天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2時(shí)空變化及影響因素分析

閆晶潔,李艷紅①,馬瑩萍

(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(yàn)室/ 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室,新疆 烏魯木齊 830054)

大氣污染是當(dāng)今世界各國共同關(guān)注的話題之一,其中NO2和SO2是大氣污染物的重要組成成分。大氣中的NO2和SO2會(huì)刺激人類的上呼吸道黏膜,對人類的健康造成嚴(yán)重危害,其主要來源是機(jī)動(dòng)車尾氣排放和燃料燃燒等[1-4]。為解決這一危害,越來越多的學(xué)者開始對大氣NO2和SO2污染進(jìn)行研究。NO2和SO2濃度數(shù)據(jù)主要通過地面站點(diǎn)監(jiān)測、衛(wèi)星監(jiān)測以及地基多軸差分吸收光譜儀(MAX-DOAS)監(jiān)測獲取,其中地面站點(diǎn)監(jiān)測儀器較貴、體積較大、監(jiān)測點(diǎn)較為固定;衛(wèi)星監(jiān)測頻率則是一天掃描一次,監(jiān)測時(shí)間較短。MAX-DOAS監(jiān)測不僅可同地面站點(diǎn)、衛(wèi)星監(jiān)測的NO2、SO2濃度數(shù)據(jù)相關(guān)性較好,還具有可人為調(diào)整監(jiān)測時(shí)間、地點(diǎn)以及監(jiān)測方式,儀器攜帶方便,后期數(shù)據(jù)處理較為方便等優(yōu)點(diǎn)[5-7]。國內(nèi)對MAX-DOAS監(jiān)測的相關(guān)研究是在2000年左右開始的[8]。王東東等[9]利用該技術(shù)探討了南京江北地區(qū)的大氣污染物質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)SO2和NO2的日變化與局地排放源、大氣擴(kuò)散能力和人類活動(dòng)密切相關(guān);王珊珊[10]對上海城區(qū)和氣溶膠污染的反演方法展開研究,通過DOAS車載移動(dòng)發(fā)現(xiàn)中心城區(qū)的污染主要是機(jī)動(dòng)車源,受到人為活動(dòng)、車流量和機(jī)動(dòng)車運(yùn)行工況以及風(fēng)場條件等影響;胡麗莎等[11]利用DOAS監(jiān)測研究淮北地區(qū)冬季不同天氣下NO2濃度日變化特征,發(fā)現(xiàn)在NO2濃度較低時(shí)段主要為偏北風(fēng)場,NO2濃度高值時(shí)段偏南風(fēng)場增加,表明城區(qū)產(chǎn)生的污染向觀測區(qū)進(jìn)行了輸送。將研究結(jié)果與OMI衛(wèi)星結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。通過上述分析可知,MAX-DOAS技術(shù)具有實(shí)時(shí)、快速、靈活、高空間分辨率和科學(xué)性強(qiáng)等優(yōu)勢,但國內(nèi)對于MAX-DOAS技術(shù)的研究更多是在平原地貌城市開展的,在西北河谷型城市的研究較少,而西北地區(qū)是溫帶大陸性氣候區(qū),干旱、降水較少,非常適合被動(dòng)光譜觀測條件。

中國空氣質(zhì)量監(jiān)測平臺(tái)顯示,新疆2017年有4個(gè)月空氣質(zhì)量位居31個(gè)省份中的倒數(shù)3名之列,2018年有7個(gè)月位居倒數(shù)3名之列。天山北坡城市是新疆經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū),集中了全疆83%的重工業(yè)和62%的輕工業(yè),是“八五”與“九五”期間我國國土綜合開發(fā)的19個(gè)重點(diǎn)片區(qū)之一。天山北坡城市背靠天山山脈、地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣,面對阿爾泰山脈,是典型的河谷型城市[12]。該研究選取我國新疆天山山脈北坡東、中、西段的河谷型城市阜康市、烏蘇市和博樂市為研究區(qū),采用MAX-DOAS技術(shù)對研究區(qū)2017年1月—2018年12月的大氣NO2和SO2垂直柱濃度(VCD)進(jìn)行監(jiān)測,并結(jié)合同期的氣象數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)年鑒、工廠分布等數(shù)據(jù)研究天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2時(shí)空變化特征及影響因素,研究結(jié)果可為治理天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2污染提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 監(jiān)測地點(diǎn)

阜康市位于天山北麓東段、烏蘇市位于天山北麓中段、博樂市位于天山北麓西段,3個(gè)城市皆屬于河谷地形,大氣污染物不易擴(kuò)散。其中阜康市北部大部分為古爾班通古特沙漠,阜康市的工廠數(shù)量較多,現(xiàn)擁有甘泉堡、特變電工等大型化工廠,風(fēng)沙阻礙與工廠排污使得阜康市大氣中NO2和SO2濃度日益加大[13]。烏蘇市是新疆主要的礦區(qū)之一,與新疆的石化基地獨(dú)山子、新型商貿(mào)城奎屯市形成北疆“金三角”,礦物的開采煉化不斷加重烏蘇市的大氣NO2和SO2污染程度[14]。博樂市與哈薩克斯坦共和國接壤,擁有境內(nèi)國家一類開放口岸—阿拉山口口岸,是國家級邊境經(jīng)濟(jì)合作區(qū)和進(jìn)出口貿(mào)易加工區(qū),貨車來往頻繁,貨車尾氣排放加重了當(dāng)?shù)卮髿釴O2和SO2污染程度[15-16]。

1.2 監(jiān)測方法與監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)

于2017—2018年利用由海德堡大學(xué)和Hoffmann技術(shù)有限公司共同開發(fā)的便攜式MAX-DOAS設(shè)備,從09:00—19:00對研究區(qū)大氣NO2VCD和SO2VCD進(jìn)行定點(diǎn)及車載移動(dòng)監(jiān)測。阜康市的定點(diǎn)監(jiān)測區(qū)是在其東部城區(qū)的天賜賓館和西部城區(qū)的準(zhǔn)東賓館,移動(dòng)路線是沿G335和S301繞阜康市一圈;因?yàn)跆K市面積較小、城區(qū)集中,故烏蘇市的定點(diǎn)監(jiān)測區(qū)只布設(shè)在其城區(qū)西方的金都商務(wù)賓館,移動(dòng)路線是沿S115、北京東路和奎河路繞烏蘇市一圈;博樂市的定點(diǎn)監(jiān)測區(qū)是在其北部城區(qū)的東港大酒店和南部城區(qū)的米蘭快捷賓館,移動(dòng)路線是沿S205和S304繞博樂市一圈。MAX-DOAS觀測是利用朗伯比爾定律中光強(qiáng)測物質(zhì)濃度的基本原理,通過光強(qiáng)差異得到NO2VCD和SO2VCD(單位為每cm2的分子個(gè)數(shù));結(jié)合地面勢數(shù)據(jù)(http:∥www.gscloud.cn/)和氣象數(shù)據(jù)(https:∥data.cma.cn/),通過對天山北坡城市的地勢及風(fēng)向風(fēng)速的特征討論其對研究區(qū)大氣NO2和SO2污染的影響;再利用后向軌跡聚類數(shù)據(jù)〔由美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供(ftp:∥arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas0p5)〕對大氣污染物的不同的輸送態(tài)勢分類,設(shè)定相對地面高度為500 m,后向追溯的時(shí)間為48 h,通過氣團(tuán)的流向分布模擬研究區(qū)氣團(tuán)的軌跡聚類,通過聚類分析天山北坡城市外來氣流的輸送對本地大氣NO2和SO2濃度的影響[17-18];最后再結(jié)合全國排污許可證管理信息平臺(tái)數(shù)據(jù)(http:∥permit.mee.gov.cn)得到工廠分布、車流量實(shí)測數(shù)據(jù)來分析產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對當(dāng)?shù)卮髿釴O2和SO2污染的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣NO2 VCD和SO2 VCD的時(shí)間變化特征

MAX-DOAS是以太陽光為光源的被動(dòng)光譜技術(shù),只有白天可以獲取數(shù)據(jù),因此該文敘述的NO2VCD和SO2VCD皆為白天的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn),太陽的天頂角大于75°時(shí)的SO2光譜數(shù)據(jù)反演誤差過大不易采用,故采用的大氣SO2VCD日變化覆蓋時(shí)段較NO2VCD略短(11:00—17:00數(shù)據(jù))。由圖1可看出阜康市、烏蘇市和博樂市的大氣 NO2VCD高于SO2VCD,且NO2VCD和SO2VCD四季平均日變化形態(tài)基本呈現(xiàn)中午低、早上和傍晚高的特征,這主要是因?yàn)?9:00—10:00和19:00 是新疆早、晚高峰的時(shí)間,車流量最大,大量的尾氣排放使得大氣中NO2VCD增加;中午太陽光照強(qiáng)度最大,光化學(xué)反應(yīng)分解部分大氣中的NO2和SO2,因此中午大氣中的NO2和SO2較少。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)大氣NO2 VCD和SO2 VCD的日變化特征Fig.1 Diurnal variation characteristics of NO2VCD and SO2 VCD in atmosphere at monitoring points

由圖2可知,天山北坡城市各監(jiān)測點(diǎn)NO2VCD和SO2VCD季節(jié)變化趨勢基本一致,均是冬季>春季>秋季>夏季,這主要是因?yàn)樾陆牟膳趶?0月中旬開始至來年的3月中旬結(jié)束,因此大量的燃煤使得新疆冬季、春季、秋季的大氣中的NO2VCD、SO2VCD不斷增加,加上冬季車輛行駛緩慢、滯留時(shí)間長從而產(chǎn)生大量NO2和SO2,且新疆冬季逆溫層厚，阻礙大氣污染物的擴(kuò)散,進(jìn)一步增加了大氣中的NO2VCD和SO2VCD。因此在后期的城市環(huán)境建設(shè)中,可對車輛較多的城市實(shí)施限號(hào)出行的政策,生態(tài)環(huán)境部門可對新疆燃煤期實(shí)行燃煤溫度的控制,合理減少燃煤量并使用無煙煤,以此來降低城市大氣NO2和SO2污染。

該時(shí)間變化特征與劉巖等[19]利用DOAS監(jiān)測發(fā)現(xiàn)烏魯木齊市大氣NO2濃度早晚高中午低這一特征一致;與王莉莉等[20]利用中國空氣質(zhì)量監(jiān)測平臺(tái)數(shù)據(jù)和DOAS數(shù)據(jù)相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)新疆庫爾勒市大氣NO2濃度冬季最高、夏季最低這一特征相似。不同的是,經(jīng)過DOAS技術(shù)的改進(jìn),該文添加了對大氣SO2VCD的研究,并加入了移動(dòng)監(jiān)測、外來氣團(tuán)影響和產(chǎn)業(yè)布局的影響,能夠更細(xì)致地分析導(dǎo)致大氣污染的原因。

圖2 監(jiān)測點(diǎn)大氣NO2 VCD和SO2 VCD的四季變化特征Fig.2 Seasonal variation characteristics of NO2 VCD and SO2 VCD at monitoring points

2.2 大氣NO2 VCD移動(dòng)監(jiān)測變化特征

從圖3可看出,不同研究區(qū)的大氣NO2VCD的空間分布特征不同,阜康市夏季NO2VCD的最大值為5.419×1015cm-2(以分子數(shù)計(jì)，下同),冬季NO2VCD的最大值為17.423×1015cm-2,污染嚴(yán)重的地區(qū)主要是西部和南部的工廠附近以及一些交通干道處;烏蘇市夏季NO2VCD的最大值為5.681×1015cm-2,冬季NO2VCD的最大值為15.871×1015cm-2,污染嚴(yán)重的地區(qū)主要是西南方的工廠和交通干道密集處;博樂市夏季NO2VCD的最大值為5.022×1015cm-2,冬季NO2VCD的最大值為14.037×1015cm-2,污染嚴(yán)重的地區(qū)主要是北部和南部的工廠和交通要道處。由此可見工業(yè)排放和汽車尾氣排放對大氣NO2濃度貢獻(xiàn)較大。整體來看,研究區(qū)的冬季大氣NO2VCD大于夏季,這一結(jié)果與定點(diǎn)監(jiān)測分析結(jié)果一致;同一研究區(qū)冬季重污染區(qū)的范圍比夏季大,并且南部污染較嚴(yán)重,這主要是新疆冬季的逆溫層較厚,且研究區(qū)背靠天山山脈,大氣污染物不易擴(kuò)散,尤其是山腳下大氣污染物易堆積,加重大氣NO2VCD。對于污染嚴(yán)重路段應(yīng)實(shí)施相應(yīng)的治理措施,如對車輛多的路段進(jìn)行改道,對工廠多的地區(qū)統(tǒng)一管理,并不定期監(jiān)測工廠生產(chǎn)排污情況等。

2.3 影響因素

2.3.1自然因素

新疆屬于大陸性氣候區(qū),四季分明,年內(nèi)溫差變幅大[21-22]。研究區(qū)地勢南高北低,由于山坡散熱快,冷空氣循山坡下沉到谷底,谷底原來的暖空氣被冷空氣抬擠上升,從而出現(xiàn)氣溫的倒置現(xiàn)象,尤其冬季冷空氣重,易沉聚谷底,造成下冷上熱的現(xiàn)象,產(chǎn)生逆溫層,谷底的大氣污染物就更加不易擴(kuò)散。3個(gè)城市中博樂市風(fēng)速及頻率最大,烏蘇市次之,阜康市最低;阜康市以西南風(fēng)為主、烏蘇市以西風(fēng)為主,而阜康市和烏蘇市的工廠大部分在城市西部,因此每當(dāng)刮西風(fēng)的時(shí)候會(huì)將工廠附近的污染物吹向市區(qū),加大市區(qū)的污染,而博樂市的工廠大部分在城市南部,且博樂市的西北方處有大風(fēng)口,大氣污染物能快速擴(kuò)散,減小大氣污染程度。

利用HYLPSIT對研究區(qū)外來氣團(tuán)軌跡聚類,得到圖4所示的不同方向的氣團(tuán)傳輸軌跡,可看出經(jīng)過研究區(qū)的外來氣團(tuán)主要從北方、西方和南方而來,其中西方的氣團(tuán)軌跡最長,移動(dòng)速度最快。

圖3 各城市大氣監(jiān)測點(diǎn)NO2 VCD 的空間分布Fig.3 Spatial distribution of NO2 VCD in atmosphere at monitoring points

北方來的氣團(tuán)主要途徑古爾班通古特沙漠、克拉瑪依市、烏魯木齊市,西方來的氣團(tuán)主要途徑塔城、博州、烏蘇等地,南方的氣團(tuán)主要是從天山山脈南部及北部的山腳下而來,從沙漠而來的氣團(tuán)會(huì)攜帶較多塵埃，降低大氣能見度,減少光照,阻止大氣中的NO2和SO2分解;烏蘇市是重要礦區(qū),烏魯木齊市是新疆經(jīng)濟(jì)文化匯聚中心,克拉瑪依市是石油城市、獨(dú)庫公路是旅游勝地，來往車輛較多,這些地區(qū)的大氣NO2和SO2污染均較大,途徑這些地區(qū)的氣團(tuán)會(huì)攜帶當(dāng)?shù)卮髿庵械牟糠治廴疚飦淼窖芯繀^(qū),進(jìn)一步加重研究區(qū)的大氣污染;從天山山脈南部而來的氣團(tuán)會(huì)攜帶塵土進(jìn)入市區(qū),從天山山脈北部的山腳下來的氣團(tuán)會(huì)攜帶原本就堆積在山腳下未擴(kuò)散的污染物進(jìn)入市區(qū),加重市區(qū)的大氣污染。以上分析說明外來氣團(tuán)是加重天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2污染的原因之一。

在今后的城市布局中,可盡量將工廠布局在城市的下風(fēng)向處,以減少工廠排污對市區(qū)的污染,對于新城區(qū)的修建也可以考遠(yuǎn)慮離天山腳下,對于靠近沙漠的城市應(yīng)多種植植被降低風(fēng)沙,盡量減少外來氣團(tuán)所攜帶的污染物對城市大氣的污染。此外，在今后的研究中不僅要考慮本地的污染源，也要考慮外來污染情況。

圖4 研究區(qū)氣團(tuán)軌跡聚類Fig.4 Clustering of air mass trajectories in the study area

2.3.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

大氣中NO2和SO2濃度與城市GDP、燃料燃燒、車輛尾氣排放等因素有關(guān),NO2和SO2高濃度區(qū)基本與這些高排放污染源的分布一致[23]。根據(jù)新疆2017統(tǒng)計(jì)年鑒可知,阜康市、烏蘇市和博樂市第一產(chǎn)業(yè)所占比列分別為16.3%、38.2%和18%,第二產(chǎn)業(yè)所占比列分別為58.2%、30.4%和32.7%,第三產(chǎn)業(yè)所占比例分別為25.5%、31.4%和49.3%;從表1和圖5可知,天山北坡城市的工廠分布數(shù)量自阜康市向博樂市逐漸遞減,車流量為博樂市>阜康市>烏蘇市,且春秋車流量最大,冬季最低。綜上可知,阜康市以第二產(chǎn)業(yè)為主，烏蘇市以第一產(chǎn)業(yè)為主，博樂市以第三產(chǎn)業(yè)為主,工廠排污對阜康市大氣污染影響較大,汽車尾氣排放對博樂市大氣污染影響更大一些,而烏蘇市以農(nóng)業(yè)為主,因此烏蘇市大氣污染程度比阜康市與博樂市小。可看出研究區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同,造成的大氣污染程度也不同,以第一產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染程度最低,以第三產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染程度較低,以第二產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染程度最嚴(yán)重。因此工業(yè)與車流輛對一個(gè)城市的污染具有較大的影響,為更好地響應(yīng)環(huán)保政策,政府可以對工廠排污做出相應(yīng)的限制以及對車輛出行和清潔能源的使用提出相應(yīng)的鼓勵(lì)政策,以此來降低天山北坡城市大氣污染程度。大氣NO2和SO2的污染來源是復(fù)雜、多變且范圍較廣的,因此今后應(yīng)多角度、全方面地研究大氣NO2、SO2污染,為天山北坡城市的大氣防控工作提供更加全面的依據(jù)。

表1 研究區(qū)工業(yè)布局分析

圖5 研究區(qū)車流量統(tǒng)計(jì)Fig.5 The traffic flow statistics of the study area

3 結(jié)論

(1)從日變化來看,阜康市、烏蘇市和博樂市同一時(shí)刻的大氣中NO2VCD大于SO2VCD,且3個(gè)城市的大氣 NO2VCD和SO2VCD四季平均日變化形態(tài)基本呈現(xiàn)中午低、早上和傍晚高的特征。從季節(jié)上來看NO2VCD和SO2VCD從大到小依次為冬季>春季>秋季>夏季。

(2)從空間上來看,阜康市、烏蘇市和博樂市夏季NO2VCD的最大值分別為5.419×1015、5.681×1015、5.022×1015cm-2,冬季最大值為17.423×1015、15.871×1015、14.037×1015cm-2,天山北坡河谷型城市城市冬季大氣NO2VCD大于夏季,NO2污染嚴(yán)重的地區(qū)主要在工廠、交通干道以及天山山脈附近。

(3)研究區(qū)皆為河谷型城市,且晝夜溫差大,易產(chǎn)生逆溫層,大氣污染物不易擴(kuò)散;阜康市和烏蘇市的工廠布局大多在西邊,博樂市工廠主要分布在南部,且博樂市處于大風(fēng)口處,因此每當(dāng)刮西風(fēng)時(shí)阜康市與烏蘇市大氣污染會(huì)加重,博樂市大氣污染會(huì)降低;外來氣團(tuán)是加重天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2污染的原因之一。

(4)從GDP來看阜康市以第二產(chǎn)業(yè)為主,烏蘇市以第一產(chǎn)業(yè)為主,博樂市以第三產(chǎn)業(yè)為主,天山北坡城市的工廠分布數(shù)量自阜康市向博樂市逐漸遞減,車流量從大到小依次為博樂市>阜康市>烏蘇市,且春秋車流量最大、冬季最低。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同的城市大氣污染程度不同,第一產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染最低、第三產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染次之,第二產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染最嚴(yán)重。