天山北坡河谷型城市大气NO2和SO2时空变化及影响因素分析

闫晶洁,李艳红①,马莹萍

(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)

大气污染是当今世界各国共同关注的话题之一,其中NO2和SO2是大气污染物的重要组成成分。大气中的NO2和SO2会刺激人类的上呼吸道黏膜,对人类的健康造成严重危害,其主要来源是机动车尾气排放和燃料燃烧等[1-4]。为解决这一危害,越来越多的学者开始对大气NO2和SO2污染进行研究。NO2和SO2浓度数据主要通过地面站点监测、卫星监测以及地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)监测获取,其中地面站点监测仪器较贵、体积较大、监测点较为固定;卫星监测频率则是一天扫描一次,监测时间较短。MAX-DOAS监测不仅可同地面站点、卫星监测的NO2、SO2浓度数据相关性较好,还具有可人为调整监测时间、地点以及监测方式,仪器携带方便,后期数据处理较为方便等优点[5-7]。国内对MAX-DOAS监测的相关研究是在2000年左右开始的[8]。王东东等[9]利用该技术探讨了南京江北地区的大气污染物质量,发现SO2和NO2的日变化与局地排放源、大气扩散能力和人类活动密切相关;王珊珊[10]对上海城区和气溶胶污染的反演方法展开研究,通过DOAS车载移动发现中心城区的污染主要是机动车源,受到人为活动、车流量和机动车运行工况以及风场条件等影响;胡丽莎等[11]利用DOAS监测研究淮北地区冬季不同天气下NO2浓度日变化特征,发现在NO2浓度较低时段主要为偏北风场,NO2浓度高值时段偏南风场增加,表明城区产生的污染向观测区进行了输送。将研究结果与OMI卫星结果进行对比,发现两者具有较好的一致性。通过上述分析可知,MAX-DOAS技术具有实时、快速、灵活、高空间分辨率和科学性强等优势,但国内对于MAX-DOAS技术的研究更多是在平原地貌城市开展的,在西北河谷型城市的研究较少,而西北地区是温带大陆性气候区,干旱、降水较少,非常适合被动光谱观测条件。

中国空气质量监测平台显示,新疆2017年有4个月空气质量位居31个省份中的倒数3名之列,2018年有7个月位居倒数3名之列。天山北坡城市是新疆经济最发达的地区,集中了全疆83%的重工业和62%的轻工业,是“八五”与“九五”期间我国国土综合开发的19个重点片区之一。天山北坡城市背靠天山山脉、地处准噶尔盆地南缘,面对阿尔泰山脉,是典型的河谷型城市[12]。该研究选取我国新疆天山山脉北坡东、中、西段的河谷型城市阜康市、乌苏市和博乐市为研究区,采用MAX-DOAS技术对研究区2017年1月—2018年12月的大气NO2和SO2垂直柱浓度(VCD)进行监测,并结合同期的气象数据、统计年鉴、工厂分布等数据研究天山北坡河谷型城市大气NO2和SO2时空变化特征及影响因素,研究结果可为治理天山北坡河谷型城市大气NO2和SO2污染提供重要的科学依据。

1 数据与方法

1.1 监测地点

阜康市位于天山北麓东段、乌苏市位于天山北麓中段、博乐市位于天山北麓西段,3个城市皆属于河谷地形,大气污染物不易扩散。其中阜康市北部大部分为古尔班通古特沙漠,阜康市的工厂数量较多,现拥有甘泉堡、特变电工等大型化工厂,风沙阻碍与工厂排污使得阜康市大气中NO2和SO2浓度日益加大[13]。乌苏市是新疆主要的矿区之一,与新疆的石化基地独山子、新型商贸城奎屯市形成北疆“金三角”,矿物的开采炼化不断加重乌苏市的大气NO2和SO2污染程度[14]。博乐市与哈萨克斯坦共和国接壤,拥有境内国家一类开放口岸—阿拉山口口岸,是国家级边境经济合作区和进出口贸易加工区,货车来往频繁,货车尾气排放加重了当地大气NO2和SO2污染程度[15-16]。

1.2 监测方法与监测点布设

于2017—2018年利用由海德堡大学和Hoffmann技术有限公司共同开发的便携式MAX-DOAS设备,从09:00—19:00对研究区大气NO2VCD和SO2VCD进行定点及车载移动监测。阜康市的定点监测区是在其东部城区的天赐宾馆和西部城区的准东宾馆,移动路线是沿G335和S301绕阜康市一圈;因乌苏市面积较小、城区集中,故乌苏市的定点监测区只布设在其城区西方的金都商务宾馆,移动路线是沿S115、北京东路和奎河路绕乌苏市一圈;博乐市的定点监测区是在其北部城区的东港大酒店和南部城区的米兰快捷宾馆,移动路线是沿S205和S304绕博乐市一圈。MAX-DOAS观测是利用朗伯比尔定律中光强测物质浓度的基本原理,通过光强差异得到NO2VCD和SO2VCD(单位为每cm2的分子个数);结合地面势数据(http:∥www.gscloud.cn/)和气象数据(https:∥data.cma.cn/),通过对天山北坡城市的地势及风向风速的特征讨论其对研究区大气NO2和SO2污染的影响;再利用后向轨迹聚类数据〔由美国国家环境预报中心(NCEP)提供(ftp:∥arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas0p5)〕对大气污染物的不同的输送态势分类,设定相对地面高度为500 m,后向追溯的时间为48 h,通过气团的流向分布模拟研究区气团的轨迹聚类,通过聚类分析天山北坡城市外来气流的输送对本地大气NO2和SO2浓度的影响[17-18];最后再结合全国排污许可证管理信息平台数据(http:∥permit.mee.gov.cn)得到工厂分布、车流量实测数据来分析产业结构对当地大气NO2和SO2污染的影响。

2 结果与分析

2.1 大气NO2 VCD和SO2 VCD的时间变化特征

MAX-DOAS是以太阳光为光源的被动光谱技术,只有白天可以获取数据,因此该文叙述的NO2VCD和SO2VCD皆为白天的数据。在数据处理过程中发现,太阳的天顶角大于75°时的SO2光谱数据反演误差过大不易采用,故采用的大气SO2VCD日变化覆盖时段较NO2VCD略短(11:00—17:00数据)。由图1可看出阜康市、乌苏市和博乐市的大气 NO2VCD高于SO2VCD,且NO2VCD和SO2VCD四季平均日变化形态基本呈现中午低、早上和傍晚高的特征,这主要是因为09:00—10:00和19:00 是新疆早、晚高峰的时间,车流量最大,大量的尾气排放使得大气中NO2VCD增加;中午太阳光照强度最大,光化学反应分解部分大气中的NO2和SO2,因此中午大气中的NO2和SO2较少。

图1 监测点大气NO2 VCD和SO2 VCD的日变化特征Fig.1 Diurnal variation characteristics of NO2VCD and SO2 VCD in atmosphere at monitoring points

由图2可知,天山北坡城市各监测点NO2VCD和SO2VCD季节变化趋势基本一致,均是冬季>春季>秋季>夏季,这主要是因为新疆的采暖期从10月中旬开始至来年的3月中旬结束,因此大量的燃煤使得新疆冬季、春季、秋季的大气中的NO2VCD、SO2VCD不断增加,加上冬季车辆行驶缓慢、滞留时间长从而产生大量NO2和SO2,且新疆冬季逆温层厚，阻碍大气污染物的扩散,进一步增加了大气中的NO2VCD和SO2VCD。因此在后期的城市环境建设中,可对车辆较多的城市实施限号出行的政策,生态环境部门可对新疆燃煤期实行燃煤温度的控制,合理减少燃煤量并使用无烟煤,以此来降低城市大气NO2和SO2污染。

该时间变化特征与刘岩等[19]利用DOAS监测发现乌鲁木齐市大气NO2浓度早晚高中午低这一特征一致;与王莉莉等[20]利用中国空气质量监测平台数据和DOAS数据相结合研究发现新疆库尔勒市大气NO2浓度冬季最高、夏季最低这一特征相似。不同的是,经过DOAS技术的改进,该文添加了对大气SO2VCD的研究,并加入了移动监测、外来气团影响和产业布局的影响,能够更细致地分析导致大气污染的原因。

图2 监测点大气NO2 VCD和SO2 VCD的四季变化特征Fig.2 Seasonal variation characteristics of NO2 VCD and SO2 VCD at monitoring points

2.2 大气NO2 VCD移动监测变化特征

从图3可看出,不同研究区的大气NO2VCD的空间分布特征不同,阜康市夏季NO2VCD的最大值为5.419×1015cm-2(以分子数计，下同),冬季NO2VCD的最大值为17.423×1015cm-2,污染严重的地区主要是西部和南部的工厂附近以及一些交通干道处;乌苏市夏季NO2VCD的最大值为5.681×1015cm-2,冬季NO2VCD的最大值为15.871×1015cm-2,污染严重的地区主要是西南方的工厂和交通干道密集处;博乐市夏季NO2VCD的最大值为5.022×1015cm-2,冬季NO2VCD的最大值为14.037×1015cm-2,污染严重的地区主要是北部和南部的工厂和交通要道处。由此可见工业排放和汽车尾气排放对大气NO2浓度贡献较大。整体来看,研究区的冬季大气NO2VCD大于夏季,这一结果与定点监测分析结果一致;同一研究区冬季重污染区的范围比夏季大,并且南部污染较严重,这主要是新疆冬季的逆温层较厚,且研究区背靠天山山脉,大气污染物不易扩散,尤其是山脚下大气污染物易堆积,加重大气NO2VCD。对于污染严重路段应实施相应的治理措施,如对车辆多的路段进行改道,对工厂多的地区统一管理,并不定期监测工厂生产排污情况等。

2.3 影响因素

2.3.1自然因素

新疆属于大陆性气候区,四季分明,年内温差变幅大[21-22]。研究区地势南高北低,由于山坡散热快,冷空气循山坡下沉到谷底,谷底原来的暖空气被冷空气抬挤上升,从而出现气温的倒置现象,尤其冬季冷空气重,易沉聚谷底,造成下冷上热的现象,产生逆温层,谷底的大气污染物就更加不易扩散。3个城市中博乐市风速及频率最大,乌苏市次之,阜康市最低;阜康市以西南风为主、乌苏市以西风为主,而阜康市和乌苏市的工厂大部分在城市西部,因此每当刮西风的时候会将工厂附近的污染物吹向市区,加大市区的污染,而博乐市的工厂大部分在城市南部,且博乐市的西北方处有大风口,大气污染物能快速扩散,减小大气污染程度。

利用HYLPSIT对研究区外来气团轨迹聚类,得到图4所示的不同方向的气团传输轨迹,可看出经过研究区的外来气团主要从北方、西方和南方而来,其中西方的气团轨迹最长,移动速度最快。

图3 各城市大气监测点NO2 VCD 的空间分布Fig.3 Spatial distribution of NO2 VCD in atmosphere at monitoring points

北方来的气团主要途径古尔班通古特沙漠、克拉玛依市、乌鲁木齐市,西方来的气团主要途径塔城、博州、乌苏等地,南方的气团主要是从天山山脉南部及北部的山脚下而来,从沙漠而来的气团会携带较多尘埃，降低大气能见度,减少光照,阻止大气中的NO2和SO2分解;乌苏市是重要矿区,乌鲁木齐市是新疆经济文化汇聚中心,克拉玛依市是石油城市、独库公路是旅游胜地，来往车辆较多,这些地区的大气NO2和SO2污染均较大,途径这些地区的气团会携带当地大气中的部分污染物来到研究区,进一步加重研究区的大气污染;从天山山脉南部而来的气团会携带尘土进入市区,从天山山脉北部的山脚下来的气团会携带原本就堆积在山脚下未扩散的污染物进入市区,加重市区的大气污染。以上分析说明外来气团是加重天山北坡河谷型城市大气NO2和SO2污染的原因之一。

在今后的城市布局中,可尽量将工厂布局在城市的下风向处,以减少工厂排污对市区的污染,对于新城区的修建也可以考远虑离天山脚下,对于靠近沙漠的城市应多种植植被降低风沙,尽量减少外来气团所携带的污染物对城市大气的污染。此外，在今后的研究中不仅要考虑本地的污染源，也要考虑外来污染情况。

图4 研究区气团轨迹聚类Fig.4 Clustering of air mass trajectories in the study area

2.3.2产业结构

大气中NO2和SO2浓度与城市GDP、燃料燃烧、车辆尾气排放等因素有关,NO2和SO2高浓度区基本与这些高排放污染源的分布一致[23]。根据新疆2017统计年鉴可知,阜康市、乌苏市和博乐市第一产业所占比列分别为16.3%、38.2%和18%,第二产业所占比列分别为58.2%、30.4%和32.7%,第三产业所占比例分别为25.5%、31.4%和49.3%;从表1和图5可知,天山北坡城市的工厂分布数量自阜康市向博乐市逐渐递减,车流量为博乐市>阜康市>乌苏市,且春秋车流量最大,冬季最低。综上可知,阜康市以第二产业为主，乌苏市以第一产业为主，博乐市以第三产业为主,工厂排污对阜康市大气污染影响较大,汽车尾气排放对博乐市大气污染影响更大一些,而乌苏市以农业为主,因此乌苏市大气污染程度比阜康市与博乐市小。可看出研究区的产业结构不同,造成的大气污染程度也不同,以第一产业为主的城市大气污染程度最低,以第三产业为主的城市大气污染程度较低,以第二产业为主的城市大气污染程度最严重。因此工业与车流辆对一个城市的污染具有较大的影响,为更好地响应环保政策,政府可以对工厂排污做出相应的限制以及对车辆出行和清洁能源的使用提出相应的鼓励政策,以此来降低天山北坡城市大气污染程度。大气NO2和SO2的污染来源是复杂、多变且范围较广的,因此今后应多角度、全方面地研究大气NO2、SO2污染,为天山北坡城市的大气防控工作提供更加全面的依据。

表1 研究区工业布局分析

图5 研究区车流量统计Fig.5 The traffic flow statistics of the study area

3 结论

(1)从日变化来看,阜康市、乌苏市和博乐市同一时刻的大气中NO2VCD大于SO2VCD,且3个城市的大气 NO2VCD和SO2VCD四季平均日变化形态基本呈现中午低、早上和傍晚高的特征。从季节上来看NO2VCD和SO2VCD从大到小依次为冬季>春季>秋季>夏季。

(2)从空间上来看,阜康市、乌苏市和博乐市夏季NO2VCD的最大值分别为5.419×1015、5.681×1015、5.022×1015cm-2,冬季最大值为17.423×1015、15.871×1015、14.037×1015cm-2,天山北坡河谷型城市城市冬季大气NO2VCD大于夏季,NO2污染严重的地区主要在工厂、交通干道以及天山山脉附近。

(3)研究区皆为河谷型城市,且昼夜温差大,易产生逆温层,大气污染物不易扩散;阜康市和乌苏市的工厂布局大多在西边,博乐市工厂主要分布在南部,且博乐市处于大风口处,因此每当刮西风时阜康市与乌苏市大气污染会加重,博乐市大气污染会降低;外来气团是加重天山北坡河谷型城市大气NO2和SO2污染的原因之一。

(4)从GDP来看阜康市以第二产业为主,乌苏市以第一产业为主,博乐市以第三产业为主,天山北坡城市的工厂分布数量自阜康市向博乐市逐渐递减,车流量从大到小依次为博乐市>阜康市>乌苏市,且春秋车流量最大、冬季最低。产业结构不同的城市大气污染程度不同,第一产业为主的城市大气污染最低、第三产业为主的城市大气污染次之,第二产业为主的城市大气污染最严重。