技術(shù)在干旱區(qū)石油城市中逐漸被推廣使用，準(zhǔn)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(qū)概況

克拉瑪依是新疆維吾爾自治區(qū)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(yè)城市。位于準(zhǔn)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(zhǔn)噶爾盆地中心傾斜。屬于典型的溫帶大陸性氣候。主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，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(dú)山子、白堿灘、 烏爾禾4 個行政區(qū)。 全市總?cè)丝诩s4 萬人［9-10］。克拉瑪依已具備超過1 300萬t當(dāng)量的油氣生產(chǎn)能力、1 600 萬t 的煉油能力，工業(yè)增加值占GDP 的70% 以上，是新疆重點(diǎn)建設(shè)的新型工業(yè)化城市。NO2和SO2垂直柱濃度均低于烏魯木齊市。

2 數(shù)據(jù)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(xué)和Hoffmann 公司聯(lián)合開發(fā)的一種MiniMAXDOAS 儀器，它是一款便攜式應(yīng)用被動DOAS 技術(shù)的多軸差分吸收光學(xué)設(shè)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(jìn)行循環(huán)觀測，角度分別為1°，3°，6°，10°，15°，20°，30°，45°，90°，一個循環(huán)周期大約需要10 分鐘。車載DOAS 監(jiān)測技術(shù)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(tǒng)配置由望遠(yuǎn)鏡、光譜儀、GPS 裝置和計算機(jī)等組成。本研究使用Win-DOAS 2. 1 軟件進(jìn)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(shù)據(jù)對SO2和NO2進(jìn)行分析［11-13］。相比于衛(wèi)星和地面觀測站的監(jiān)測，MAX-DOAS 具有實(shí)時、連續(xù)、精度高和攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。

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(jiān)測和移動車載監(jiān)測數(shù)據(jù)。固定監(jiān)測點(diǎn)位于市中心居民區(qū)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(diǎn)監(jiān)測為全天連續(xù)監(jiān)測（9：00～19：00），每個季節(jié)定點(diǎn)監(jiān)測15 d。移動車載監(jiān)測按順時針行駛（監(jiān)測時間為11：00～17：00），每個季節(jié)車載移動監(jiān)測2次。移動車載監(jiān)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(jiān)測路線從市中心居民區(qū)出發(fā)，沿友誼路、永紅路、塔河路、鴻雁路和外環(huán)路環(huán)城一圈。途經(jīng)原油運(yùn)輸主要路線、住宅區(qū)、工業(yè)區(qū)、商業(yè)區(qū)、學(xué)校、十字交叉路口、油田等主要監(jiān)測地點(diǎn)。同期的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)日產(chǎn)品數(shù)據(jù)（https://data.cma.cn/），同時段全球資料同化系統(tǒng)（GDAS） 數(shù)據(jù)（ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1） 由美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）提供。采用移動車載DOAS系統(tǒng)進(jìn)行移動監(jiān)測，并在移動監(jiān)測的同時把攝像機(jī)安裝在相應(yīng)的位置，整個過程中攝像機(jī)保持不動并記錄車流量數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 NO2和SO2垂直柱濃度日變化

MAX-DOAS 可在日間進(jìn)行自動連續(xù)監(jiān)測，但是作為以太陽光為光源的被動光譜技術(shù)，只有白天可以獲取數(shù)據(jù)，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(jìn)一步了解不同季節(jié)的NO2和SO2垂直柱濃度日變化特征，選擇固定監(jiān)測和移動監(jiān)測，對各季節(jié)NO2和SO2垂直柱濃度日均值的變化進(jìn)行監(jiān)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(jiān)測時間選為9：00～19：00。由于SO2數(shù)據(jù)處理時，太陽天頂角大于75°時的光譜數(shù)據(jù)因反演誤差過大，在數(shù)據(jù)質(zhì)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(jìn)一步保證監(jiān)測效果，監(jiān)測時選擇晴天條件下進(jìn)行。由圖1可以看出，克拉瑪依市區(qū)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(xiàn)為全部是日落時分達(dá)到最高值，中午出現(xiàn)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(dá)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(jiān)測在公路上進(jìn)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(jiān)測相比于固定監(jiān)測數(shù)值波動會大一些。

3.2 NO2和SO2垂直柱濃度季節(jié)變化

圖1 為克拉瑪依不同季節(jié)下NO2和SO2垂直柱濃度變化特征。在季節(jié)上：二者皆表現(xiàn)為冬季＞秋季＞春季＞夏季。NO2和SO2垂直柱濃度日最大值皆出現(xiàn)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(xiàn)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(jìn)行供暖，從而產(chǎn)生大量NO2，導(dǎo)致冬季NO2垂直柱濃度偏高。另外季風(fēng)變化同樣影響NO2和SO2的輸送。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)NO2垂直柱濃度高值通常出現(xiàn)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(fā)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(qū)和居民區(qū)的地方NO2垂直柱濃度也偏高。SO2垂直柱濃度也表現(xiàn)出相似變化?？死斠罏榈湫偷氖凸I(yè)城市，其石油開采區(qū)NO2垂直柱濃度也較高［16］。在陽光照射下，NO2產(chǎn)生NO和O3，NO和O3再反應(yīng)生成NO2，二者可逆轉(zhuǎn)換。石油開采時會產(chǎn)生大量VOC （揮發(fā)性有機(jī)物），而當(dāng)VOC 存在時，會發(fā)生相應(yīng)化學(xué)反應(yīng)：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(xiàn)率較大，故此處只探討NO2與車流量的關(guān)系。不同季節(jié)車流量不同，表現(xiàn)為冬高夏低。不同位置NO2濃度高低不同，車流量較多區(qū)域NO2濃度較高［17］。

圖1 克拉瑪依不同季節(jié)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?？死斠赖貏莩饰鞅毕驏|南傾斜，克拉瑪依位于準(zhǔn)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(fēng)的直接深入，來自西北的濕潤氣流到達(dá)克拉瑪依將會明顯減少。導(dǎo)致山前平原地區(qū)空氣流動較差，形成氣流滯留區(qū)，進(jìn)而導(dǎo)致克拉瑪依冬季風(fēng)較少。NO2和SO2等污染物容易集聚且很難擴(kuò)散，加劇了霧和霾的形成。由于東臨古爾班通古特沙漠，大風(fēng)天氣造成風(fēng)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(dǎo)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(kuò)散，最終導(dǎo)致NO2和SO2污染物濃度的升高。

3.3.2 氣象因素研究發(fā)現(xiàn)風(fēng)場對污染物的擴(kuò)散起著重要作用，風(fēng)向決定了大氣中污染物的擴(kuò)散方向，而風(fēng)速的大小直接影響擴(kuò)散的速率和距離。某一地區(qū)的風(fēng)速越大， 污染物擴(kuò)散的范圍越大［18-20］?？死斠朗俏覈忻娘L(fēng)口之一，風(fēng)大且多，活動十分頻繁［21-22］。NO2和SO2濃度的高低與風(fēng)密切相關(guān)，如圖2 為2018 年克拉瑪依市不同季節(jié)風(fēng)速風(fēng)向分布情況。經(jīng)緯度為（45. 38°N，84. 52°E），觀測的風(fēng)向風(fēng)速高度為1. 2 m。由圖可知，克拉瑪依主導(dǎo)風(fēng)向為西北風(fēng)，主要在春季、夏季和秋季， 頻率分別為44. 4%、 45. 6% 和46. 0%。大風(fēng)天氣春季最多，秋季次之，夏季由于冷空氣勢力減弱，大風(fēng)很少。冬季由于冷空氣下沉，存在較強(qiáng)逆溫層，導(dǎo)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(dǎo)致燃煤產(chǎn)生的NO2和SO2不易擴(kuò)散和分解，同時西北風(fēng)也導(dǎo)致污染進(jìn)一步加重。

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

3.3.3 產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)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(shù)量、工業(yè)GDP、工業(yè)能耗等因素有關(guān)，NO2高濃度區(qū)基本與這些高排放污染源的分布一致［23］?？死斠朗兄鲗?dǎo)產(chǎn)業(yè)為第二產(chǎn)業(yè)，第二產(chǎn)業(yè)約占其生產(chǎn)總值的2/3 （2018 年）。近年來，克拉瑪依市生產(chǎn)總值呈上升趨勢，第一產(chǎn)業(yè)在2016～2018年呈現(xiàn)出先下降后上升趨勢，第二產(chǎn)業(yè)和第三產(chǎn)業(yè)呈上升趨勢。在三大產(chǎn)業(yè)中，第二產(chǎn)業(yè)的能源消耗能力是最強(qiáng)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(dǎo)致了克拉瑪依的環(huán)境進(jìn)一步惡化。已有研究表明第二產(chǎn)業(yè)與對流層NO2柱濃度的相關(guān)性高達(dá)0. 84，說明工業(yè)生產(chǎn)對NO2的貢獻(xiàn)是相當(dāng)大的［24］。截止到2018 年末克拉瑪依市全市民用汽車保有量達(dá)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(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報）。機(jī)動車保有量持續(xù)增長，隨之而來的是汽車尾氣的大量排放，導(dǎo)致NO2濃度居高不下。2018 年克拉瑪依主要交通節(jié)點(diǎn)友誼路與幸福路交叉路口、友誼路與準(zhǔn)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(dá)到4 323輛/h、2 241輛/h、3 711輛/h。汽車保有量的大幅度持續(xù)增加導(dǎo)致汽車尾氣排放增加，再加上特殊的地理位置條件，導(dǎo)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(diǎn)位置，利用后向軌跡模型的Trajstat 軟件，設(shè)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(tuán)的后向軌跡分布（圖3）。根據(jù)軌跡長短可判斷氣團(tuán)移動速度，后向軌跡長說明氣團(tuán)移動速度快，軌跡短說明氣團(tuán)移動速度慢。克拉瑪依市春季、夏季和秋季外來氣團(tuán)的后向軌跡平均長度較長，表明其氣團(tuán)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(tuán)的后向軌跡平均長度較短，表明氣團(tuán)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(fēng)為主的氣候特征。克拉瑪依市的大氣污染物隨氣流從內(nèi)地而來所占比例較少，以外地來源為主，氣流多以擴(kuò)散、稀釋的方式影響克拉瑪依市的污染程度。運(yùn)用了后向軌跡模型，探討了大氣遷移規(guī)律，為NO2和SO2的擴(kuò)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(tuán)來源軌跡，以及NO2和SO2的潛在來源區(qū)。

圖3 2018年克拉瑪依市季節(jié)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(jié)分為6類進(jìn)行軌跡的聚類分析，后向軌跡聚類結(jié)果如圖4。設(shè)置高度為500 m，聚類軌跡出現(xiàn)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(shù)共占總軌跡數(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(jié)聚類軌跡分布結(jié)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(jié) 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(jiān)測數(shù)據(jù)分析其季節(jié)變化和日變化，得到以下結(jié)論：

1） NO2和SO2垂直柱濃度日變化規(guī)律：克拉瑪依市區(qū)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(dá)到最高值，中午出現(xiàn)最低值。NO2垂直柱濃度和SO2垂直柱濃度日最大值皆出現(xiàn)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(xiàn)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(jié)變化規(guī)律，NO2和SO2垂直柱濃度均表現(xiàn)為冬季＞秋季＞春季＞夏季的變化特點(diǎn)，和我國河北等其他城市的季節(jié)變化一致。NO2和SO2垂直柱濃度波峰均出現(xiàn)在冬季，NO2垂直柱濃度季節(jié)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(jié)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(fēng)速成反比，且風(fēng)速越大，污染物擴(kuò)散的范圍越大。大風(fēng)主要集中于春夏兩季，造成污染物范圍擴(kuò)大，單位面積內(nèi)污染濃度降低。冬季漫長采暖期及不利于污染物擴(kuò)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(tuán)的季節(jié)后向軌跡平均長度不同，其氣團(tuán)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(tuán)的后向軌跡平均長度較短，氣團(tuán)的移動速度較慢；春季、夏季和秋季外來氣團(tuán)的后向軌跡平均長度較長，氣團(tuán)的移動速度較慢。