南京市主城區(qū)NO2重污染工作日和節(jié)假日的變化差異及原因*

孫 艷 王 勇 邱新法# 曾 燕

(1.南京信息工程大學(xué)應(yīng)用氣象學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.中國(guó)氣象局交通氣象重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009；3.江蘇省氣象科學(xué)研究所，江蘇 南京 210009；4.南京氣象科技創(chuàng)新研究院，江蘇 南京 210009)

NO2是臭氧及多種光化學(xué)二次污染物的重要前體物，主要來源于城市汽車尾氣和化石燃料燃燒，其濃度升高會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境及人體健康產(chǎn)生危害[1-3]。隨著城市化進(jìn)程加快，城市交通活動(dòng)排放的NO2增加，導(dǎo)致城市光化學(xué)污染日益加劇[4-6]。我國(guó)由于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)活動(dòng)量以及機(jī)動(dòng)車保有量持續(xù)增加，城市NO2污染不斷加重，已經(jīng)成為全球NO2污染最嚴(yán)重的國(guó)家之一[7]。因此，研究城市NO2濃度的變化特征對(duì)改善城市空氣質(zhì)量和制定污染防治策略具有重要意義。

工業(yè)活動(dòng)和交通活動(dòng)都與居民的有規(guī)律出行密切相關(guān)[8]。雷瑜等[9]和盧燕宇等[10]都發(fā)現(xiàn)，節(jié)假日與工作日的污染物濃度日變化特征存在明顯差異，污染物濃度高峰與居民出行活動(dòng)高峰相合；段玉森[11]和盛濤等[12]研究得出，交通排放對(duì)空氣污染物的濃度變化特征有著顯著影響。

長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展快，NO2排放量逐年升高，對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量產(chǎn)生很大影響[13]。南京市作為長(zhǎng)三角地區(qū)的中心城市之一，城市化和經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致工業(yè)活動(dòng)量和交通活動(dòng)量大，由此帶來大量NO2等氮氧化物的排放，污染問題突出，防治形勢(shì)嚴(yán)峻，使得主城區(qū)大氣污染非常嚴(yán)重。本研究基于2017—2019年南京市主城區(qū)7個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站NO2的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析重污染情況下工作日和節(jié)假日NO2的日變化特征及其差異性，并探究其原因，為南京市主城區(qū)城市NO2污染防治和管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

NO2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來源于2017—2019年南京市主城區(qū)7個(gè)國(guó)控和省控空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的小時(shí)數(shù)據(jù)。交通道路數(shù)據(jù)來源于OpenStreetMap(https://www.openstreetmap.org/)。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

根據(jù)2017—2019年國(guó)家法定節(jié)假日區(qū)分工作日和節(jié)假日，定義NO2的日均空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)大于200為重污染日[14]，分別挑選出南京市主城區(qū)的NO2重污染日，2017—2019年南京市主城區(qū)7個(gè)空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的重污染日列于表1中，在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)分析南京市主城區(qū)在NO2重污染情況下工作日和節(jié)假日的日變化差異和原因。

表1 2017—2019年南京市主城區(qū)7個(gè)監(jiān)測(cè)站測(cè)得的工作日和節(jié)假日重污染情況

利用ArcGIS軟件對(duì)交通道路數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖區(qū)分析，統(tǒng)計(jì)不同緩沖區(qū)半徑內(nèi)的道路密度，并統(tǒng)計(jì)工作日的NO2小時(shí)濃度日峰和日谷差用于研究日變化中“高峰”現(xiàn)象的敏感性。緩沖區(qū)設(shè)置以各個(gè)監(jiān)測(cè)站為中心，分別設(shè)置200、300、400、500 m的半徑，在ArcGIS軟件中用“標(biāo)識(shí)”工具把每條道路在緩沖區(qū)邊界處打斷并標(biāo)識(shí)出每條路段所屬的緩沖區(qū)，進(jìn)一步通過“計(jì)算幾何”和“匯總”工具統(tǒng)計(jì)各個(gè)緩沖區(qū)的面積和區(qū)內(nèi)道路長(zhǎng)度，進(jìn)而根據(jù)式(1)計(jì)算各緩沖區(qū)內(nèi)道路密度。Pearson相關(guān)性分析通過IMB SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行。

(1)

式中：RDi,j為i緩沖區(qū)在半徑為j時(shí)的道路密度，km/km2；Li,j為i緩沖區(qū)在半徑為j時(shí)的道路長(zhǎng)度，km；Ai,j為i緩沖區(qū)在半徑為j時(shí)的緩沖區(qū)面積，km2。

2 結(jié)果與討論

2.1 南京市主城區(qū)NO2重污染日變化特征

由圖1可見，在工作日，7個(gè)監(jiān)測(cè)站的NO2小時(shí)濃度日變化總體呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，其中中華門和瑞金路的日峰值出現(xiàn)于9：00左右，草場(chǎng)門、玄武湖、山西路和邁皋橋的日峰值出現(xiàn)于10：00左右，奧體中心的日峰值出現(xiàn)于11：00左右；草場(chǎng)門、中華門和邁皋橋的夜峰值出現(xiàn)于20：00左右，瑞金路、玄武湖和山西路的夜峰值出現(xiàn)于21：00左右，奧體中心的夜峰值出現(xiàn)于22：00左右；7個(gè)監(jiān)測(cè)站的日谷值出現(xiàn)在13：00—16：00。在節(jié)假日，7個(gè)監(jiān)測(cè)站的NO2小時(shí)濃度日變化總體呈現(xiàn)“單峰”現(xiàn)象，草場(chǎng)門和邁皋橋的峰值出現(xiàn)于19：00左右，中華門、玄武湖和瑞金路的峰值出現(xiàn)于20：00左右，山西路的峰值出現(xiàn)于22：00左右，奧體中心NO2從17:00到23:00持續(xù)升高。由此可見，南京市主城區(qū)7個(gè)監(jiān)測(cè)站測(cè)得的NO2重污染在工作日和節(jié)假日的日變化特征有明顯差異，工作日呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，節(jié)假日呈現(xiàn)“單峰”現(xiàn)象。

圖1 南京市主城區(qū)7個(gè)監(jiān)測(cè)站的NO2重污染日變化

2.2 南京市主城區(qū)NO2重污染工作日和節(jié)假日差異

為了更清楚地分析南京市主城區(qū)NO2重污染工作日和節(jié)假日日變化差異，把7個(gè)監(jiān)測(cè)站的NO2小時(shí)濃度進(jìn)行平均，結(jié)果見圖2。在工作日，NO2小時(shí)濃度日變化呈現(xiàn)明顯的“雙峰”現(xiàn)象，日峰值出現(xiàn)于10：00左右，夜峰值出現(xiàn)于21：00左右；在節(jié)假日，NO2小時(shí)濃度日變化整體呈現(xiàn)“單峰”現(xiàn)象，沒有日峰值，NO2濃度低于工作日，夜峰比工作日提前了1 h，出現(xiàn)于20：00左右?？傮w上，工作日白天NO2濃度高于節(jié)假日。

圖2 南京市主城區(qū)工作日和節(jié)假日NO2重污染日變化

NO2是臭氧的重要前體物[15]，通常白天隨著太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，大氣中NO2會(huì)被消耗生成臭氧，其濃度會(huì)下降，16：00以后隨著太陽(yáng)輻射減弱，加上夜間氣溫低、大氣層結(jié)穩(wěn)定，不利于污染物的擴(kuò)散，因此NO2濃度一般在夜晚高于白天[16-19]。但從圖2可見，交通排放對(duì)城市大氣中的NO2的日變化具有重要影響。在工作日，早上城市居民上班“早高峰”時(shí)期交通車流量集中，NO2濃度日變化表現(xiàn)出明顯與之吻合的特征，而在節(jié)假日，人們出行時(shí)間比較分散，出行量也會(huì)減少，所以沒有出現(xiàn)“早高峰”[20]。

2.3 南京市主城區(qū)交通對(duì)工作日NO2日變化的影響探究

工作日NO2小時(shí)濃度日峰和日谷差，以及半徑分別為200、300、400、500 m的緩沖區(qū)內(nèi)道路密度見表2，日峰和日谷差與道路密度的Pearson相關(guān)系數(shù)見表3。

表2 南京市主城區(qū)工作日NO2小時(shí)質(zhì)量濃度日峰與日谷差和道路密度

表3 南京市主城區(qū)工作日NO2小時(shí)質(zhì)量濃度日峰、日谷差與道路密度相關(guān)系數(shù)

由表2可見，草場(chǎng)門和中華門的日峰和日谷差較小，分別為6.83、15.25 μg/m3，“早高峰”現(xiàn)象不明顯，它們的道路密度也較小。山西路的日峰與日谷差最大，為46.50 μg/m3，“早高峰”現(xiàn)象最明顯，其道路密度也最大，200、300、400、500 m的緩沖區(qū)分別達(dá)到14.54、13.84、12.46、10.64 km/km2。由此可見，工作日NO2小時(shí)濃度的“早高峰”現(xiàn)象與緩沖區(qū)內(nèi)的道路密度有很大關(guān)系。分析表3發(fā)現(xiàn)，工作日日峰和日谷差與半徑分別200、300、400 m的緩沖區(qū)內(nèi)道路密度相關(guān)性都達(dá)到小于0.05的顯著性水平，而與半徑為500 m的緩沖區(qū)內(nèi)道路密度相關(guān)性沒有達(dá)到小于0.05的顯著性水平，說明南京市主城區(qū)工作日NO2小時(shí)濃度的“早高峰”現(xiàn)象主要受400 m內(nèi)的道路密度影響，道路密度越大，“早高峰”現(xiàn)象越明顯。這是因?yàn)榈缆访芏却蟮牡胤?，交通排放的污染就?huì)更加嚴(yán)重，導(dǎo)致NO2“早高峰”現(xiàn)象更加明顯[21-24]。

3 結(jié) 論

(1) 南京市主城區(qū)NO2重污染工作日和節(jié)假日的日變化特征有明顯差異，工作日呈現(xiàn)“雙峰”現(xiàn)象，日峰值出現(xiàn)于10：00左右，夜峰值出現(xiàn)于21：00左右；節(jié)假日呈現(xiàn)“單峰”現(xiàn)象，沒有日峰值，夜峰值出現(xiàn)于20：00左右。

(2) 南京市主城區(qū)工作日NO2小時(shí)濃度的“早高峰”現(xiàn)象主要受400 m內(nèi)道路密度影響，道路密度越大，“早高峰”現(xiàn)象越明顯。