2005-2015年四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度變化趨勢(shì)

符 芳，吳 靜，朱 斌

(1.資溪縣氣象局，撫州 335300；2.進(jìn)賢縣氣象局，南昌 331700；3.黎川縣氣象局，撫州 344600)

0 引言

大氣中氮氧化物(NOX)由一氧化氮(NO)和二氧化氮(NO2)組成，其中NO2是對(duì)流層中主要污染氣體[1]，參與酸雨、酸霧和光化學(xué)煙霧的產(chǎn)生[2]，并且經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后會(huì)產(chǎn)生臭氧(O3)和其他光化學(xué)二次污染物。對(duì)流層高含量的NO2，不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，而且危及到人類的健康狀況。

大氣中NO2主要有兩個(gè)來源：自然源和人為源。自然源包括閃電過程、微生物過程、土壤和海洋排放；人為源包括化石燃料和生物質(zhì)燃燒 。全球范圍內(nèi)，中國東部NO2含量偏高，尤其是石家莊和北京的NO2含量在全球主要城市中“名列前茅”[3]。很多國內(nèi)外學(xué)者和專家研究了中國地區(qū)及其主要省市大氣中NO2的變化特征：周春艷等選取長江三角洲進(jìn)行研究，探索其近10 a對(duì)流層NO2濃度時(shí)空變化以及影響因子[4]；游志強(qiáng)等則對(duì)京津冀地區(qū)NO2濃度進(jìn)行深入研究，分析其分布特征和變化趨勢(shì)[5]。學(xué)者大多關(guān)注中國東部的大氣NO2變化特征，但四川盆地作為中國4大NO2濃度高值區(qū)之一，對(duì)其研究較少。四川盆地南部工業(yè)較發(fā)達(dá)，人口密集，年排放NO2濃度高，加之四川盆地四周群山環(huán)繞，中間地勢(shì)低，氣候溫暖宜人、全年陰天日數(shù)多、降水多[6]，使得四川盆地NO2污染加重。

文章選取四川盆地南部作為研究對(duì)象，利用OMI獲取數(shù)據(jù)，探索四川盆地南部對(duì)流層NO2濃度的變化趨勢(shì)，期望對(duì)四川盆地的大氣環(huán)境的研究和污染治理提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)域

文章研究區(qū)域?yàn)樗拇ㄅ璧啬喜?，從地形上來看，四川盆地南部屬于低山丘陵區(qū)，盆地邊緣部分為低山，盆地北部屬于中高山區(qū)[7]。其經(jīng)緯度范圍為103°6184′E～106°3872′E，27°6655′N～30°0457′N，地處亞熱帶濕潤氣候區(qū)，年降水量約3970～5208 mm，降水主要集中在6-9月，年均氣溫為15～28 ℃。四川盆地南部由四川省自貢、宜賓、內(nèi)江和瀘州組成，這4個(gè)城市也是川南地區(qū)主要構(gòu)成體。川南經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展較快，是僅次于成綿樂經(jīng)濟(jì)圈的經(jīng)濟(jì)聯(lián)合體。近年來，其工業(yè)發(fā)展迅猛，空氣污染嚴(yán)重，空氣質(zhì)量問題突出。

1.2 數(shù)據(jù)來源

文章所選用數(shù)據(jù)來自荷蘭皇家氣象研究所(KNMI)提供的OMI，自大氣污染監(jiān)測(cè)網(wǎng)(TEMIS)下載得到2005年1月—2016年2月全球范圍NO2排放月平均值(.asc文件)，空間分辨率為0.125°×0.125°，單位是1013 molec/cm2；使用Surfer 將四川盆地南部分割成網(wǎng)格，選取區(qū)域內(nèi)51個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)緯度為103°9375′E～106°1875′E，27°9375′N～29°9375′N，精度為0.25°×0.25°；利用Matlab(R2012b)編程，獲取坐標(biāo)點(diǎn)濃度數(shù)據(jù)，刪除缺省值(-999)和誤差值(負(fù)值)。將表格濃度數(shù)據(jù)單位采用科學(xué)計(jì)數(shù)法轉(zhuǎn)化為1015molec/cm2。四川盆地南部GRP數(shù)據(jù)來自2005—2015年4個(gè)城市的《國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》。

2 結(jié)果與分析

2.1 四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度時(shí)間變化

2.1.1 NO2柱濃度的年變化

如圖1所示，2005年和2006年四川盆地南部地區(qū)對(duì)流層NO2柱濃度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，2007年對(duì)流層NO2柱濃度較2006年有所上升，2008年相對(duì)2007年對(duì)流層NO2柱濃度有所下降。2008—2012年，對(duì)流層NO2柱濃度逐年增長。2010年和2011年對(duì)流層NO2柱濃度基本持平，2012年的對(duì)流層NO2柱濃度達(dá)最大值5.4×1015molec/cm2，2013—2015年對(duì)流層NO2柱濃度逐年遞減，但2015年仍然比2006年和2008年高。

圖1 2005—2015年四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度的月均值以及年均值

四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度值月均值呈周期性變化，1 a為1個(gè)周期，呈V字型分布。2005—2015年，四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度最高值出現(xiàn)在2013年1月，為13.5×1015molec/cm2；最低值則出現(xiàn)在2015年8月，為1.9×1015molec/cm2。

2005年四川省政府響應(yīng)科學(xué)發(fā)展觀號(hào)召，提出建設(shè)生態(tài)四川的戰(zhàn)略目標(biāo)，大力排查工業(yè)污染源和城市污染源，全面整治農(nóng)村污染源；編寫發(fā)布《四川生態(tài)省建設(shè)規(guī)劃綱要》并提出目標(biāo)任務(wù)：2006年全面啟動(dòng)生態(tài)四川建設(shè)，通過5 a時(shí)間，55%以上城市空氣環(huán)境質(zhì)量達(dá)標(biāo)等。2005—2006年對(duì)流層NO2柱濃度明顯下降，說明全面啟動(dòng)生態(tài)四川建設(shè)取得了成效。2008年四川省發(fā)生5·12汶川大地震，自貢市、宜賓市和內(nèi)江市的大多數(shù)區(qū)縣受到嚴(yán)重影響，地震使得工廠企業(yè)運(yùn)作減慢停滯。震后，整個(gè)災(zāi)區(qū)項(xiàng)目重建，拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長。2008—2012年四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度上升。2013年國務(wù)院下發(fā)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》10條措施，提出污染行業(yè)要加快脫硫、脫硝、除塵等一系列改造工程建設(shè)；除循環(huán)流化床鍋爐之外的燃煤機(jī)組全部需要安裝脫硝設(shè)備；新型干法水泥窯則采用低氮燃燒技術(shù)改造并且需要安裝脫硝設(shè)施。四川省人民政府認(rèn)真貫徹執(zhí)行，這是使盆地南部大氣NO2柱濃度在2013年以后下降的一個(gè)重要原因。

2.1.2 NO2柱濃度的季節(jié)變化

夏季對(duì)流層NO2柱濃度值最低為8.3×1015molec/cm2；其次是春季為11.6×1015molec/cm2；再次是秋季為12.8×1015molec/cm2；冬季最高為19.7×1015molec/cm2。近10 a以來，夏季對(duì)流層NO2柱濃度比較穩(wěn)定，含量一直保持為低值。春季和秋季對(duì)流層NO2柱濃度波動(dòng)較小，冬季對(duì)流層NO2柱濃度的波動(dòng)較大且有上升的趨勢(shì)。2012年冬季，對(duì)流層NO2柱濃度最高為33×1015molec/cm2，2015年夏季對(duì)流層NO2柱濃度最低為7.1×1015molec/cm2。

冬季盆地干旱少雨，風(fēng)速小，大氣層結(jié)穩(wěn)定易出現(xiàn)逆溫層[8]，導(dǎo)致盆地南部的擴(kuò)散運(yùn)輸能力差，不利于污染物擴(kuò)散，使NO2濃度更高。夏季盆地南部降水多于其他季節(jié)，降水能清除大氣污染物，降低NO2濃度，并且太陽輻射強(qiáng)、氣溫高，NO2光解濃度會(huì)降低，所以夏季對(duì)流層NO2含量最低。

2.1.3 NO2柱濃度的月變化

圖2表示2005—2015年四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度月均值變化情況。2005—2015年相同月份的平均值用柱狀圖顯示，相同月份的標(biāo)準(zhǔn)差則誤差棒表示。對(duì)流層NO2柱濃度從1月開始遞減，在7月達(dá)到最小值2.5×1015molec/cm2，從7月開始上升，至12月達(dá)到最大值8×1015molec/cm2，趨勢(shì)類似 “凹”字。12個(gè)月中最大的標(biāo)準(zhǔn)差出現(xiàn)在1月和12月，12月的對(duì)流層NO2柱濃度變化最大；最小的標(biāo)準(zhǔn)差則是出現(xiàn)在7月，對(duì)流層NO2柱濃度變化最小。1月、2月和12月為冬季，氣溫較低，燃料燃燒消耗量增多，同時(shí)降水少，對(duì)NO2柱濃度的清除作用減小，導(dǎo)致NO2柱濃度值很高。

圖2 2005-2015年四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度值月均值變化

2.2 NO2柱濃度空間變化

對(duì)流層NO2柱濃度高值區(qū)在盆地南部的盆地地形處，低值區(qū)在盆地南部的山地地形處。低值區(qū)所在范圍變化小，高值區(qū)范圍在2012年、2013年有擴(kuò)大現(xiàn)象。2014年和2015年，高值區(qū)范圍有所減小。宜賓市上空NO2柱濃度在2005年最高，之后是先降后升的波動(dòng)狀態(tài)，總的來說宜賓市NO2柱濃度在降低。內(nèi)江市和自貢市NO2柱濃度呈現(xiàn)“降升降”的趨勢(shì)，但自貢上空NO2柱濃度比內(nèi)江要高。前期瀘州市NO2柱濃度基本上比較低，但從2009年NO2濃度開始上升，之后取代宜賓市成為NO2柱濃度高值中心。高值中心在2005—2015年從宜賓市轉(zhuǎn)移到瀘州市。從全年平均空間分布圖上可以直觀地看到，高值中心出現(xiàn)在城市中心及其四周，在盆地底部，宜賓市中心以南的盆地邊緣山地的對(duì)流層NO2柱濃度值小。

四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度值與城市的地理位置、地形和經(jīng)濟(jì)發(fā)展有關(guān)。盆地南部的北方是盆地底部，是城市中心所在地，也是工廠、企業(yè)的聚集地，南方是盆地邊緣的山地，阻擋NO2向南擴(kuò)散。內(nèi)江經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)的機(jī)械、汽配、電子、生物制藥等產(chǎn)業(yè)會(huì)加重大氣中NO2污染程度；自貢是工業(yè)重鎮(zhèn)，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)2012年有101個(gè)重大項(xiàng)目，其中包含的工業(yè)產(chǎn)業(yè)類重大項(xiàng)目增加了大氣中NO2濃度值；宜賓市全市共有15個(gè)工業(yè)區(qū)，其中翠屏區(qū)有3個(gè)工業(yè)區(qū)，這15個(gè)工業(yè)區(qū)包含機(jī)械、化工、電子、建材、食品、印刷、生物制藥等產(chǎn)業(yè)；瀘州的化工產(chǎn)業(yè)聞名遐邇，國家重要的天然氣化工基地和尿素生產(chǎn)基地均坐落在瀘州，中國9大工程機(jī)械生產(chǎn)基地也位于瀘州，其生產(chǎn)規(guī)模在長江沿岸城市中僅低于上海。經(jīng)濟(jì)發(fā)展較好的市區(qū)及其四周與全年平均NO2柱濃度的較高區(qū)域相對(duì)應(yīng)。

在每個(gè)季節(jié)中，4個(gè)市中心的NO2柱濃度均高于其他地區(qū)。市中心人口密集、活動(dòng)頻繁，汽車排放，企業(yè)排放，使得市中心比其他地區(qū)的NO2柱濃度高。4個(gè)城市中心的NO2柱濃度在春季和秋季沒有顯著的差異，但是內(nèi)江市在秋季NO2柱濃度高于春季；在夏季4個(gè)市中心NO2柱濃度相比其他3個(gè)季節(jié)是最小的；在冬季，盆地南部的盆地部分NO2柱濃度與山地有明顯的差異，而且自貢市中心NO2柱濃度最高，其他3個(gè)市中心的NO2柱濃度也偏高。

2.3 NO2柱濃度的影響因素

2.3.1 自然因素

四川盆地南部包括盆地和邊緣山地。盆地底部是人口聚集地和人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所，NO2柱濃度偏高。盆地周圍的山地地形較盆地來說，地勢(shì)高，人類活動(dòng)少，不利于NO2擴(kuò)散，造成NO2在盆地底部堆積，NO2柱濃度高值區(qū)均出現(xiàn)在盆地底部城市，如宜賓、自貢、內(nèi)江、瀘州等主要城市。排入大氣的NO2濃度是會(huì)改變的，且受氣象條件影響，譬如降水、風(fēng)、氣溫、太陽輻射、逆溫等皆會(huì)影響到NO2柱濃度。四川盆地南部降水集中在6—9月，夏季降水最高，冬季最少。NO2柱濃度在夏季最低，在冬季最高。夏季，四川盆地南部經(jīng)太陽照射時(shí)間長，氣溫高，同時(shí)NO2性質(zhì)不穩(wěn)定，會(huì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，分解成NO和O，所以NO2柱濃度在夏季最低。四川盆地南部全年少有大風(fēng)，多是微風(fēng)，不利于NO2的擴(kuò)散。

2.3.2 人為因素

人為因素主要有企業(yè)工廠排放和汽車尾氣排放。經(jīng)濟(jì)增長的同時(shí)，環(huán)境污染也越發(fā)嚴(yán)重。地區(qū)生產(chǎn)總值(GRP)可以反映企業(yè)工廠排放的NO2。從圖3中可以看出，四川盆地南部GRP逐年遞增，2012年突破4000億元，相當(dāng)于4個(gè)城市每個(gè)市的GRP達(dá)千億元，NO2柱濃度同步達(dá)到最高值，之后GRP增長有所減緩，NO2柱濃度也隨之減低。李龍等提出GRP和NO2柱濃度兩者之間的相關(guān)系數(shù)能夠反映在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中NO2污染對(duì)環(huán)境所造成的代價(jià)[9]。

圖3 2005—2015年四川盆地南部GRP及年均NO2柱濃度

根據(jù)2005—2015年的年平均NO2柱濃度數(shù)據(jù)和GRP，利用Excel中的相關(guān)系數(shù)函數(shù)，得到二者之間的相關(guān)系數(shù)，為0.427558，表明四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度與企業(yè)工廠燃料燃燒有關(guān)。盆地南部城市的工業(yè)區(qū)數(shù)目多。特別是化工園區(qū)，是省培育成長型超100億元特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)，煤化工和石化深加工是重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)鏈，同樣是排放NO2等大氣污染物的產(chǎn)業(yè)鏈。

3 結(jié)束語

文章使用2005年1月—2016年2月OMI反演的NO2柱濃度數(shù)據(jù)，分析了四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度的變化趨勢(shì)，結(jié)果表明：

1)NO2柱濃度在2005-2015年整體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，2005—2007年先降后升，2008年下降，2009—2012年持續(xù)上升，2013—2015年開始下降。冬季NO2柱濃度19.7×1015molec/cm2>秋季12.8×1015molec/cm2>春季11.6×1015molec/cm2>夏季8.3×1015molec/cm2。對(duì)流層NO2柱濃度峰值出現(xiàn)在1月和12月，低值則在7月。

2)NO2柱濃度空間分布特征表現(xiàn)為盆地底部即研究區(qū)域北部的NO2柱濃度值要明顯高于邊緣山地即研究區(qū)域南部。邊緣山地的NO2柱濃度一直為低值。盆地底部的城市中心NO2柱濃度最高，向四周遞減。高值中心前期在宜賓市，后期轉(zhuǎn)移至瀘州市。

3)影響NO2柱濃度有降水、氣溫、太陽輻射、地形地貌等自然因子和企業(yè)工廠排放、汽車尾氣等人為因子。工廠燃料的燃燒對(duì)四川盆地南部對(duì)流層NO2柱濃度的變化影響較大。