新疆大中小城市夏季对流层NO2垂直柱浓度变化特征

马 雯，李艳红，王盼盼

新疆师范大学地理科学与旅游学院，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

新疆大中小城市夏季对流层NO2垂直柱浓度变化特征

马 雯，李艳红*，王盼盼

新疆师范大学地理科学与旅游学院，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

利用地基多轴差分光谱仪(Mini MAX-DOAS)，选择新疆乌鲁木齐、库尔勒、博乐市具有代表性的大中小城市，于2014年6-8月对其市区、工业区、农田区的对流层NO2浓度进行观测。结果表明： (1)大中小城市夏季大气对流层NO2垂直柱浓度的日变化有波峰和波谷的波动，其峰值在大中小城市中有所差异，表现为乌鲁木齐(7.590×1015molec·cm-2)>库尔勒(7.559×1015molec·cm-2)>博乐(3.578×1015molec·cm-2)； (2)大中小城市夏季大气对流层NO2垂直柱浓度大小与城市地表条件差异有关，尤其与观测区的车流量有密切关系，表现为市区(4.643×1015molec·cm-2)>工业区(4.469×1015molec·cm-2)>农田区(2.425×1015molec·cm-2)； (3)不同天气条件下大中小城市大气对流层NO2的垂直柱浓度特征为雨天(3.082×1015molec·cm-2)时浓度最小，说明降水对NO2的浓度具有重要的影响。

对流层NO2垂直柱浓度； 夏季； 大中小城市； 地基多轴差分吸收光谱仪

引 言

作为大气主要污染物的二氧化氮(NO2)气体，在大气光化学反应中扮演重要的角色，它的存在不仅会造成酸雨、地表水酸化、水体富营养化等环境效应，而且浓度较大时对人体健康、生态环境构成严重的威胁[1]。对大气对流层NO2浓度的观测研究，主要采用卫星遥感资料、地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)等方法，如利用GOME卫星遥感资料，Richter等[2]研究大气对流层NO2的精确反演方法； Velders等[3]在此基础上结合三维模式研究了全球对流层NO2柱浓度的分布情况； Vander等[4]将OMI数据与SCIAMACHY资料合成； 姚凌[5]、张兴赢等[6]利用SCIAMACHY观测数据研究认为我国大气NO2浓度东高西低，东部一些工业发达地区的NO2柱浓度有明显增加的趋势； 且北部和中部地区呈明显的增长趋势，工业废气排放与NO2柱浓度及时空分布具较好的一致性。而利用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)来获得大气对流层NO2的浓度分布方法证明是一种先进的且有效的对流层痕量气体监测手段[7]。我国学者采用MAX-DOAS技术，先后对北京夏季、上海市夏秋季、天津市夏季、长江三角洲地区临安冬夏季、华北地区香河站、广州亚运期间对流层NO2的浓度特征反演研究，这些研究[8-13]表明我国近10a对流层NO2垂直柱浓度呈显著的增长走势，且与机动车保有量的变化有着显著的相关性。何丽等[14]利用ArcGIS技术，将乌鲁木齐大气NO2浓度与上海、北京、广州等大城市对比分析发现，乌鲁木齐的NO2浓度是最高的。但目前基于MAX-DOAS技术对大气NO2浓度的研究主要集中在经济发达的东部沿海大城市，对新疆干旱区大中小城市研究尚未报道。因此，本文选择新疆唯一一个百万人口的大城市乌鲁木齐、南疆重要的中等城市库尔勒、北疆边疆小城市博乐，应用MAX-DOAS技术对比分析新疆干旱区大中小城市大气NO2浓度空间差异性，以期将MAX-DOAS技术在新疆干旱区大中小城市中推广应用。

1 研究区概况

新疆共有22个城市，以天山山脉为界划分为北疆和南疆。选择新疆首府城市乌鲁木齐、通往南疆要塞的中等城市库尔勒、北疆边寨的小城市博乐进行研究，首府乌鲁木齐是唯一一个人口超过百万的大城市，位于天山山脉中段北麓，三面环山，四季均有逆温层出现。全市14 000 km2，机动车保有量为74.3万辆，2013年NO2浓度值为0.068 mg·m-3，超过国家二级标准，属于典型的煤烟型污染城市[15]。库尔勒市[16]地处天山南麓，是国家级卫生城市，优秀旅游城市。2013年NO2浓度值达到国家二级标准，但2014年春季该区空气质量几次全国排名在倒数。全市7268 km2，是常住人口为540 000的中等城市，由于在沙漠边缘风口之处，所以城市空气污染随季节变化而改变，属大气自然浮沉煤烟型污染： 春季以浮沉污染为主，冬季以煤烟型污染为主。博乐[17]位于天山山脉西段北麓，阿拉山口附近。是人口为263 700的小城市，全市7 790 km2。2013年NO2浓度值为0.014 mg·m-3，达到国家二级标准，但较上一年浓度上升了0.004 mg·m-3，其空气污染属于典型的大陆性干旱地区烟尘和扬尘污染。

2 实验部分

2.1 监测位点

在新疆乌鲁木齐市、库尔勒市和博乐市分别选择市区、工业区和农田区，共布设了9个观测点。市区主要是靠近城市的主要交通干道，车流量大，人口集中的地方，乌鲁木齐、库尔勒和博乐的观测点依次是新疆师范大学、香梨大道、兴乐广场； 工业区选择的是工厂集中区，乌鲁木齐、库尔勒和博乐的观测点依次是米泉中泰化工园、巴州车管所、油化厂； 农田区则在城市边缘，有大片农田，受交通、工业污染影响较少的地方，乌鲁木齐、库尔勒和博乐的观测点依次是三道坝镇、西尼尔镇、84团。

2.2 监测方法

监测用一种便携式的采用被动DOAS技术的地基多轴差分吸收光学设备(Mini MAX-DOAS)。由于仪器是以太阳散射光作为光源，观测过程中，需将仪器的镜头朝着正北方向，以避免太阳光直射。并采用多角度测量方式，将仪器仰角的位置分别设置为1°，3°，6°，10°，15°，20°，30°，45°，90°，按此顺序进行循环观测，每个位置约1min的观测时间，一个循环为10 min左右。在夜间自动测量暗电流(dark current)和电偏置(electronic offset)光谱，用来对采集的光谱进行误差修正。每个观测点定期监测7天，并同时记录当日的天气条件，包括气温、湿度、云量等。观测时间为2014年6月1日至8月31日，数据选取每日8:00—20:00的小时平均值。

图1 监测位点示意图

2.3 数据处理

地基多轴差分吸收光谱仪在实际观测时，结果会受到系统的噪声、Ring效应等因素的影响，故在处理数据时需先进行光谱处理来消除这些影响。利用Win-DOAS软件和Doasis软件结合进行光谱处理反演出大气对流层NO2的准确浓度。由于大气NO2气体主要分布在近地面，仰角角度越低，测量值就越大[8], 为了方便，直接选取仰角为30°时反演出来的大气NO2气体对流层垂直柱浓度。

利用Excel进行后期的数据处理和作图，SPSS进行单因素方差分析。

3 结果与讨论

3.1 大中小城市大气对流层NO2浓度日变化特征

在研究大气对流层NO2浓度日变化时，选取各地区都是晴天的天气条件。由图2可以看出： 乌鲁木齐市区NO2浓度值8:00后开始上升，12:00后下降，18:00后又出现上升趋势，工业区和农田区表现出先降后升的趋势，乌鲁木齐一天中的最大值(7.590×1015molec·cm-2)出现在15:00，最小值(1.313×1015molec·cm-2)在8:00； 库尔勒市区NO2浓度值日变化幅度不大，在11:00和20:00的浓度值较高，工业区NO2浓度值在8:00以后呈持续上升趋势，13:00以后呈下降趋势，农田区NO2浓度在16:00时达到最大值，也是库尔勒一天中最大值(7.559×1015molec·cm-2)出现的时刻，最小值(4.205×1015molec·cm-2)出现在8:00； 博乐市区、工业区NO2浓度值日变化趋势大致相同，出现两个峰值，农田区NO2浓度值表现出8:00后开始降低，17:00后开始上升，10:00-16:00之间浓度值几乎保持不变，博乐一天中最大值(3.578×1015molec·cm-2)出现在20:00，最小值(0.664×1015molec·cm-2)出现在13:00。

图2 不同地区大气对流层NO2浓度日变化

3.2 不同天气状况下大气对流层NO2浓度差异

在各地区选取雨天、晴天和多云的NO2浓度来作比较进行分析(图3)。研究结果表明，除了库尔勒市区多云(4.577×1015molec·cm-2)时略高于晴天(4.472×1015molec·cm-2) ，工业区、农田区与乌鲁木齐、博乐的各地区NO2垂直柱浓度变化趋势是一致的，表现出在不同天气条件下大气对流层NO2浓度的顺序为： 雨天(3.082×1015molec·cm-2)<多云(4.274×1015molec·cm-2)<晴天(5.335×1015molec·cm-2)。

图3 不同天气条件下大气对流层NO2浓度

3.3 不同地区大气对流层NO2浓度差异

由图4可以看出，乌鲁木齐市区的NO2垂直柱浓度最高，库尔勒、博乐工业区NO2的浓度最高，大气对流层NO2垂直柱浓度最低的都是农田区。从3个地区大气对流层NO2垂直柱浓度的平均值看： 不同地区间NO2垂直柱浓度顺序依次为： 市区(4.643×1015molec·cm-2)>工业区(4.469×1015molec·cm-2)>农田区(2.425×1015molec·cm-2)。方差分析结果表明，3个地区大气对流层NO2的垂直柱浓度差异显著(F=9.204p=0.01<0.05)，多重比较结果显示市区和工业区的浓度差异不显著(P>0.05)，但均与农田区的差异显著(p<0.05)。从3个城市大气对流层NO2垂直柱浓度的平均值看不同城市间的NO2垂直柱浓度顺序依次为： 乌鲁木齐(6.107×1015molec·cm-2)>库尔勒(5.014×1015molec·cm-2)>博乐(1.576×1015molec·cm-2)。方差分析结果表明，三个城市大气对流层NO2的垂直柱浓度差异显著(F=14.841p=0.000<0.05), 多重比较结果显示乌鲁木齐与博乐大气对流层NO2的垂直柱浓度差异显著(p<0.05)，乌鲁木齐与库尔勒大气对流层NO2的垂直度浓度差异不显著(p>0.05)，库尔勒与博乐大气对流层NO2的垂直度浓度差异不显著(p<0.05)。

图4 不同地区大气对流层NO2浓度差异

4 结 论

NO2是一次污染物，污染源对其有明显的影响。利用地基多轴差分吸收光谱仪(Mini MAX-DOAS)对新疆大中小城市大气对流层的NO2垂直柱浓度进行观察，分析了NO2的日变化特征、不同天气情况下NO2浓度的变化特征及不同地区间NO2浓度的差异性，得出以下结论。

(1)NO2的日变化分析表明，在相同天气条件时NO2垂直柱浓度的夏季日变化出现了一定的波动，有波峰和波谷的交替。但不同地区其峰值在大中小城市中出现的时刻有所差异： 乌鲁木齐和博乐的最大值分别出现在15:00和20:00，最小值出现在8:00和13:00； 库尔勒的最大值出现在14:00，最小值出现在8:00。其中10:00—12:00和18:00—20:00出现高值，和周海金[19]对合肥地区NO2的日变化特征的研究得出了相似的结果，这可能与市区上下班高峰期时车流量的多少有关，已有的研究[20]也证明机动车密度和机动车保有量是影响城区大气NO2的主要影响因素。

(2)从不同天气条件下分析NO2垂直柱浓度的变化特征发现，由于降水稀释了大气中的NO2浓度，导致雨天、晴天和多云三种天气条件下浓度不同雨天大气中NO2的垂直柱浓度最小。晴天时与太阳辐射强度有关，张敏[18]在研究南京郊区时也得出了类似的结论。故在治理大气污染时，依靠降水可减少大气中NO2的浓度，但这并不是从根本上解决问题。

(3)通过对乌鲁木齐、库尔勒和博乐大气对流层的NO2垂直柱浓度变化特征分析得出，NO2浓度存在明显的区域性差异。乌鲁木齐>库尔勒>博乐, 说明大城市的浓度明显大于小城市； 且市区>工业区>农田区。这与夏德祥等[21]研究上海市NO2浓度的空间分布特征得出的结论是相似的。与我国其他城市相比，新疆大中小城市的大气对流层NO2垂直柱浓度(乌鲁木齐为6.107×1015molec·cm-2、库尔勒为5.014×1015molec·cm-2、博乐为1.576×1015molec·cm-2)处于较低水平，明显低于我国东部地区NO2垂直柱浓度均值(15.86×1015molec·cm-2)[6]； 低于浙江省北部地区(25×1015molec·cm-2)，高于南部地区(2.6×1015molec·cm-2)[22]； 低于北京、天津、唐山、青岛、济南、沈阳等地(这些地区浓度都超过了20×1015molec·cm-2)[23]。

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(Received Mar. 16, 2015; accepted Jul. 21, 2015)

*Corresponding author

Variation Characteristics of Tropospheric NO2Vertical Column Densities over Large and Small Cities of Xinjiang in Summer

MA Wen, LI Yan-hong*，WANG Pan-pan

College of Geographic Science and Tourism, Xinjiang Normal University, Key Laboratory of Xinjiang Uygur Autonomous Region; Xinjiang Laboratory of Lake Environment and Resources in Arid Area, Urumqi 830054, China

Selecting the representative large and small towns which were Urumqi, Korla, Bole cities in Xinjiang, the ground-based mini MAX-DOAS measurement was carried out to observe the tropospheric NO2vertical column density at town, industrial districts and farmland area in different grade cities from Jul to Aug 2014. It turned out(1) In the diurnal variation of the concentration of tropospheric NO2vertical column density have peaks and troughs, the difference between its peak in the large and small towns, Urumqi(7.590×1015molec·cm-2)>Korla(7.559×1015molec·cm-2)>Bole(3.578×1015molec·cm-2); (2)During summer the tropospheric NO2vertical column density has relationship with urban surface condition. Especially it has close relationship with the number of cars in the observational area, town(4.643×1015molec·cm-2)>industrial districts (4.469×1015molec·cm-2)>farmland area(2.425×1015molec·cm-2); (3)Under different weather conditions the tropospheric NO2vertical column density : the minimum density appeared on a rainy day(3.082×1015molec·cm-2), it turned out the precipitation has an important influence on NO2.

Tropospheric NO2vertical column density; Summer; Large and small cities; Ground-based MAX-DOAS

2015-03-16，

2015-07-21

国家自然科学地区基金项目(41161010), 中国沙漠气象科学研究基金项目(Sqj2012012)和新疆师范大学博士点支撑学科研究生创新基金项目(XJNU-DL-201502)资助

马 雯，女，1991年生，新疆师范大学地理科学与旅游学院硕士研究生 e-mail: 125763619@qq.com *通讯联系人 e-mail: lyh0704@126.com

X511

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10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2195-05