基于GIS的乌鲁木齐市NO2时空分布特征

何丽，朱建雯*，吕爱华

(1.新疆农业大学草业与环境科学学院，新疆 乌鲁木齐 830052;2.乌鲁木齐市环境监测中心站，新疆乌鲁木齐 830000)

NO2是大气环境中的主要污染物之一，也是PM2.5的前体污染物之一。在大气中通过复杂的化学反应引起光化学烟雾，损害人体的呼吸系统，导致暴露人群慢性气管炎、支气管炎的发病率增加，肺功能降低［1－2］，会产生酸雨、臭氧和水体富营养化等问题［3］。随着机动车保有量的增长和工业化的快速推进，由NO2排放引发的环境问题已给人体健康和生态环境构成巨大威胁［4］。

目前城市大气污染物的研究主要集中在污染个案分析、城市污染物浓度变化规律、污染物与气象因子相关关系、污染物源解析等方面［4－7］。传统上的研究在监测数据处理方面往往只采用统计的方式分析，缺乏空间可视化的表达。随着地理信息科学的发展，国内外学者越来越多的采用GIS技术对城市污染物的空间分布进行研究，该技术在大气污染物数据管理、扩散模拟与空间分布分析等工作中，可以提供更直观的信息支持［8－10］。

现利用2008—2012乌鲁木齐市7个空气自动监测点位NO2小时值为基础数据，分析大气中NO2的时空变化规律，探讨不同气象因素对乌鲁木齐市NO2的影响，为改善其大气环境质量提供科学依据。

1 研究方法

1.1 研究区概况

乌鲁木齐市位于天山北麓准噶尔盆地南缘中段(东经 86°37'至 88°58'，北纬 42°45'至 44°08')，市区东、南、西3面环山。气候属于中温带大陆性干旱气候，夏季炎热，冬季严寒，昼夜温差大，年均气温7.6℃，是中国北方典型的冬季煤烟型污染城市［5］，由于特殊地形和气象因素制约，每年长达半年之久的冬季采暖期大气污染严重。

1.2 数据来源

由乌鲁木齐市环境监测中心站提供2008—2012年7个大气自动监测点位的NO2连续监测数据;气象局提供其地面气象站逐日气压、气温、风速、风向、湿度等观测数据。大气自动监测点位分布见表1。

表1 大气自动监测点位分布

1.3 分析方法

采用SPSS14.0对监测数据进行统计整理，以《环境空气质量标准》(GB 3095－2012)中的二级标准作为评价依据，分别在不同时间尺度上对其进行统计，并与气象因素进行相关性分析。在Arc-GIS软件中导入数据并建立分析数据库，采用Spatial Analyst Tools模块对其进行IDW插值分析。

2 结果与分析

2.1 NO2浓度随时间变化特征

2.1.1 年变化

乌鲁木齐市NO2年变化趋势见图1。

由图1可见，2008—2012年，乌鲁木齐市NO2年均值为 0.065～0.068 mg/m3，均超二级标准(0.040 mg/m3)，基本保持稳定，区域污染较为严重。

图1 乌鲁木齐市NO2年变化趋势

2012年乌鲁木齐市NO2与其他城市对比见图2。

图2 2012年乌鲁木齐市NO2与其他城市对比

2.1.2 月变化

乌鲁木齐市区NO2呈明显的季节变化见图3。

图3 乌鲁木齐市NO2月变化趋势

由图3可见，冬季污染较重，春节、秋季次之，夏季空气质量相对较好。NO2最高值出现在12月，其次为1月、2月，这与采暖期的气象条件密切相关。乌鲁木齐市采暖季气象条件呈风速小、大雾频发、中性及稳定性天气多、逆温出现频繁且强度高等特征，导致城市的大气环境容量“先天不足”。在静稳、逆温和大雾的天气条件下，大气污染物滞留在低空难以扩散还产生累积效应，气态污染物易发生化学反应转化为颗粒物从而加剧污染。

2.1.3 日变化

乌鲁木齐市NO2日变化见图4。

图4 乌鲁木齐市NO2日变化趋势

由图4可见，NO2均呈现“单峰型”的日变化特征，夜间NO2明显高于白天。分析乌鲁木齐市近30年大气稳定度和混合层高度的变化特征，一天中混合层高度最大值出现在14:00，最小值出现在02:00，表明在夜间大气层结稳定，混合层高度低，大气垂向平均稀释能力差，易加重空气污染。

由于受人为活动强度、气温变化、工业企业生产周期的影响，环境空气中污染物日变化特征为典型的“双峰型”［11］，而乌鲁木齐为“单峰型”的日变化特征，这说明夜间不利的气象条件对污染物浓度的分布起到主导作用。

2.2 NO2空间变化特征

NO2在各区域呈现出冬季较高，春季、秋季次之，夏季较低的变化趋势。NO2的空间分布情况在不同季节不一致。在冬季，城市南部、中南部NO2均在0.08 mg/m3以上，显著高于其他区域。该区域属于包括沙依巴克区、水磨沟区、天山区在内的老城区，属于城市的中心城区，拥有全市2/3的城市人口、发电企业、供暖企业、车流量，NO2排放量明显大于其他区域，在静风、逆温不利气象条件频发的冬季，对区域空气质量影响严重。春季、秋季的分布规律较一致，城市西北部明显低于其他区域。在夏季NO2各区域差值较小，整体空气质量相对于其他季节较好。

2.3 气象因素对NO2分布规律的影响

污染物浓度变化与同期气象因素之间具有非线性特征，风速 ＜3 m/s时，ρ(NO2)＞0.08 mg/m3出现频率较高(35%);风速＞4 m/s时，ρ(NO2)＜0.08 mg/m3;而气压对NO2分布影响不大。气温和湿度对NO2的影响相反，当气温较低时，NO2值较高;湿度较高时，NO2会保持在较高水平。乌鲁木齐市NO2分布与风速相关关系明显，而与气温、湿度的关系为非线性。

3 结论

(1)2008—2012年乌鲁木齐市NO2年均值为0.065～0.068 mg/m3，超过二级标准，基本保持稳定。与其他城市相比，乌鲁木齐市NO2污染严重;

(2)NO2污染呈明显的季节变化，冬季污染较重，春节、秋季次之，夏季空气质量相对较好。呈现“单峰型”的日变化特征，夜间污染明显高于白天;

(3)不同季节NO2的空间分布情况不一致，与交通、供暖、人口密度、地理位置密切相关。冬季城市南部、中南部NO2明显高于其他区域;春季、秋季的分布规律较一致，城市西北部明显低于其他区域;夏季NO2各区域差值较小;

(4)乌鲁木齐市NO2分布与风速相关关系明显，而与气温、湿度的关系为非线性。

［1］Health EfectsInstitute(HEI).Special Report 17，2010，Traffic related air pollution:A critical review of the literature on emissions，exposure，and health efects［EB/OL］.http://pubs.Healthefects.Org/getfile.php?u=553.

［2］HSU Y，TSAI J，CHEN H，et al.Tunnel study of on-road vehicle emissions and the photochemical potential in Taiwan ［J］.Chemosphere，2001，42:227 －234.

［3］胡和兵，王牧野，吴勇民，等.氮氧化物的污染与治理方法［J］.环境保护科学，2006，3(4):5－9.

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［5］中国人民大学环境学院.中国城市空气质量管理绩效评估［EB/OL］.http://cn.chinagate.cn/environment/2013 － 03/29/content_28395013.htm.

［6］魏玉香，童尧青，银燕，等.南京SO2、NO2和PM10变化特征及其与气象条件的关系［J］.大气科学学报，2009，32(3):451 －457.

［7］李莉，陈长虹，黄成，等.长江三角洲地区大气O3和PM10的区域污染特征模拟［J］.环境科学，2008，29(1):237－245.

［8］安兴琴，马安青，王惠林.基于GIS的兰州市大气污染空间分析［J］.干旱区地理，2006，29(4):576－581.

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［10］赵萍，胡友彪.基于GIS技术的城市大气环境质量评价－以淮南市为例［J］.环境科学与技术，2002，25(4):21 －23.

［11］张新民，柴发合，王淑兰，等.沈阳市空气污染特征［J］.中国环境科学，2006，26(6):650 －652.