克拉玛依市NO2和SO2垂直柱浓度特征分析*

马莹萍，李艳红，闫晶洁

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

NO2为一种重要的大气痕量气体，在大气光化学反应和二次气溶胶生成过程中都具有显著作用，会对人类健康和环境变化产生深远影响［1］。SO2是大气主要污染物之一，在许多工业过程中会产生SO2。煤和石油通常都含有硫元素，在燃烧时会生成SO2。SO2溶于水形成亚硫酸，若把亚硫酸进一步在PM2.5存在的条件下氧化，会迅速高效生成硫酸（酸雨的主要成分）［2］。王婷等利用多轴差分光谱仪观测数据对河北省廊坊市对流层NO2垂直柱浓度的时空变化进行了相关研究，发现华北地区河北香河站对流层NO2柱浓度具有冬高夏低的季节变化特征，认为NO2柱浓度与风速风向密切相关［3-5］。就目前来看，国内关于MAX-DOAS 技术大多都是针对东部沿海发达城市，对西北干旱区城市的研究也仅见于乌鲁木齐［6］、库尔勒［7］、兰州［8］等城市，然而关于新疆石油城市克拉玛依的研究尚未报道，因此本文选择世界上唯一以石油命名的城市克拉玛依，克拉玛依不仅是世界石油石化产业的聚集区，油气资源储量占全世界的近80%，而且在中国实施向西开放战略中具有不可替代的作用。因此应用DOAS 技术分析其NO2和SO2垂直柱浓度分布特征，以期将MAX-DOAS 技术在干旱区石油城市中逐渐被推广使用，准确掌握城市大气NO2和SO2的浓度分布特征及影响因素对于有效治理大气污染具有重要意义。

1 研究区概况

克拉玛依是新疆维吾尔自治区辖地级市，系维吾尔语 “黑油” 的意思，是一座以石油石化为主的工业城市。位于准噶尔盆地西部，西北傍加依尔山，南依天山北麓，东濒古尔班通古特沙漠。距乌鲁木齐312 km，距石河子194 km。中部、东部地势开阔平坦，向准噶尔盆地中心倾斜。属于典型的温带大陆性气候。主导风向为西北风，春、秋时间短，冬、夏温差大，累年平均气温8. 6 ℃。全市总面积约7 万km2，辖克拉玛依、独山子、白碱滩、 乌尔禾4 个行政区。 全市总人口约4 万人［9-10］。克拉玛依已具备超过1 300万t当量的油气生产能力、1 600 万t 的炼油能力，工业增加值占GDP 的70% 以上，是新疆重点建设的新型工业化城市。NO2和SO2垂直柱浓度均低于乌鲁木齐市。

2 数据来源与研究方法

地基多轴差分吸收光谱仪是由德国海德堡大学和Hoffmann 公司联合开发的一种MiniMAXDOAS 仪器，它是一款便携式应用被动DOAS 技术的多轴差分吸收光学设备。由于仪器以太阳散射光作为光源，观测过程中，需将仪器镜筒指向正北方向，以避免阳光直射。仪器观测时按不同的仰角进行循环观测，角度分别为1°，3°，6°，10°，15°，20°，30°，45°，90°，一个循环周期大约需要10 分钟。车载DOAS 监测技术是以汽车为载体，被动吸收差分吸收光谱为核心，能够获取多种气体的垂直柱浓度。整个系统配置由望远镜、光谱仪、GPS 装置和计算机等组成。本研究使用Win-DOAS 2. 1 软件进行光谱处理，选用400～420 nm波长窗口反演NO2和SO2浓度，选取30°仰角观测数据对SO2和NO2进行分析［11-13］。相比于卫星和地面观测站的监测，MAX-DOAS 具有实时、连续、精度高和携带方便等优点。

本文选取2018 年1～12 月克拉玛依市地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS） 获取的固定监测和移动车载监测数据。固定监测点位于市中心居民区高层建筑物楼顶，从而获取市中心SO2和NO2垂直柱浓度值。定点监测为全天连续监测（9：00～19：00），每个季节定点监测15 d。移动车载监测按顺时针行驶（监测时间为11：00～17：00），每个季节车载移动监测2次。移动车载监测可以更全面地解释城市大气污染时空分布特征。车载移动监测路线从市中心居民区出发，沿友谊路、永红路、塔河路、鸿雁路和外环路环城一圈。途经原油运输主要路线、住宅区、工业区、商业区、学校、十字交叉路口、油田等主要监测地点。同期的气象数据来自中国气象数据网日产品数据（https://data.cma.cn/），同时段全球资料同化系统（GDAS） 数据（ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1） 由美国国家环境预报中心（NCEP）提供。采用移动车载DOAS系统进行移动监测，并在移动监测的同时把摄像机安装在相应的位置，整个过程中摄像机保持不动并记录车流量数据。

3 结果与讨论

3.1 NO2和SO2垂直柱浓度日变化

MAX-DOAS 可在日间进行自动连续监测，但是作为以太阳光为光源的被动光谱技术，只有白天可以获取数据，本文的NO2和SO2垂直柱浓度日变化均为北京时间白天的日变化［14］。为了进一步了解不同季节的NO2和SO2垂直柱浓度日变化特征，选择固定监测和移动监测，对各季节NO2和SO2垂直柱浓度日均值的变化进行监测。由于地基多轴差分光谱仪器是以太阳散射光作为光源，所以监测时间选为9：00～19：00。由于SO2数据处理时，太阳天顶角大于75°时的光谱数据因反演误差过大，在数据质量控制处理中已被剔除，因此对流层SO2垂直柱浓度日变化覆盖时段较NO2略短（11：00～17：00）。为进一步保证监测效果，监测时选择晴天条件下进行。由图1可以看出，克拉玛依市区的NO2垂直柱浓度和SO2垂直柱浓度整体呈U形日变化趋势，先下降后上升，早晚偏高，中午偏低。整体而言NO2垂直柱浓度比SO2垂直柱浓度值偏大一些。峰值上：表现为全部是日落时分达到最高值，中午出现最低值。早晨上班出行车辆较多，NO2垂直柱浓度会升高，中午车辆减少，NO2垂直柱浓度较低，晚上下班高峰期NO2垂直柱浓度达一天中的最高值。另一方面，傍晚太阳光照微弱，NO2很难分解，因而NO2垂直柱浓度明显高于其他时间。移动监测在公路上进行会有大量的汽车尾气排放，致使NO2垂直柱浓度上升，同时移动监测相比于固定监测数值波动会大一些。

3.2 NO2和SO2垂直柱浓度季节变化

图1 为克拉玛依不同季节下NO2和SO2垂直柱浓度变化特征。在季节上：二者皆表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季。NO2和SO2垂直柱浓度日最大值皆出现在冬季， 分别为22. 03×1015molec/cm2（19：00） 和冬季16. 35×1015molec/cm2（17：00）；日最小值皆出现在夏季，分别为2. 40×1015molec/cm2（14：00） 和3. 39×1015molec/cm2（14：00）。冬季由于居民需要更多的化石燃料消耗进行供暖，从而产生大量NO2，导致冬季NO2垂直柱浓度偏高。另外季风变化同样影响NO2和SO2的输送。监测发现NO2垂直柱浓度高值通常出现在立交桥和工厂附近。原因在于这些地方汽车流量大，而且时常发生交通拥挤，汽车滞留时间延长，造成汽车尾气排放污染物增加，工厂废弃物排放加重NO2堆积［15］。其次靠近市区和居民区的地方NO2垂直柱浓度也偏高。SO2垂直柱浓度也表现出相似变化。克拉玛依为典型的石油工业城市，其石油开采区NO2垂直柱浓度也较高［16］。在阳光照射下，NO2产生NO和O3，NO和O3再反应生成NO2，二者可逆转换。石油开采时会产生大量VOC （挥发性有机物），而当VOC 存在时，会发生相应化学反应：VOC＋NO2＝O3＋NO＋某硝酸化合物，因此克拉玛依NO2浓度会有所降低，而O3一般高于乌鲁木齐。由于汽车尾气排放主要对NO2的贡献率较大，故此处只探讨NO2与车流量的关系。不同季节车流量不同，表现为冬高夏低。不同位置NO2浓度高低不同，车流量较多区域NO2浓度较高［17］。

图1 克拉玛依不同季节大气NO2和SO2垂直柱浓度日变化Fig. 1 Diurnal variation of atmospheric NO2 and SO2 vertical column concentrations in different seasons in Karamay

3.3 NO2和SO2垂直柱浓度影响因素分析

3.3.1 地形因素特殊的地理位置是引起大气污染的主要自然因素。克拉玛依地势呈西北向东南倾斜，克拉玛依位于准噶尔盆地西北缘。西北傍加依尔山，南依天山北麓，东濒古尔班通古特沙漠。盆地边缘西北部山脉阻挡西北风的直接深入，来自西北的湿润气流到达克拉玛依将会明显减少。导致山前平原地区空气流动较差，形成气流滞留区，进而导致克拉玛依冬季风较少。NO2和SO2等污染物容易集聚且很难扩散，加剧了雾和霾的形成。由于东临古尔班通古特沙漠，大风天气造成风沙频繁，道路能见度降低，车辆在道路上停留时间也随之延长，导致汽车尾气中的NO2气体大量排放，污染物又因特殊的盆地地形而难以及时扩散，最终导致NO2和SO2污染物浓度的升高。

3.3.2 气象因素研究发现风场对污染物的扩散起着重要作用，风向决定了大气中污染物的扩散方向，而风速的大小直接影响扩散的速率和距离。某一地区的风速越大， 污染物扩散的范围越大［18-20］。克拉玛依是我国有名的风口之一，风大且多，活动十分频繁［21-22］。NO2和SO2浓度的高低与风密切相关，如图2 为2018 年克拉玛依市不同季节风速风向分布情况。经纬度为（45. 38°N，84. 52°E），观测的风向风速高度为1. 2 m。由图可知，克拉玛依主导风向为西北风，主要在春季、夏季和秋季， 频率分别为44. 4%、 45. 6% 和46. 0%。大风天气春季最多，秋季次之，夏季由于冷空气势力减弱，大风很少。冬季由于冷空气下沉，存在较强逆温层，导致低空积聚， 污染物便长时间留存在对流层中。又因冬季采暖期燃煤取暖，最终导致燃煤产生的NO2和SO2不易扩散和分解，同时西北风也导致污染进一步加重。

图2 2018年克拉玛依四季风向玫瑰图Fig. 2 The wind direction rose of Karamay in four seasons in 2018

3.3.3 产业结构和汽车保有量因素人为排放的NO2浓度最主要的是燃料的燃烧和汽车尾气的排放，这些过程的排放物是NO2的重要来源，也是NO2浓度最直接的影响因素。有研究表明NO2浓度与常住人口数量、工业GDP、工业能耗等因素有关，NO2高浓度区基本与这些高排放污染源的分布一致［23］。克拉玛依市主导产业为第二产业，第二产业约占其生产总值的2/3 （2018 年）。近年来，克拉玛依市生产总值呈上升趋势，第一产业在2016～2018年呈现出先下降后上升趋势，第二产业和第三产业呈上升趋势。在三大产业中，第二产业的能源消耗能力是最强的，再加上冬季取暖消耗大量化石燃料，燃烧释放大量的NO2，这就导致了克拉玛依的环境进一步恶化。已有研究表明第二产业与对流层NO2柱浓度的相关性高达0. 84，说明工业生产对NO2的贡献是相当大的［24］。截止到2018 年末克拉玛依市全市民用汽车保有量达到13. 5 万辆（包括三轮车和低速货车），比上年增长6. 6%。其中，私人汽车保有量10. 7 万辆，增长8. 8%（国民经济和社会发展统计公报）。机动车保有量持续增长，随之而来的是汽车尾气的大量排放，导致NO2浓度居高不下。2018 年克拉玛依主要交通节点友谊路与幸福路交叉路口、友谊路与准噶尔路交叉路口、友谊路与昆仑路交叉路口在上班出行高峰期，车流量已分别达到4 323辆/h、2 241辆/h、3 711辆/h。汽车保有量的大幅度持续增加导致汽车尾气排放增加，再加上特殊的地理位置条件，导致NO2和SO2逐渐增加。

3.3.4 后向轨迹分析选取克拉玛依市政府（45. 59°N，84. 77°E） 为受点位置，利用后向轨迹模型的Trajstat 软件，设定相对地面高度为500 m，后向追溯的时间尺度为48 h，模拟了2018 年克拉玛依市外来气团的后向轨迹分布（图3）。根据轨迹长短可判断气团移动速度，后向轨迹长说明气团移动速度快，轨迹短说明气团移动速度慢。克拉玛依市春季、夏季和秋季外来气团的后向轨迹平均长度较长，表明其气团移动速度较快；且后向轨迹大部分来自偏西方向，其次来自偏东方向。然而，冬季外来气团的后向轨迹平均长度较短，表明气团的移动速度较慢；且后向轨迹大部分来自偏西方向，其次来自偏东方向，符合克拉玛依市的地形特征和冬季以偏西北风为主的气候特征。克拉玛依市的大气污染物随气流从内地而来所占比例较少，以外地来源为主，气流多以扩散、稀释的方式影响克拉玛依市的污染程度。运用了后向轨迹模型，探讨了大气迁移规律，为NO2和SO2的扩散和传输提供了新思路，综合气象条件和污染物程度，分析了污染物气团来源轨迹，以及NO2和SO2的潜在来源区。

图3 2018年克拉玛依市季节后向轨迹分布（底图信息来自MeteoInfo 软件）Fig. 3 Distribution of the backward track of the season in Karamay in 2018(the information of the base map is from MeteoInfo software)

3.3.5 聚类分析基于各类气流轨迹空间分布特征的一致性，将后向轨迹每个季节分为6类进行轨迹的聚类分析，后向轨迹聚类结果如图4。设置高度为500 m，聚类轨迹出现频率顺序为，春季：1＞3＞2＞4＞6＞5；夏季：1＞3＞5＞4＞2＞6；秋季：1＞3＞2＞5＞6＞4； 冬 季： 1＞2＞6＞4＞3＞5。轨迹以偏西方向的输送为主，该方向轨迹数共占总轨迹数为：春季（74. 25%）、夏季（75%）、秋季（75. 82%）、冬季（51. 12%），其中春季和夏季来自西北方向，途径托里县、裕民县的1号聚类轨迹出现概率最高；秋季和冬季来自东北方向，途径和布克赛尔蒙古自治县1号聚类轨迹出现概率最高。表明该轨迹移动方向是500 m高度上克拉玛依市NO2和SO2外来输送的主要通道方向。

图4 2018年克拉玛依市NO2和SO2季节聚类轨迹分布结果（底图信息来自MeteoInfo 软件）Fig. 4 Clustering track distribution results of season NO2 and SO2in karamay city in 2018(base map information comes from MeteoInfo software)

4 结 论

本文借助地基多轴差分光谱仪（MAXDOAS），反演了2018 年克拉玛依市大气NO2和SO2垂直柱浓度，并利用所得监测数据分析其季节变化和日变化，得到以下结论：

1） NO2和SO2垂直柱浓度日变化规律：克拉玛依市区的NO2和SO2垂直柱浓度整体呈 “U” 型日变化趋势，NO2垂直柱浓度一般在9：00～11：00、17：00～19：00 浓度值较高，11：00～17：00 浓度值较低；SO2垂直柱浓度一般在11：00～13：00、15：00～17：00 浓度值较高，13：00～15：00 浓度值较低，即早晚高中午低。整体而言NO2垂直柱浓度比SO2垂直柱浓度值偏大一些。二者皆在日落时分达到最高值，中午出现最低值。NO2垂直柱浓度和SO2垂直柱浓度日最大值皆出现在冬季，分别为22. 03×1015molec/cm2（19：00） 和冬季16. 35×1015molec/cm2（17：00）；日最小值皆出现在夏季，分别为（2. 40×1015molec/cm2（14：00） 和3. 39×1015molec/cm2（14：00）。

2） NO2和SO2垂直柱浓度季节变化规律，NO2和SO2垂直柱浓度均表现为冬季＞秋季＞春季＞夏季的变化特点，和我国河北等其他城市的季节变化一致。NO2和SO2垂直柱浓度波峰均出现在冬季，NO2垂直柱浓度季节平均值为冬季（13. 91×1015molec/cm2）、秋季（10. 76×1015molec/cm2）、春季（8. 20×1015molec/cm2）、夏季（6. 45×1015molec/cm2）；SO2垂直柱浓度季节平均值为冬季（12. 90×1015molec/cm2）、秋季（10. 11×1015molec/cm2）、春季（7. 87×1015molec/cm2）、 夏季（6. 32×1015molec/cm2）。

3） NO2和SO2垂直柱浓度变化影响因素：其浓度与最大风速成反比，且风速越大，污染物扩散的范围越大。大风主要集中于春夏两季，造成污染物范围扩大，单位面积内污染浓度降低。冬季漫长采暖期及不利于污染物扩散的地理条件，造成冬季NO2和SO2垂直柱浓度升高。

4） 2018 年克拉玛依市外来气团的季节后向轨迹平均长度不同，其气团移动速度有快有慢；且后向轨迹大部分来自偏西方向，其次来自偏东方向。冬季外来气团的后向轨迹平均长度较短，气团的移动速度较慢；春季、夏季和秋季外来气团的后向轨迹平均长度较长，气团的移动速度较慢。