乌鲁木齐市冬季采暖期对流层NO2柱浓度变化特征

马雯，李艳红*，侯小刚

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2. 新疆维吾尔自治区重点实验室//新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；3. 新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002

乌鲁木齐市冬季采暖期对流层NO2柱浓度变化特征

马雯1，2，李艳红1，2*，侯小刚3

1. 新疆师范大学地理科学与旅游学院，新疆 乌鲁木齐 830054；2. 新疆维吾尔自治区重点实验室//新疆干旱区湖泊环境与资源实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；3. 新疆维吾尔自治区气候中心，新疆 乌鲁木齐 830002

NO2是大气对流层的一种痕量气体，也是城市空气污染的重要监测指标，影响着生态环境和人体健康。特殊的地形及不利于污染物扩散的天气条件，使得乌鲁木齐市冬季采暖期大气污染最为严重。2014—2016年采暖期（11月至翌年3月）在乌鲁木齐市城中心（市区）和城北部（工业园区）利用地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）对大气NO2进行了监测，探讨NO2柱浓度的变化特征及其污染来源。结果表明，（1）与2014—2015年采暖期相比，2015—2016年采暖期市区监测站点NO2柱浓度下降了6.8%，工业园区监测站点上升了28.5%；NO2柱浓度月均值表现出12月最大，3月最小，浓度范围是3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2；两监测站NO2柱浓度日变化明显，市区晚上偏高；工业园区早晚偏高，且晚大于早。（2）64%～71%的NO2柱浓度的逐日变化由气象要素决定，其中平均风速对NO2柱浓度的影响最显著；市区NO2的污染源主要分布在东、东北和西南方向，正南北方向的风对NO2有扩散作用；工业园区NO2的污染源来自西北和东南方向，南风及偏东风对NO2具有扩散作用。（3）乌鲁木齐市“煤改气”工程初见成效，而市周边工业园区及机动车尾气排放仍是大气污染治理的重点。

NO2柱浓度；采暖期；气象条件；乌鲁木齐市

乌鲁木齐市作为新疆维吾尔自治区首府，是全区政治、文化、经济中心，一直以来是我国城市大气污染最严重的城市之一（张兴赢等，2007；何丽等，2014）。乌鲁木齐市地处天山中段北麓、准噶尔盆地南缘，属温带大陆性干旱气候。受山脉、峡谷特殊的地形影响，再加上不利于污染物扩散的气象条件，即常年逆温的存在，乌鲁木齐市的大气污染相当严重，特别在冬季采暖期表现得最为明显。稳高压、大雾、静风天气现象的频繁出现，导致乌鲁木齐市的大气污染物在水平和垂直方向扩散能力较弱，近地面层污染物持续累积，造成乌鲁木齐市大气环境污染居高不下（魏毅等，2008；王春华等，2010）。自1998年3个“蓝天工程”及2012年“煤改气”工程相继实施后，乌鲁木齐市空气质量整体有好转趋势，污染物SO2和PM10开始呈现不同程度的下降，但由于机动车辆的快速增加及燃煤设施脱硝处理的滞后（朱文玲等，2012），导致NO2的权重呈上升趋势（郑健，2014；李军等，2014）。2004—2014年间，乌鲁木齐市成为全国大气NO2浓度的高值区（闫欢欢等，2015）。目前，乌鲁木齐市大气污染特征开始从煤烟型污染向煤烟和机动车尾气混合型污染转换，其空气污染治理依然是政府和各界人士关注的焦点问题。2014年，乌鲁木齐市经济稳步发展，国内生产总值（GDP）、机动车辆、建成面积分别较上年增加了10.5%、16.2、5.11%。在此背景下，乌鲁木齐市大气中的NO2浓度出现怎样的变化，大气污染治理是否有成效，对这些问题的科学回答可为今后乌鲁木齐市大气污染治理提供数据参考。

本研究选择在乌鲁木齐市冬季耗煤量占总耗煤量三分之二以上的采暖期，通过在市区和工业园区布点，采用地基多轴差分吸收光谱仪监测对流层NO2的垂直分布和日变化，了解大气NO2的污染程度，分析NO2的污染源及输送通道。

1　数据与方法

1.1监测布点和数据

以环境空气质量国控点作为参考，在乌鲁木齐市建成区设置了市区和工业园区两个监测点，监测站点覆盖了区域内各环境质量功能区，可以保证监测数据能够充分代表研究区域的NO2污染信息。其中，市区监测站点位于沙依巴克区新疆师范大学内，离市监测站1 km左右，周边多为商业区、居民区、学校，区域NO2排放源主要是交通车辆；工业园区监测站点位于米东区环保局附近的中泰化工园内，区域NO2排放源是工业和交通车辆。乌鲁木齐市冬季严寒漫长，采暖期长达6个月（10月中旬至翌年4月中旬），对煤和天然气的需求量较大。本研究选择2014—2016年冬季采暖期的11月—翌年3月为监测时间段，每天连续监测11 h，从9:00—19:00。气象数据为对应时段乌鲁木齐市和米东区气象站的常规气象数据。

1.2监测方法

地基多轴差分吸收光谱仪是一种先进的大气成分遥感仪器，对地面几千米大气中的吸收物质很敏感，与传统的站点环境监测手段相比，其遥感观测结果更具有区域代表性，被广泛应用于大气环境监测领域（司福祺等，2009；石鹏等，2010）。它是通过观测不同仰角散射的太阳光来反演NO2的斜柱浓度信息，再利用公式计算得到垂直柱浓度。仪器架设时观测桶的方向朝北，且保证无高大建筑物遮挡。数据处理使用Windoas软件，选取测量时段内较为“干净”的光谱作为参考谱（Fay et al.，2001），在410～445 nm波段内反演。在反演过程中用HCHO、NO2、O3、O4及Ring结构去除干扰，其中Ring结构的获取是参考谱通过DOAS软件（德国海德堡大学开发）计算产生的（Bracher et al.， 2005）。为了方便，我们选取30°仰角的观测数据进行分析（李蔚等，2013）。

图1　乌鲁木齐市采暖期对流层NO2柱浓度月分布Fig. 1　Monthly distribution of NO2VCD in the heating period of Urumqi

2　结果分析

2.1NO2柱浓度的月差异

图1给出了乌鲁木齐市两个监测站点在2014—2016年采暖期间不同月份的NO2柱浓度信息，其中2014—2015年采暖期为2014年11月至翌年3月，2015—2016年采暖期为2015年11月至翌年3月。可以看出，2014—2015年乌鲁木齐采暖期市区和工业园监测站点大气对流层NO2柱浓度均值分别为11.964×1015、9.134×1015molec·cm-2，月平均值均表现出12月最大；2015—2016年采暖期市区和工业园监测站点大气对流层NO2柱浓度均值分别为11.205×1015、12.770×1015molec·cm-2，月均值峰值分别出现在1月、12月。已有的研究发现NO2月均值峰值出现在1月和12月的主要原因是新疆冬季采暖期常伴有逆温现象，1月层结最大（胡晏玲等，2006），12月次之；新疆气象学会公布的最新数据显示，2015年11月—2016年2月期间乌鲁木齐大雾天数有84 d，其中1月所占天数比例达到34.5%。2014—2016年采暖期不同月份间的NO2柱浓度值的变化范围在3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2之间，其中市区NO2月均柱浓度最大值是最小值的2.2倍，工业园区NO2月均柱浓度最大值是最小值的6倍；乌鲁木齐市市区NO2柱浓度的均值是11.787×1015molec·cm-2；而工业园区NO2柱浓度略小于市区的，为10.952×1015molec·cm-2。这与2013年夏季乌鲁木齐市NO2浓度表现趋势一致（陈成贺日等，2015）。两监测站点表现出差异的原因是乌鲁木齐市市区较工业园区，人口密度大，建筑物密集，且处于三面环山的低洼处，极不利于污染物的扩散；再加上乌鲁木齐市冬季热岛效应明显，使城市周边工厂排放的污染物输入城区，这势必会加重市区的污染程度；监测期间两监测地的车流量有明显差异，市区5 min约为1032辆，工业园区5 min约为158辆。

图2　NO2柱浓度日变化特征Fig. 2　Diurnal variation of NO2VCD

2.2NO2柱浓度的日变化特征

为更加深入地了解乌鲁木齐市NO2柱浓度的变化特征，图2给出了2014—2016年采暖期市区和工业园区的NO2柱浓度的日变化特征。可以看出，2014—2015年与2015—2016年采暖期乌鲁木齐市有基本一致的日变化特征，特别在市区，两年的趋势线几乎重合；工业园区两年采暖期虽有相同的变化趋势，但2015—2016年除了在19:00低于2014—2015年，其他时刻均是明显偏高的，这主要是由于2014年1月NO2柱浓度整体偏低引起的。而对比不同区域的趋势线分析，两监测点有着不同的日变化特征，市区NO2柱浓度在9:00—17:00变化趋势比较平缓，浮动不超过2.231×1015molec·cm-2，之后开始呈上升趋势，直至19:00达到峰值；工业园区则呈早晚双峰型的日变化特征，且晚峰值大于早峰值，15:00左右出现最小值。市区NO2柱浓度日变化与乌鲁木齐市区车流量保持一致，全天候基本处于同一水平（吕任生等，2015）；工业园区NO2柱浓度的日变化特征可能与稳定的边界层结构和交通高峰源排放有关（王莉莉等，2011）。

表1　采暖期乌鲁木齐市NO2柱浓度日均值与气象要素日均值相关关系统计Table 1　The correction coefficients among NO2VCD and meteorological parameters in heating period based on daily mean data

2.3乌鲁木齐市NO2柱浓度的影响因素

2.3.1地形地貌

乌鲁木齐市位于西北内陆，生态环境比较脆弱，其沿乌鲁木齐河发育呈南北狭长走势，东西窄；市区东、西、南三面环山，城中有红山、雅玛里克山阻隔，地势呈东南高、西北低的喇叭口形峡谷地带特征，天然坡度12‰～15‰。这样特殊的地形导致秋冬季平均风速小，静稳天数较多，抑制了大气污染物垂直混合、扩散和稀释，使污染物浓度持续增大，形成气溶胶，白天吸收太阳辐射加热山谷上层空气的同时削弱谷底地表太阳辐射，从而进一步加剧了逆温层效应（董兰芳等，2010），最终造成乌鲁木齐市的大气污染更加严重。

2.3.2气象条件

选取2014—2016年采暖期乌鲁木齐市市监测点和米东气象站的日均气象数据（包括气温、气压、水汽压、平均风速及云量），分析气象条件对NO2柱浓度的影响。表1给出了NO2柱浓度与气象要素的相关关系统计结果，发现除了气压与NO2柱浓度呈正相关外，气温、水汽压、平均风速及云量与NO2柱浓度均呈负相关；且与平均风速的关系最为显著，与气压、气温的关系次之；在工业园区NO2柱浓度与水汽压关系显著，而市区NO2柱浓度与水汽压、云量的关系都不显著。

为进一步评估气象状况对污染物的影响，利用多元线性逐步回归方法建立污染物与气象因子日均值的统计关系模型（Eder et al.，1994），选择气压、气温、水汽压、云量、平均风速作为自变量进入模型，通过显著水平0.01的检验，得到市区和工业园区NO2统计模型的拟合优度（R2）分别为0.595、0.675，说明2014—2016年采暖期59.5%～67.5%的NO2柱浓度的逐日变化由气象要素决定。

为分析乌鲁木齐市NO2的可能来源，图3给出了不同风向下NO2柱浓度的分布情况，发现市区盛行东北风（包括东北偏东和东北偏北），频率为32.3%，且当刮西南、东北及东风时，NO2柱浓度比较大，说明这些风向处有NO2的污染源。吴彦等（2008）也发现乌鲁木齐市冬季大雾天气时东北、东北偏东及东风的频率达到81.5%，该风向不利于城内气流向外输出，导致空气污染愈加严重。而在南风（包括偏南风）和北风（包括偏北风）时，NO2柱浓度相对较小，说明该风向下有NO2的输送通道。工业园区盛行西北风（包括西北偏西），频率为64.7%，同样在西北（包括西北偏西）风及东南风时NO2浓度较高；在南风及偏东风时，NO2柱浓度相对较小，说明该风向对当地NO2浓度有一定的扩散作用。市区东侧为河滩快速路，全天车流量都较大，是市区NO2的移动源；西南侧有火车站，东北方向有米东区工业园，可作为市区NO2的固定源。在工业园区西北偏西风向有乌鲁木齐国际机场，飞机的燃油排放对NO2浓度有一定的贡献。

2.3.3机动车尾气排放

近地面机动车尾气排放是乌鲁木齐市NO2、SO2、PM2.5及CO浓度升高的主要原因之一（郭宇宏等，2014）。从图4可知，目前乌鲁木齐市近4年机动车保有量以每年近20%的速度快速增长，其中私家车数量占机动车总量的70%以上。乌鲁木齐市环境监测中心对机动车排气污染分担率的调查显示：机动车氮氧化物造成的污染占城市空气中氮氧化物污染的比例达40.1%（新疆维吾尔自治区统计局，2015）。这说明要从根本上减少NO2排放源，机动车尾气排放治理是刻不容缓的，其中淘汰黄标车是治理重点；其次是提高新疆地区汽油和柴油的品质，加宽城市道路，对市区车辆进行分流和限行。

图4　乌鲁木齐市汽车保有量变化趋势Fig. 4　Trend of automobile vehicles amount in Urumqi city

3　结论

（1）受峡口地形和静风、逆温等不利于污染物扩散的天气条件及人口密集度影响，乌鲁木齐市市区监测点的NO2柱浓度大于城北部工业园区监测点；与2014—2015年采暖期相比，2015—2016年采暖期乌鲁木齐市市区监测站点NO2柱浓度下降了6.8%，工业园区监测站点上升了28.5%；说明今后乌鲁木齐市的大气污染治理应重点针对市区周边的工业园区进行。

（2）2014—2016年采暖期间乌鲁木齐市对流层NO2柱浓度月均值表现出12月最大，3月最小，其变化范围是3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2；NO2柱浓度日变化特征在市区监测点和工业园区有所差异，前者为晚上偏高；后者为早晚偏高，且晚上值大于早上值。

（3）通过对2014—2016年采暖期间乌鲁木齐市对流层NO2柱浓度的影响因素分析，发现64%～71%的NO2柱浓度的逐日变化由气象要素决定，其中平均风速对NO2柱浓度的影响最显著，其次是气温、气压及水汽压，云量最不显著。市区NO2的污染源主要在西南、东北及东面，而正南北方向的风对NO2有一定的扩散作用；工业园区NO2污染源来自西北和东南方向，而南风及偏东风对NO2具有扩散作用。机动车尾气排放作为乌鲁木齐市NO2的主要污染源，必须加以治理。

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Characteristics of Atmospheric NO2Vertical Column Densities in Heating Period of Urumqi

MA Wen1，2， LI Yanhong1，2， HOU Xiaogang3
1. College of Geography Science and Tourism， Xinjiang Normal University， Urumqi 830054， China；2. Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region//Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area， Urumqi 830054， China；3. Xinjiang Uygur Autonomous Region Climate Center， Urumqi 830002， China

NO2was a trace gas in the atmosphere， also was the important monitoring indexes in the air pollution of urban， had influence on ecological environment and human health. Due to special terrain and bad weather， the air pollution of Urumqi was the most serious. The characteristics of NO2vertical column densities （VCD） during the heating period of 2014—2016 （November to March） were analyzed based on the NO2monitoring data released on the multi axis DOAS at urban area and industrial area sites of Urumqi， also correlation between NO2and meteorological factors. The analytical results showed that， （1） Compared with the heating period of 2014—2015， the NO2VCD of urban area sate during heating period of 2015—2016 were decreased by 6.8%， but the industrial area site were increased by 28.5%； with its monthly mean being maximum in December and minimum in March， the range of NO2VCD were 3.905×1015～20.034×1015molec·cm-2； the diurnal variation of NO2VCD was obvious in both two sites. （2） 64% to 71% of the daily change of concentration of NO2VCD was determined by the meteorological elements， especially average wind speed； the main sources of NO2were from the east， the northeast and southwest in urban area， north and south direction of the wind had spread effect to NO2； NO2pollution from the industrial area's northwest and southeast， southerly and easterly of NO2can be diffused. （3） “the changing fuel coal to natural gas” project in Urumqi had the success， and industrial area and motor vehicle emissions continue to be the focus of atmospheric pollution control.

NO2vertical column densities； heating period； meteorological conditions； Urumqi

10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.08.014

X131.1； X16

A

1674-5906（2016）08-1351-05

中国沙漠气象科学研究基金项目（Sqj2012012）；国家自然科学地区基金项目（41161010）

马雯（1991年生），女，硕士研究生，主要研究方向为干旱区气候与环境。E-mail: 125763619@qq.com

∗。李艳红，E-mail: lyh0704@126.com

2016-04-30

引用格式：马雯， 李艳红， 侯小刚. 乌鲁木齐市冬季采暖期对流层NO2柱浓度变化特征［J］. 生态环境学报， 2016， 25（8）: 1351-1355. MA Wen， LI Yanhong， HOU Xiaogang. Characteristics of atmospheric NO2vertical column densities in heating period of Urumqi ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（8）: 1351-1355.