閆晶潔,李艷紅①,馬瑩萍

(1.新疆師范大學(xué)地理科學(xué)與旅游學(xué)院,新疆 烏魯木齊 830054;2.新疆維吾爾自治區(qū)重點實驗室/ 新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實驗室,新疆 烏魯木齊 830054)

大氣污染是當(dāng)今世界各國共同關(guān)注的話題之一,其中NO2和SO2是大氣污染物的重要組成成分。大氣中的NO2和SO2會刺激人類的上呼吸道黏膜,對人類的健康造成嚴(yán)重危害,其主要來源是機動車尾氣排放和燃料燃燒等[1-4]。為解決這一危害,越來越多的學(xué)者開始對大氣NO2和SO2污染進行研究。NO2和SO2濃度數(shù)據(jù)主要通過地面站點監(jiān)測、衛(wèi)星監(jiān)測以及地基多軸差分吸收光譜儀(MAX-DOAS)監(jiān)測獲取,其中地面站點監(jiān)測儀器較貴、體積較大、監(jiān)測點較為固定;衛(wèi)星監(jiān)測頻率則是一天掃描一次,監(jiān)測時間較短。MAX-DOAS監(jiān)測不僅可同地面站點、衛(wèi)星監(jiān)測的NO2、SO2濃度數(shù)據(jù)相關(guān)性較好,還具有可人為調(diào)整監(jiān)測時間、地點以及監(jiān)測方式,儀器攜帶方便,后期數(shù)據(jù)處理較為方便等優(yōu)點[5-7]。國內(nèi)對MAX-DOAS監(jiān)測的相關(guān)研究是在2000年左右開始的[8]。王東東等[9]利用該技術(shù)探討了南京江北地區(qū)的大氣污染物質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)SO2和NO2的日變化與局地排放源、大氣擴散能力和人類活動密切相關(guān);王珊珊[10]對上海城區(qū)和氣溶膠污染的反演方法展開研究,通過DOAS車載移動發(fā)現(xiàn)中心城區(qū)的污染主要是機動車源,受到人為活動、車流量和機動車運行工況以及風(fēng)場條件等影響;胡麗莎等[11]利用DOAS監(jiān)測研究淮北地區(qū)冬季不同天氣下NO2濃度日變化特征,發(fā)現(xiàn)在NO2濃度較低時段主要為偏北風(fēng)場,NO2濃度高值時段偏南風(fēng)場增加,表明城區(qū)產(chǎn)生的污染向觀測區(qū)進行了輸送。將研究結(jié)果與OMI衛(wèi)星結(jié)果進行對比,發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。通過上述分析可知,MAX-DOAS技術(shù)具有實時、快速、靈活、高空間分辨率和科學(xué)性強等優(yōu)勢,但國內(nèi)對于MAX-DOAS技術(shù)的研究更多是在平原地貌城市開展的,在西北河谷型城市的研究較少,而西北地區(qū)是溫帶大陸性氣候區(qū),干旱、降水較少,非常適合被動光譜觀測條件。

中國空氣質(zhì)量監(jiān)測平臺顯示,新疆2017年有4個月空氣質(zhì)量位居31個省份中的倒數(shù)3名之列,2018年有7個月位居倒數(shù)3名之列。天山北坡城市是新疆經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū),集中了全疆83%的重工業(yè)和62%的輕工業(yè),是“八五”與“九五”期間我國國土綜合開發(fā)的19個重點片區(qū)之一。天山北坡城市背靠天山山脈、地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣,面對阿爾泰山脈,是典型的河谷型城市[12]。該研究選取我國新疆天山山脈北坡東、中、西段的河谷型城市阜康市、烏蘇市和博樂市為研究區(qū),采用MAX-DOAS技術(shù)對研究區(qū)2017年1月—2018年12月的大氣NO2和SO2垂直柱濃度(VCD)進行監(jiān)測,并結(jié)合同期的氣象數(shù)據(jù)、統(tǒng)計年鑒、工廠分布等數(shù)據(jù)研究天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2時空變化特征及影響因素,研究結(jié)果可為治理天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2污染提供重要的科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 監(jiān)測地點

阜康市位于天山北麓東段、烏蘇市位于天山北麓中段、博樂市位于天山北麓西段,3個城市皆屬于河谷地形,大氣污染物不易擴散。其中阜康市北部大部分為古爾班通古特沙漠,阜康市的工廠數(shù)量較多,現(xiàn)擁有甘泉堡、特變電工等大型化工廠,風(fēng)沙阻礙與工廠排污使得阜康市大氣中NO2和SO2濃度日益加大[13]。烏蘇市是新疆主要的礦區(qū)之一,與新疆的石化基地獨山子、新型商貿(mào)城奎屯市形成北疆“金三角”,礦物的開采煉化不斷加重烏蘇市的大氣NO2和SO2污染程度[14]。博樂市與哈薩克斯坦共和國接壤,擁有境內(nèi)國家一類開放口岸—阿拉山口口岸,是國家級邊境經(jīng)濟合作區(qū)和進出口貿(mào)易加工區(qū),貨車來往頻繁,貨車尾氣排放加重了當(dāng)?shù)卮髿釴O2和SO2污染程度[15-16]。

1.2 監(jiān)測方法與監(jiān)測點布設(shè)

于2017—2018年利用由海德堡大學(xué)和Hoffmann技術(shù)有限公司共同開發(fā)的便攜式MAX-DOAS設(shè)備,從09:00—19:00對研究區(qū)大氣NO2VCD和SO2VCD進行定點及車載移動監(jiān)測。阜康市的定點監(jiān)測區(qū)是在其東部城區(qū)的天賜賓館和西部城區(qū)的準(zhǔn)東賓館,移動路線是沿G335和S301繞阜康市一圈;因烏蘇市面積較小、城區(qū)集中,故烏蘇市的定點監(jiān)測區(qū)只布設(shè)在其城區(qū)西方的金都商務(wù)賓館,移動路線是沿S115、北京東路和奎河路繞烏蘇市一圈;博樂市的定點監(jiān)測區(qū)是在其北部城區(qū)的東港大酒店和南部城區(qū)的米蘭快捷賓館,移動路線是沿S205和S304繞博樂市一圈。MAX-DOAS觀測是利用朗伯比爾定律中光強測物質(zhì)濃度的基本原理,通過光強差異得到NO2VCD和SO2VCD(單位為每cm2的分子個數(shù));結(jié)合地面勢數(shù)據(jù)(http:∥www.gscloud.cn/)和氣象數(shù)據(jù)(https:∥data.cma.cn/),通過對天山北坡城市的地勢及風(fēng)向風(fēng)速的特征討論其對研究區(qū)大氣NO2和SO2污染的影響;再利用后向軌跡聚類數(shù)據(jù)〔由美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供(ftp:∥arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas0p5)〕對大氣污染物的不同的輸送態(tài)勢分類,設(shè)定相對地面高度為500 m,后向追溯的時間為48 h,通過氣團的流向分布模擬研究區(qū)氣團的軌跡聚類,通過聚類分析天山北坡城市外來氣流的輸送對本地大氣NO2和SO2濃度的影響[17-18];最后再結(jié)合全國排污許可證管理信息平臺數(shù)據(jù)(http:∥permit.mee.gov.cn)得到工廠分布、車流量實測數(shù)據(jù)來分析產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)對當(dāng)?shù)卮髿釴O2和SO2污染的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 大氣NO2 VCD和SO2 VCD的時間變化特征

MAX-DOAS是以太陽光為光源的被動光譜技術(shù),只有白天可以獲取數(shù)據(jù),因此該文敘述的NO2VCD和SO2VCD皆為白天的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理過程中發(fā)現(xiàn),太陽的天頂角大于75°時的SO2光譜數(shù)據(jù)反演誤差過大不易采用,故采用的大氣SO2VCD日變化覆蓋時段較NO2VCD略短(11:00—17:00數(shù)據(jù))。由圖1可看出阜康市、烏蘇市和博樂市的大氣 NO2VCD高于SO2VCD,且NO2VCD和SO2VCD四季平均日變化形態(tài)基本呈現(xiàn)中午低、早上和傍晚高的特征,這主要是因為09:00—10:00和19:00 是新疆早、晚高峰的時間,車流量最大,大量的尾氣排放使得大氣中NO2VCD增加;中午太陽光照強度最大,光化學(xué)反應(yīng)分解部分大氣中的NO2和SO2,因此中午大氣中的NO2和SO2較少。

圖1 監(jiān)測點大氣NO2 VCD和SO2 VCD的日變化特征Fig.1 Diurnal variation characteristics of NO2VCD and SO2 VCD in atmosphere at monitoring points

由圖2可知,天山北坡城市各監(jiān)測點NO2VCD和SO2VCD季節(jié)變化趨勢基本一致,均是冬季>春季>秋季>夏季,這主要是因為新疆的采暖期從10月中旬開始至來年的3月中旬結(jié)束,因此大量的燃煤使得新疆冬季、春季、秋季的大氣中的NO2VCD、SO2VCD不斷增加,加上冬季車輛行駛緩慢、滯留時間長從而產(chǎn)生大量NO2和SO2,且新疆冬季逆溫層厚，阻礙大氣污染物的擴散,進一步增加了大氣中的NO2VCD和SO2VCD。因此在后期的城市環(huán)境建設(shè)中,可對車輛較多的城市實施限號出行的政策,生態(tài)環(huán)境部門可對新疆燃煤期實行燃煤溫度的控制,合理減少燃煤量并使用無煙煤,以此來降低城市大氣NO2和SO2污染。

該時間變化特征與劉巖等[19]利用DOAS監(jiān)測發(fā)現(xiàn)烏魯木齊市大氣NO2濃度早晚高中午低這一特征一致;與王莉莉等[20]利用中國空氣質(zhì)量監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)和DOAS數(shù)據(jù)相結(jié)合研究發(fā)現(xiàn)新疆庫爾勒市大氣NO2濃度冬季最高、夏季最低這一特征相似。不同的是,經(jīng)過DOAS技術(shù)的改進,該文添加了對大氣SO2VCD的研究,并加入了移動監(jiān)測、外來氣團影響和產(chǎn)業(yè)布局的影響,能夠更細(xì)致地分析導(dǎo)致大氣污染的原因。

圖2 監(jiān)測點大氣NO2 VCD和SO2 VCD的四季變化特征Fig.2 Seasonal variation characteristics of NO2 VCD and SO2 VCD at monitoring points

2.2 大氣NO2 VCD移動監(jiān)測變化特征

從圖3可看出,不同研究區(qū)的大氣NO2VCD的空間分布特征不同,阜康市夏季NO2VCD的最大值為5.419×1015cm-2(以分子數(shù)計，下同),冬季NO2VCD的最大值為17.423×1015cm-2,污染嚴(yán)重的地區(qū)主要是西部和南部的工廠附近以及一些交通干道處;烏蘇市夏季NO2VCD的最大值為5.681×1015cm-2,冬季NO2VCD的最大值為15.871×1015cm-2,污染嚴(yán)重的地區(qū)主要是西南方的工廠和交通干道密集處;博樂市夏季NO2VCD的最大值為5.022×1015cm-2,冬季NO2VCD的最大值為14.037×1015cm-2,污染嚴(yán)重的地區(qū)主要是北部和南部的工廠和交通要道處。由此可見工業(yè)排放和汽車尾氣排放對大氣NO2濃度貢獻較大。整體來看,研究區(qū)的冬季大氣NO2VCD大于夏季,這一結(jié)果與定點監(jiān)測分析結(jié)果一致;同一研究區(qū)冬季重污染區(qū)的范圍比夏季大,并且南部污染較嚴(yán)重,這主要是新疆冬季的逆溫層較厚,且研究區(qū)背靠天山山脈,大氣污染物不易擴散,尤其是山腳下大氣污染物易堆積,加重大氣NO2VCD。對于污染嚴(yán)重路段應(yīng)實施相應(yīng)的治理措施,如對車輛多的路段進行改道,對工廠多的地區(qū)統(tǒng)一管理,并不定期監(jiān)測工廠生產(chǎn)排污情況等。

2.3 影響因素

2.3.1自然因素

新疆屬于大陸性氣候區(qū),四季分明,年內(nèi)溫差變幅大[21-22]。研究區(qū)地勢南高北低,由于山坡散熱快,冷空氣循山坡下沉到谷底,谷底原來的暖空氣被冷空氣抬擠上升,從而出現(xiàn)氣溫的倒置現(xiàn)象,尤其冬季冷空氣重,易沉聚谷底,造成下冷上熱的現(xiàn)象,產(chǎn)生逆溫層,谷底的大氣污染物就更加不易擴散。3個城市中博樂市風(fēng)速及頻率最大,烏蘇市次之,阜康市最低;阜康市以西南風(fēng)為主、烏蘇市以西風(fēng)為主,而阜康市和烏蘇市的工廠大部分在城市西部,因此每當(dāng)刮西風(fēng)的時候會將工廠附近的污染物吹向市區(qū),加大市區(qū)的污染,而博樂市的工廠大部分在城市南部,且博樂市的西北方處有大風(fēng)口,大氣污染物能快速擴散,減小大氣污染程度。

利用HYLPSIT對研究區(qū)外來氣團軌跡聚類,得到圖4所示的不同方向的氣團傳輸軌跡,可看出經(jīng)過研究區(qū)的外來氣團主要從北方、西方和南方而來,其中西方的氣團軌跡最長,移動速度最快。

圖3 各城市大氣監(jiān)測點NO2 VCD 的空間分布Fig.3 Spatial distribution of NO2 VCD in atmosphere at monitoring points

北方來的氣團主要途徑古爾班通古特沙漠、克拉瑪依市、烏魯木齊市,西方來的氣團主要途徑塔城、博州、烏蘇等地,南方的氣團主要是從天山山脈南部及北部的山腳下而來,從沙漠而來的氣團會攜帶較多塵埃，降低大氣能見度,減少光照,阻止大氣中的NO2和SO2分解;烏蘇市是重要礦區(qū),烏魯木齊市是新疆經(jīng)濟文化匯聚中心,克拉瑪依市是石油城市、獨庫公路是旅游勝地，來往車輛較多,這些地區(qū)的大氣NO2和SO2污染均較大,途徑這些地區(qū)的氣團會攜帶當(dāng)?shù)卮髿庵械牟糠治廴疚飦淼窖芯繀^(qū),進一步加重研究區(qū)的大氣污染;從天山山脈南部而來的氣團會攜帶塵土進入市區(qū),從天山山脈北部的山腳下來的氣團會攜帶原本就堆積在山腳下未擴散的污染物進入市區(qū),加重市區(qū)的大氣污染。以上分析說明外來氣團是加重天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2污染的原因之一。

在今后的城市布局中,可盡量將工廠布局在城市的下風(fēng)向處,以減少工廠排污對市區(qū)的污染,對于新城區(qū)的修建也可以考遠(yuǎn)慮離天山腳下,對于靠近沙漠的城市應(yīng)多種植植被降低風(fēng)沙,盡量減少外來氣團所攜帶的污染物對城市大氣的污染。此外，在今后的研究中不僅要考慮本地的污染源，也要考慮外來污染情況。

圖4 研究區(qū)氣團軌跡聚類Fig.4 Clustering of air mass trajectories in the study area

2.3.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)

大氣中NO2和SO2濃度與城市GDP、燃料燃燒、車輛尾氣排放等因素有關(guān),NO2和SO2高濃度區(qū)基本與這些高排放污染源的分布一致[23]。根據(jù)新疆2017統(tǒng)計年鑒可知,阜康市、烏蘇市和博樂市第一產(chǎn)業(yè)所占比列分別為16.3%、38.2%和18%,第二產(chǎn)業(yè)所占比列分別為58.2%、30.4%和32.7%,第三產(chǎn)業(yè)所占比例分別為25.5%、31.4%和49.3%;從表1和圖5可知,天山北坡城市的工廠分布數(shù)量自阜康市向博樂市逐漸遞減,車流量為博樂市>阜康市>烏蘇市,且春秋車流量最大,冬季最低。綜上可知,阜康市以第二產(chǎn)業(yè)為主，烏蘇市以第一產(chǎn)業(yè)為主，博樂市以第三產(chǎn)業(yè)為主,工廠排污對阜康市大氣污染影響較大,汽車尾氣排放對博樂市大氣污染影響更大一些,而烏蘇市以農(nóng)業(yè)為主,因此烏蘇市大氣污染程度比阜康市與博樂市小?？煽闯鲅芯繀^(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同,造成的大氣污染程度也不同,以第一產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染程度最低,以第三產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染程度較低,以第二產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染程度最嚴(yán)重。因此工業(yè)與車流輛對一個城市的污染具有較大的影響,為更好地響應(yīng)環(huán)保政策,政府可以對工廠排污做出相應(yīng)的限制以及對車輛出行和清潔能源的使用提出相應(yīng)的鼓勵政策,以此來降低天山北坡城市大氣污染程度。大氣NO2和SO2的污染來源是復(fù)雜、多變且范圍較廣的,因此今后應(yīng)多角度、全方面地研究大氣NO2、SO2污染,為天山北坡城市的大氣防控工作提供更加全面的依據(jù)。

表1 研究區(qū)工業(yè)布局分析

圖5 研究區(qū)車流量統(tǒng)計Fig.5 The traffic flow statistics of the study area

3 結(jié)論

(1)從日變化來看,阜康市、烏蘇市和博樂市同一時刻的大氣中NO2VCD大于SO2VCD,且3個城市的大氣 NO2VCD和SO2VCD四季平均日變化形態(tài)基本呈現(xiàn)中午低、早上和傍晚高的特征。從季節(jié)上來看NO2VCD和SO2VCD從大到小依次為冬季>春季>秋季>夏季。

(2)從空間上來看,阜康市、烏蘇市和博樂市夏季NO2VCD的最大值分別為5.419×1015、5.681×1015、5.022×1015cm-2,冬季最大值為17.423×1015、15.871×1015、14.037×1015cm-2,天山北坡河谷型城市城市冬季大氣NO2VCD大于夏季,NO2污染嚴(yán)重的地區(qū)主要在工廠、交通干道以及天山山脈附近。

(3)研究區(qū)皆為河谷型城市,且晝夜溫差大,易產(chǎn)生逆溫層,大氣污染物不易擴散;阜康市和烏蘇市的工廠布局大多在西邊,博樂市工廠主要分布在南部,且博樂市處于大風(fēng)口處,因此每當(dāng)刮西風(fēng)時阜康市與烏蘇市大氣污染會加重,博樂市大氣污染會降低;外來氣團是加重天山北坡河谷型城市大氣NO2和SO2污染的原因之一。

(4)從GDP來看阜康市以第二產(chǎn)業(yè)為主,烏蘇市以第一產(chǎn)業(yè)為主,博樂市以第三產(chǎn)業(yè)為主,天山北坡城市的工廠分布數(shù)量自阜康市向博樂市逐漸遞減,車流量從大到小依次為博樂市>阜康市>烏蘇市,且春秋車流量最大、冬季最低。產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不同的城市大氣污染程度不同,第一產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染最低、第三產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染次之,第二產(chǎn)業(yè)為主的城市大氣污染最嚴(yán)重。