基于GIS的烏魯木齊市NO2時(shí)空分布特征

何麗，朱建雯*，呂愛(ài)華

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052;2.烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，新疆烏魯木齊 830000)

NO2是大氣環(huán)境中的主要污染物之一，也是PM2.5的前體污染物之一。在大氣中通過(guò)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)引起光化學(xué)煙霧，損害人體的呼吸系統(tǒng)，導(dǎo)致暴露人群慢性氣管炎、支氣管炎的發(fā)病率增加，肺功能降低［1－2］，會(huì)產(chǎn)生酸雨、臭氧和水體富營(yíng)養(yǎng)化等問(wèn)題［3］。隨著機(jī)動(dòng)車保有量的增長(zhǎng)和工業(yè)化的快速推進(jìn)，由NO2排放引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題已給人體健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成巨大威脅［4］。

目前城市大氣污染物的研究主要集中在污染個(gè)案分析、城市污染物濃度變化規(guī)律、污染物與氣象因子相關(guān)關(guān)系、污染物源解析等方面［4－7］。傳統(tǒng)上的研究在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方面往往只采用統(tǒng)計(jì)的方式分析，缺乏空間可視化的表達(dá)。隨著地理信息科學(xué)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者越來(lái)越多的采用GIS技術(shù)對(duì)城市污染物的空間分布進(jìn)行研究，該技術(shù)在大氣污染物數(shù)據(jù)管理、擴(kuò)散模擬與空間分布分析等工作中，可以提供更直觀的信息支持［8－10］。

現(xiàn)利用2008—2012烏魯木齊市7個(gè)空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位NO2小時(shí)值為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分析大氣中NO2的時(shí)空變化規(guī)律，探討不同氣象因素對(duì)烏魯木齊市NO2的影響，為改善其大氣環(huán)境質(zhì)量提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏魯木齊市位于天山北麓準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段(東經(jīng) 86°37'至 88°58'，北緯 42°45'至 44°08')，市區(qū)東、南、西3面環(huán)山。氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶愿珊禋夂?，夏季炎熱，冬季?yán)寒，晝夜溫差大，年均氣溫7.6℃，是中國(guó)北方典型的冬季煤煙型污染城市［5］，由于特殊地形和氣象因素制約，每年長(zhǎng)達(dá)半年之久的冬季采暖期大氣污染嚴(yán)重。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

由烏魯木齊市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站提供2008—2012年7個(gè)大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的NO2連續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù);氣象局提供其地面氣象站逐日氣壓、氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度等觀測(cè)數(shù)據(jù)。大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布見(jiàn)表1。

表1 大氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位分布

1.3 分析方法

采用SPSS14.0對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，以《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095－2012)中的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作為評(píng)價(jià)依據(jù)，分別在不同時(shí)間尺度上對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與氣象因素進(jìn)行相關(guān)性分析。在Arc-GIS軟件中導(dǎo)入數(shù)據(jù)并建立分析數(shù)據(jù)庫(kù)，采用Spatial Analyst Tools模塊對(duì)其進(jìn)行IDW插值分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 NO2濃度隨時(shí)間變化特征

2.1.1 年變化

烏魯木齊市NO2年變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。

由圖1可見(jiàn)，2008—2012年，烏魯木齊市NO2年均值為 0.065～0.068 mg/m3，均超二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(0.040 mg/m3)，基本保持穩(wěn)定，區(qū)域污染較為嚴(yán)重。

圖1 烏魯木齊市NO2年變化趨勢(shì)

2012年烏魯木齊市NO2與其他城市對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 2012年烏魯木齊市NO2與其他城市對(duì)比

2.1.2 月變化

烏魯木齊市區(qū)NO2呈明顯的季節(jié)變化見(jiàn)圖3。

圖3 烏魯木齊市NO2月變化趨勢(shì)

由圖3可見(jiàn)，冬季污染較重，春節(jié)、秋季次之，夏季空氣質(zhì)量相對(duì)較好。NO2最高值出現(xiàn)在12月，其次為1月、2月，這與采暖期的氣象條件密切相關(guān)。烏魯木齊市采暖季氣象條件呈風(fēng)速小、大霧頻發(fā)、中性及穩(wěn)定性天氣多、逆溫出現(xiàn)頻繁且強(qiáng)度高等特征，導(dǎo)致城市的大氣環(huán)境容量“先天不足”。在靜穩(wěn)、逆溫和大霧的天氣條件下，大氣污染物滯留在低空難以擴(kuò)散還產(chǎn)生累積效應(yīng)，氣態(tài)污染物易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)化為顆粒物從而加劇污染。

2.1.3 日變化

烏魯木齊市NO2日變化見(jiàn)圖4。

圖4 烏魯木齊市NO2日變化趨勢(shì)

由圖4可見(jiàn)，NO2均呈現(xiàn)“單峰型”的日變化特征，夜間NO2明顯高于白天。分析烏魯木齊市近30年大氣穩(wěn)定度和混合層高度的變化特征，一天中混合層高度最大值出現(xiàn)在14:00，最小值出現(xiàn)在02:00，表明在夜間大氣層結(jié)穩(wěn)定，混合層高度低，大氣垂向平均稀釋能力差，易加重空氣污染。

由于受人為活動(dòng)強(qiáng)度、氣溫變化、工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)周期的影響，環(huán)境空氣中污染物日變化特征為典型的“雙峰型”［11］，而烏魯木齊為“單峰型”的日變化特征，這說(shuō)明夜間不利的氣象條件對(duì)污染物濃度的分布起到主導(dǎo)作用。

2.2 NO2空間變化特征

NO2在各區(qū)域呈現(xiàn)出冬季較高，春季、秋季次之，夏季較低的變化趨勢(shì)。NO2的空間分布情況在不同季節(jié)不一致。在冬季，城市南部、中南部NO2均在0.08 mg/m3以上，顯著高于其他區(qū)域。該區(qū)域?qū)儆诎ㄉ骋腊涂藚^(qū)、水磨溝區(qū)、天山區(qū)在內(nèi)的老城區(qū)，屬于城市的中心城區(qū)，擁有全市2/3的城市人口、發(fā)電企業(yè)、供暖企業(yè)、車流量，NO2排放量明顯大于其他區(qū)域，在靜風(fēng)、逆溫不利氣象條件頻發(fā)的冬季，對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量影響嚴(yán)重。春季、秋季的分布規(guī)律較一致，城市西北部明顯低于其他區(qū)域。在夏季NO2各區(qū)域差值較小，整體空氣質(zhì)量相對(duì)于其他季節(jié)較好。

2.3 氣象因素對(duì)NO2分布規(guī)律的影響

污染物濃度變化與同期氣象因素之間具有非線性特征，風(fēng)速 ＜3 m/s時(shí)，ρ(NO2)＞0.08 mg/m3出現(xiàn)頻率較高(35%);風(fēng)速＞4 m/s時(shí)，ρ(NO2)＜0.08 mg/m3;而氣壓對(duì)NO2分布影響不大。氣溫和濕度對(duì)NO2的影響相反，當(dāng)氣溫較低時(shí)，NO2值較高;濕度較高時(shí)，NO2會(huì)保持在較高水平。烏魯木齊市NO2分布與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系明顯，而與氣溫、濕度的關(guān)系為非線性。

3 結(jié)論

(1)2008—2012年烏魯木齊市NO2年均值為0.065～0.068 mg/m3，超過(guò)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，基本保持穩(wěn)定。與其他城市相比，烏魯木齊市NO2污染嚴(yán)重;

(2)NO2污染呈明顯的季節(jié)變化，冬季污染較重，春節(jié)、秋季次之，夏季空氣質(zhì)量相對(duì)較好。呈現(xiàn)“單峰型”的日變化特征，夜間污染明顯高于白天;

(3)不同季節(jié)NO2的空間分布情況不一致，與交通、供暖、人口密度、地理位置密切相關(guān)。冬季城市南部、中南部NO2明顯高于其他區(qū)域;春季、秋季的分布規(guī)律較一致，城市西北部明顯低于其他區(qū)域;夏季NO2各區(qū)域差值較小;

(4)烏魯木齊市NO2分布與風(fēng)速相關(guān)關(guān)系明顯，而與氣溫、濕度的關(guān)系為非線性。

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