新疆博乐市大气对流层NO2垂直柱浓度特征(环保)

新疆博乐市大气对流层NO₂垂直柱浓度特征(环保)

                           王盼盼^1，2，  李艳红^1,2*

（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）

 摘  要：基于地基多轴差分吸收光谱技术( multi-axis different optical absorption spectroscopy，MAX-DOAS)，分析位于中国西部边陲的典型干旱区城市——博乐市大气对流层NO₂垂直柱浓度(vertical column densities，VCD)分布、变化，了解其变化规律和分布特点。结果表明：(1)博乐市不同观测点对流层NO₂VCD高低表现为农田区>市[，农田区NO₂浓度最大达到5.69x10峙molec/cm²，市区NO₂浓度最大达到3.79x10¹⁵molec/cm²；(2)市区观测点对流层NO₂浓变化趋势基本一致，相同的是北京时间10：00，出现峰值；农田区观测点对流层NO₂VCD -天内呈现缓慢上升趋势；(3)同一区域，不同天气条件下，对流层NO₂VCD高低不同。多云条件下对流层NO₂ VCD浓度最高，其次是多云转阵雨、多云转小雨，晴天条件下对流层NO₂浓度较低；(4)不同区域，相同天气条件下对流层NO₂VCD分布不同。社会活动较多的市区对流层NO₂ VCD较高。

关键词：对流层；二氧化氮；垂直柱浓度；博乐市  中图分类号：X16  doi: 10.3969/j．issn．1003-6504.2016.06.017    文章编号：1003-6504(2016)06-0091-05

  NO₂是大气中一种重要的痕量气体，它参与控制大气中氧化剂O₂和OH的含量；NO₂是臭氧的重要前提物，在光化学污染形成中起重要作用。大气中的氮氧化物不仅影响人类健康，在大气中的辐射平衡和氧化作用中也非常重要；NO₂具有直接和间接辐射作用，会一定程度地影响气候变化。在近地面，NO₂本来就是一种污染物，会损害人体呼吸系统；因此，探究

大气NO₂浓度分布特征有重要意义。近10年有关对流层NO₂VCD的研究主要集中于中国东部比较发达的地区，以及特殊的极地地区。NO₂作为衡量人为大气污染的一个重要风向标，更加有必要了解其分布特征和变化规律。近年来，自西部大开发战略的实施以后，西部城市经济快速发展，一些城市的主要污染物发生了变化。为了解其变化现状，有必要对西部干旱区城市做相关研究。目前，对新疆迅速发展起来的中小型城市来说，研究多集中在酸雨特征及其成因分析、空气质量与气象条件的关系、能见度、PM₁₀等方面。为了增强对干旱区城市大气对流层氮氧化物排放源分布及强度的认识和理解，本文基于MAX-DOAS对博乐市对流层大气NO₂浓度进行监测，以了解博乐市NO₂浓度变化特征、加强博乐市的城市管理和综合发展提供科学依据、为西部经济在可持续发展中对大气环境的保护、治理提供科学依据。

1材料与方法

1.1研究区概况

    博乐市地处新疆维吾尔自治区西北部、准噶尔盆地西南缘、艾比湖西岸79 km处，地势西高东低，高山、中山、低山丘陵和谷底平原呈现阶梯状分布，属于大陆性干旱半荒漠和荒漠气候，夏季高温炎热，冬季漫长寒冷。博乐市是一个快速发展起来的城市，全市总面积7802 km²，全市总人口25.77万，是一个以煤炭为主要城市能源，并且烟尘和扬尘是主要的污染源。但是近几年，随着城市规模的扩大、人口数量的增加以及机动车数量的猛增，博州的主要污染源因子以及污染程度都有一定程度的变化，博乐的能见度呈现逐渐降低趋势。

1.2研究方法与对象

    Mini-DOAS与装有DOASIS软件的笔记本通过USB连接在一起，仪器工作参数文件中将仰角的位置分别设置为1⁰、3⁰、6⁰、10⁰、15⁰、20⁰、30⁰、45⁰和90⁰，仪器按照此仰角循环观测，每个位置停留的时间大概1 min，10 min左右完成1次循环。仪器还可以通过程序控制在每天的夜间自动测量暗电流（dark current）和电偏置(electronic offset)光谱，以备用来对采集的光谱进行处理修正，用410—435 nm波长窗口反演NO₂浓度。本研究于2013年8-9月在博乐市选择市中心兴乐广场( XLGC)、青得里大街(QDLDJ)以及北部农田区-84团9连(84T9L)，设置3个观测点，每个点固定监测3～4 d（表1），监测时间为9：00-18：00，记录观测期间的天气条件（表1）。观测点示意图见图1。我们选取30⁰仰角的观测数进行分析。

2结果分析

2.1  博乐市不同观测区域对流层NO₂垂直柱浓度差异

2 .1.1不同观测区域对流层NO₂垂直柱浓度变化特征

    图2表示的是2013年博乐市3个不同观测区域大气对流层NO₂垂直柱浓度(VCD)-天内北京时间9:00-18:00分布情况，表2给出了3个观测点NO₂浓度变化值。3个观测点NO₂浓度表现为84T9L>XLGC>QDLD。QDLD和XLGC这2个观测点NO₂浓度变化趋势基本一致，相同的是北京时间10：00，出现峰值。QDLDJ北京时间10:00NO₂浓度达到一天中的最大值2.52x10¹⁵ mol ec/cm²，之后下降趋势显著，其变化范围0.73 x10¹⁵～2.52 x10¹⁵  mol ec/cm²; XLGC北京时间10:00达到峰值3.24x10¹⁵ mol ec/cm²以后，NO₂浓度呈现曲线上升，北京时间18:00达到一天中的最大值3.79x10¹⁵ mo lec/cm²，表2可知其变化范围1.29 x10¹⁵～3.79x10¹⁵ mol ec/cm²,84T9L观测点与市区观测点NO₂浓度变化趋势不同，从北京时间早8：00开始呈现下降趋势，北京时间11:00达到一天中的最小值2.28x10¹⁵mol ec/cm²,之后NO₂浓度上升趋势显著，北京时间晚18:00NO₂浓度达到一天中最大5.69x10¹⁵ molec/cm²。市区观测点对流层NO₂浓度变化QDLDJ小于XLGC，这和2个观测点周围的环境有很大的关系，市区观测点对流层NO₂浓度变化小于84T9L观测点，这或许和当时观测的季节有关。夏季，特别是西部夏季高温温度比较高，有利于土壤NO₂挥发，有资料表明土壤挥发能够贡献全部NO₂的50%～75%。

2.1.2不同观测区域观测期间对流层NO₂垂直柱浓度日变化差异

    图3显示8月29日-9月12日观测期间，对流层NO₂VCD平均值的变化是比较明显的。QDLDJ观测点8月29日-8月30日期间，8月30日（周五）对流层NO₂VCD稍高；XLGC观测点9月1日-9月3日期间，9月2日对流层NO₂稍高，84T9L观测点9月9日-9月12日期间，9月11日（周三）对流层NO₂ VCD较高。相同天气条件下NO₂浓度高低不同，观测期间对流层NO₂VCD每天分布有情况差异，这或许与人类每天活动的方式不同、数量不同、生活习惯、及机动车行驶量有关。

2.2博乐市区不同天气条件下对流层NO₂垂直柱浓度变化特征

    图4表明在QDLDJ观测点，相同天气条件下，对流层NO₂ VCD变化趋势基本一致，但是每天的浓度都有所变化，9月3日是3d中浓度较高的一天，当天温度为11～26℃，温度较9月1日和9月2日的高；图5表示的是XLGC观测点对流层NO₂VCD的变化，其中对云转阵雨天气条件下NO₂VCD较高，晴天条件下NO₂ VCD较低，并且多云转小雨和多云转阵雨的天气条件下对流层NO₂ VCD变化趋势基本相同，不同于晴天条件下的变化。博乐市干旱区气候特征显著，阵雨雨量不大，且阵雨的时间很短，云量在空中聚集的时间较长，对流层NO₂不能很快扩散，所以一天中NO₂浓度较高；XLGC观测点位于博乐市中心，且在博乐市主要交通道路上（北京路）人口稠密，并且来往的交通车辆较多，一天中积累的NO₂不能及时有效的扩散，这或许是在晴天时，下午NO₂浓度较高的原因。

2.3博乐市农田区84T9L不同天气条件下对流层NO₂垂直柱浓度变化特征

    图6表明84T9L观测点晴天条件下，对流层NO₂VCD变化有较好的一致性，多云条件下NO₂浓度明显高于晴天。多云的天气不利于对流层NO₂的扩散，所以NO₂浓度较高，连续观测期间，温度变化不大，都在14～30℃，并且风力<3级，一天中对流层NO₂VCD变化幅度不大。

3讨论

    通过对博乐市市区和农田区对流层NO₂VCD的观测，分析可知：所观测的农田区域84T9L对流层NO₂VCD (3.28x10¹⁵ molec/cm²)高于市区XLGC( 2.89×10¹⁵ molec/cm²)高于市区QDLDJ(1.37x10¹⁵ molec/cm²)．并且市区和农田区域每天NO2浓度变化趋势不同；84T9L位于博乐市的东北部，地势较市区高，并且博乐市的主要风向是西北部阿拉山口刮来的西北风，但是此区域NO₂VCD却是较高的，或许与当地农业生产模式的改变以及化肥等肥料大量使用有关，具体原因还需要进一步探索；XLGC和QDLDJ这2个观测点位于市区。其中XLGC观测点位于南北贯穿博乐市的北京路上，机动车行驶辆大、居住的人口数量多是大型的购物商场和商业街集聚地，而QDLDJ观测点位于东西方向的道路上，相比之下，这条路较冷清。社会活动和当地的生活习惯不同，这与对流层NO₂VCD的分布和变化有很大的关系。

    同一区域，不同天气条件下，对流层NO₂VCD浓度高低不同。多云条件下NO₂浓度最高，其次是多云转阵雨、多云转小雨，晴天条件下NO₂浓度较低。84T9L观测点晴天条件下，温度较高的当天NO₂浓度最高，与农田中肥料的分解有一定关系；市区NO₂浓度较高的一天恰好是星期三，马建中在对北京NO₂浓度的研究中也得到了类似的结果，星期三浓度最高(4.6x10¹⁵ molec/cm²)，但是目前还没有足够的资料来解释这种现象，还需要进一步探索。

    与中国东部大城市相比，博乐市对流层NO₂VCD较低，空气质量较好，但是近30年，博乐市的能见度是有所降低的，其中NO _x是最主要的污染物，博乐市的污染因子已经有粉尘转向NO _x，与此同时，博乐市的经济发展是相当迅速的，这需要引起足够的重视，对博乐市的N O₂特征研究还需要进一步探索。

4结论

    农田区域大气对流层NO₂VCD高于市区，市区2个不同的观测区域对流层NO₂VCD高低不同，XLGC的NO₂浓度要高于QDLDJ。农田和市区对流层NO₂ VCD变化范围分别为0.73x10¹⁵～3.79x10¹⁵、2.28x10¹⁵～5.69x10¹⁵ molec/cm²。

    农田区域和市区对流层NO₂VCD日变化趋势不同，市区观测点早上10：00出现峰值，之后QDLDJ观测点对流层NO₂VCD呈现下降趋势，XLGC观测点对流层NO₂VCD呈现缓慢下降的趋势；农田区域对流层NO₂ VCD则是呈现一直上升的趋势。

    不同天气条件下，对流层NO₂浓度不同，对云天气条件下NO₂浓度最高，晴天条件下最低，晴天转阵雨，晴天转小雨。