天山北坡经济带城市NO_2污染的时空分布特征_于志翔.pdf

DOI:10 3969/j issn 1674 6732 2023 01 006天山北坡经济带城市 NO2污染的时空分布特征于志翔1，2，李霞1*，郑博华3(1 中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐830002;2 乌鲁木齐气象卫星地面站，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐830011;3 新疆维吾尔自治区人工影响天气办公室，新疆维吾尔自治区乌鲁木齐830002)摘要:基于20152020 年近地面 NO2质量浓度数据和2019 年哨兵 5P TOPOMI 卫星探测的对流层 NO2柱浓度数据，采用相关性分析、趋势分析等方法探究新疆天山北坡经济带 6 个城市 NO2污染的时空分布特征。结果表明:(1)从年均值来看，天山北坡经济带 NO2质量浓度总体呈下降趋势，尤其 20182020 年下降明显。其中乌鲁木齐 NO2质量浓度值最高、博乐最低。(2)从季度均值和月均值来看，各城市 NO2质量浓度季节变化明显，其中夏季最低、冬季最高;月均值呈“中间低、两头高”的变化特征。(3)从日均值来看，各城市 NO2质量浓度大多呈现双峰型分布，分别出现在早上 10:00 和晚上 23:00。(4)从空间分布来看，NO2柱浓度高值区多分布在人口密集和工业发达的城市地区，尤其是乌鲁木齐、昌吉、五家渠、石河子污染最为严重。关键词:天山北坡经济带;二氧化氮;时空分布;大气污染;TOPOMI 数据中图分类号:X823;P422 1文献标志码:B文章编号:1674 6732(2023)01 0036 08收稿日期:2022 04 08;修订日期:2022 06 17基金项目:中国沙漠气象科学研究基金项目(Sqj2021011，Sqj2019004，Sqj2017013);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(IDM2020001);国家自然科学基金项目(41575011)作者简介:于志翔(1988)，男，高级工程师，硕士，主要从事环境气象与卫星资料分析研究工作。*通讯作者:李霞E-mail:susannaryy163 comSpatial and Temporal Variations of NO2in Urbans along the Northern Slope Economic Beltof Tianshan MountainsYU Zhi-xiang1，2，LI Xia1*，ZHENG Bo-hua3(1 Institute of Desert Meteorology，Chinese Meteorological Administration，Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous egion830002，China;2 Urumqi Meteorological Satellite Ground Station，Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous egion830011，China;3 Xinjiang Weather Modification Office，Urumqi，Xinjiang Uygur Autonomous egion 830002，China)Abstract:Based on the ground observation from 6 stations along the Northern Slope Economic Belt of Tianshan during 20152020and the Sentinel5P TOPOMI data in 2019，the spatial-temporal distribution characteristics of nitrogen dioxide(NO2)wereinvestigated，by using the correlation and trend analysis methods The results showed that:(1)The NO2concentration presents adecreasing tendency during 20152020，particularly obvious during 20182020 NO2concentration is the highest in Urumqi andthe lowest in Bole(2)In terms of annual cycle，the monthly mean NO2concentration is characterized by a“U”type，reaching thelowest in summer and the highest in winter(3)As for diurnal cycle，the NO2concentration presents a significant double-peakdistribution，occurring at 10:00 in the morning and 23:00 at night，respectively(4)From the spatial distribution，high values ofNO2column are located at those densely populated and industrially developed urban regions，particularly in the cities of Urumqi，Changji，Wujiaqu，ShiheziKey words:North Slope Economic Belt of Tianshan;NO2;Spatial and temporal distribution;Atmospheric pollution;TOPOMI data0前言二氧化氮(NO2)作为大气中一种重要的痕量气体，在对流层和平流层大气化学中发挥重要的作用1。NO2与大气中臭氧(O3)的生成和消亡密切63第 15 卷第 1 期2023 年 1 月环境监控与预警Environmental Monitoring and ForewarningVol 15，No 1January 2023相关，并作为二次颗粒物生成的前体物影响近地面细颗粒物(PM2 5)的浓度，是近年来中国重污染天气频发的主要原因之一2。随着城市化和工业化进程不断加快，化石能源大量消耗、机动车数量急剧增加等导致对流层 NO2浓度迅速上升。全面了解对流层 NO2柱浓度分布特征，有利于深入了解NO2在空气质量3、气候变化4、人体健康5 6 和大气污染监测7 8 等方面的作用。近年来，国内外学者通过空气质量监测站点常规观测数据9 11、车载(船载、机载)移动设备监测数据12 16、激光雷达观测数据 17 18 和卫星遥感监测数据 19 21 等开展关于 NO2的研究，并取得了大量的成果。研究表明，中国各地对流层 NO2柱浓度分布差异较大且与当地经济活动及人口分布密切相关 22，中东部浓度较高，主要集中在京津冀、长三角、珠三角以及四川盆地等地区 23，其他区域浓度相对较低。从时间尺度看，19972006 年中国对流层 NO2柱浓度呈明显的增长趋势 22，20102013 年略有增加，之后减少并趋于稳定 23。从不同区域看，粤港澳大湾区 NO2柱浓度分布呈现出较为显著的圈层结构，大湾区上空的对流层 NO2柱浓度存在明显的“冬高夏低，春秋过渡”的季节性差异和周期性波动特征24 25;浙江省对流层 NO2柱浓度呈现显著的增长趋势和季节变化特征，其中 NO2柱浓度最高值出现在冬季，最低值出现在夏季26。随着“一带一路”战略的实施，新疆天山北坡经济带迅速发展的同时，各种大气污染问题日益严重，新疆 NO2排放量在全国的比重呈上升趋势7。2020 年新疆生态环境状况公报显示，“十三五”期间，14 个地(州、市)人民政府(行署)所在城市(以下简称“14 城市”)的二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)年均浓度整体呈持续下降趋势，NO2、可吸入颗粒物(PM10)、PM2 5的年均浓度呈波动下降趋势，O3年均浓度呈波动上升趋势27;2020 年 14 城市中空气质量达到国家二级标准的为 4 个(阿勒泰市、塔 城 市、博 乐 市、克 拉 玛 依 市)，占 比 为28 57%27，远低于全国城市环境空气质量达标比例(59 9%)28，尤其天山北坡经济带地区颗粒物、NO2及 O3污染突出。有研究表明，20072017 年新疆地区 NO2污染集中分布于北疆，其中“乌鲁木齐昌吉石河子”城市群与新疆总体 NO2水平月变化相关性较强7，此研究趋于大尺度，并未给出北疆具体城市 NO2污染特征。现利用地面观测数据同时结合卫星反演数据，从中小尺度具体分析新疆天山北坡经济带 6 个重点城市 NO2污染的时空分布特征，有助于提高对新疆大气环境的全面了解，可以为该地区颗粒物、NO2及 O3的污染防治对策提供一定的科学依据。1资料与方法1 1研究区域概况天山北坡区域位于全国“两横三纵”城市化战略格局中陆桥通道横轴的西端，包括新疆天山以北、准噶尔盆地南缘的带状区域以及伊犁河谷的部分地区，总面积约 9 54 万 km2，属温带气候带29。2012 年底，国务院正式批复同意天山北坡经济带发展规划，天山北坡经济带被列为西部地区重点培育的新的增长极之一。带内集中了全疆 25 6%的人口、83%的重工业和 62%的轻工业，城市化水平达 61 2%，是新疆人口最集中、经济最发达、城市分布最密集的地区30。2020 年发布的新疆维吾尔自治区第二次全国污染源普查公报 显示，2017 年，全疆大气污染物中，排放的 SO2为 26 884万 t，氮氧化物(NOX)为 53 378 万 t，颗粒物为62 445 万 t31。可见大气污染问题已严重威胁其生态环境安全和可持续发展，因此加强天山北坡经济带的 NO2污染监测研究已势在必行。现选取乌鲁木齐、昌吉、五家渠、石河子、博乐和伊宁 6 个重点城市进行研究(图 1)。图 1研究区域示意1 2数据获取及处理2015 年 1 月2020 年 12 月地面 NO2逐时浓度数据来源于 6 个重点城市的空气环境质量监测73第 15 卷第 1 期于志翔等 天山北坡经济带城市 NO2污染的时空分布特征2023 年 1 月站(表 1)。将同一城市的不同站点数据，按照时间序列累加求平均值，得到该城市的 NO2均值数据，然后利用 Fortran 软件处理为日均值数据、月均值数据、季节均值数据和年均值数据等。表 1地面环境监测站点城市站点名称站点经纬度信息经度(N)纬度(E)乌鲁木齐天山区收费所87 607 343769 1沙依巴克区监测站87 582 743830 9高新区铁路局87 555 743871 6水磨沟区三十一中学87 643 743827 1乌鲁木齐县培训基地87 468 343458 5米东区环保局87 721 744174 7昌吉新区政务中心87 271 744029 7亚心广场87 299 744011 4五家渠农水大厦87 526 944167 4经开区管委会87 546 344147 2石河子艾青诗歌馆86 035 344299 8阳光学校86 014 244289 2博乐市党校82 048 544855 6市环保局82 080 644896 9伊宁第二水厂81 335 843941 5市环保局81 281 443940 0新政府片区81 299 643917 42019 年 112 月哨兵 5P 卫星 TroposphericMonitoring Instrument(TOPOMI)反演数据来源于欧洲 航 天 局 发 布 的 NO2柱 总 量 的 二 级 产 品。TOPOMI 是目前世界上技术最先进、空间分辨率最高的大气监测光谱仪，可有效观测全球大气中痕量气体组分。其成像幅宽达2 600 km，成像分辨率达 7 km 3 5 km，每日可覆盖全球进行 1 次观测。获取的原始数据为所需区域范围内每日格点数据，利用 MATLAB 软件对其进行批量投影、裁剪、拼接，根据分析需要将数据处理为日均值、月均值、季节均值和年均值数据等。2NO2浓度的时间变化特征2 1城市 GDP 及产业分布特征根据 20192020 年 6 个城市国民经济和社会发展统计公报(来源于各城市政府网站)，其国内生产总值(GDP)及产业分布见表 2。由表 2 可见，各城市第二产业 GDP 的排序为:乌鲁木齐 昌吉 石河子 五家渠 博乐 伊宁。除伊宁外，其他5 个城市第二产业 GDP 的排序与 NO2质量浓度排序一致。20192020 年各城市第二产业 GDP 与NO2质量浓度年均值相关系数达到 0 75，说明 NO2排放受第二产业影响较大。特别是“乌鲁木齐昌吉石河子”区域产业结构偏向重工业，能源结构以煤炭为主，以占新疆 4 1%的国土面积承载了近一半的煤炭消费量，公路运输占比高，NOX的排放量占新疆总排放量的 1/3，该区域煤炭消费总量由2015 年的6 500 万 t 增加至2020 年的7 729 万 t，导致该区域的 NO2质量浓度比其他城市相对较高。表 220192020 年天山北坡经济带各城市 GDP 及产业分布城市2019 年 GDP/亿元2020 年 GDP/亿元总和第一产业第二产业第三产业总和第一产业第二产业第三产业乌鲁木齐3 413 2527 30907 922 478033 337312669907 752 40287昌吉1 324 73214 92554 085557313872424245581 2856351石河子528 09100 50185 502420955219114691949624254五家渠301 7960 58145 949527320047018154879499博乐354 2968 2089 60196493771082201013019360伊宁272 906 6061 60204702959086078 60208 702 2NO2质量浓度年均值变化20152020 年天山北坡经济带城市 NO2质量浓度年均值变化曲线见图 2。由图 2 可见，6 年间乌鲁木齐 NO2质量浓度最高，博乐 NO2质量浓度最低。6 个城市 NO2质量浓度年均值排序为:乌鲁木齐(49 54 g/m3)昌吉(40 37 g/m3)石河子(36 05 g/m3)伊宁(33 16 g/m3)五家渠(32 7 g/m3)博乐(18 11 g/m3)。乌鲁木齐、昌吉、五家渠、伊宁的 NO2质量浓度最高值均出现在2017 年，分别为 5467，4585，3996 和 3779 g/m3。石河子、博乐的2 个极大值分别出现在2017 年(石河子 44 46 g/m3、博乐 19 84 g/m3)和 2019 年(石河子 36 87 g/m3、博乐 19 77 g/m3)。各城市 2020 年 NO2浓度与 2015 年相比，除石河子外均呈下降趋势。乌鲁木齐、昌吉、五家渠、博乐、伊宁分别同比降低 17 86%，16 63%，8 33%，6.04%83第 15 卷第 1 期于志翔等 天山北坡经济带城市 NO2污染的时空分布特征2023 年 1 月和 4 42%，石河子同比上升 5 67%。截至 2020年，除乌鲁木齐外，其他 5 个城市 NO2质量浓度年均值未超过环境空气质量标准(GB 30952012)32，城市环境空气质量进一步改善。图 220152020 年天山北坡经济带各城市NO2质量浓度年均值变化2020 年，中国生态环境公报 29 公布的重点区域NO2质量浓度显示:京津冀及周边地区为 35 g/m3，长三角地区为29 g/m3，汾渭平原为 35 g/m3。对比可见，除了博乐外，其他 5 个城市 NO2质量浓度均已达到或超过京津冀、长三角等发达地区的污染水平。其原因一是天山北坡经济带人口密集，且工业以煤炭、石油等能源产业为主27，“十三五”期间重化工业发展迅速;二是北疆地区冬季采暖期相对较长，且冬季城市上空常有逆温层出现，导致NO2污染难以扩散，采暖期重污染天气频发。20152020 年天山北坡经济带各城市 NO2质量浓度逐月均值变化见图 3(a)(f)。由图 3 可见，除博乐外，其他城市的 NO2质量浓度均呈波动式下降趋势。博乐 NO2质量浓度最大值出现在2015 年 12 月，为 36 29 g/m3，其他城市 NO2质量浓度最大值均出现在 2017 年 1 月，伊宁、石河子、五家渠、昌吉和乌鲁木齐分别为 71 56，85 62，73.00，77 13 和 91 16 g/m3。2 3NO2质量浓度季节均值变化20152020 年天山北坡经济带各城市 NO2质量浓度的季节均值变化见图 4。由图 4 可见，各城市 NO2质量浓度存在明显的季节差异，均表现为夏季 春季 秋季 冬季，其中乌鲁木齐冬季 NO2质量浓度最大，为 73 83 g/m3。天山北坡经济带采暖期从 10 月 15 日次年 4 月 15 日，长达半年的图 320152020 年天山北坡经济带各城市 NO2质量浓度逐月均值变化93第 15 卷第 1 期于志翔等 天山北坡经济带城市 NO2污染的时空分布特征2023 年 1 月采暖期导致大量的污染物排放。冬季太阳辐射较弱，光化学反应偏弱，使 NO2生命周期长;同时冬季的气 象 条 件，如 逆 温 频 率 高33、混 合 层 厚 度低34 35、风速小36 等因素极不利于大气污染物的扩散，因此冬季 NO2质量浓度最高。夏季太阳辐射较强，光化学反应强，大气高氧化性使 NO2生命周期缩短37，并以干湿沉降的方式回到地面，因此夏季 NO2质量浓度最低。图 420152020 年天山北坡经济带各城市NO2质量浓度季节均值变化20152020 年天山北坡经济带各城市 NO2质量浓度季节均值逐年变化见图5(a)(f)。由图5可见，各城市不同季节 NO2质量浓度总体均呈现下降趋势。春季，石河子 NO2质量浓度由 2017 年的40 6 g/m3下降到 2020 年的 23 21 g/m3，下降幅度达 42 83%。夏季，五家渠、昌吉和乌鲁木齐NO2质 量 浓 度 由 2017 年 的 26 92，36 47 和36 35 g/m3，下降到 2020 年的 12 61，16 42 和21 22 g/m3，下降幅度达 53 18%，54 97%和41 6%。秋季，五家渠 NO2质量浓度由 2017 年的42 92 g/m3下降到 2020 年的 29 06 g/m3，下降幅度达 32 28%。冬季，博乐 NO2质量浓度变化不明显，其他城市均呈现先增加后减少的变化趋势，尤其是 20182020 年，减少趋势明显，石河子和伊宁冬季 NO2质量浓度分别由 2017 年的 66 37 和59 12g/m3减 少 到 2020 年 的 47 89和46 76 g/m3，下降幅度达 27 84%和 27 9%。2 4NO2质量浓度月均值变化20152020 年天山北坡经济带各城市 NO2质量浓度月均值变化见图 6。由图 6 可见，各城市112 月 NO2质量浓度均呈“中间低、两头高”的态势，14 月大幅下降，58 月趋于平稳，912 月大幅上升。博乐 NO2质量浓度最大值出现在12 月，图520152020 年天山北坡经济带各城市NO2质量浓度季节均值逐年变化04第 15 卷第 1 期于志翔等 天山北坡经济带城市 NO2污染的时空分布特征2023 年 1 月为 28 56 g/m3，伊宁、石河子、五家渠、昌吉和乌鲁木齐 NO2质量浓度最大值均出现在 1 月，分别为57 33，60 35，55 48，62 15 和 79 48 g/m3。图 620152020 年天山北坡经济带各城市NO2质量浓度月均值变化2 5NO2质量浓度日均值变化20152020 年天山北坡经济带各城市 NO2质量浓度日均值变化见图 7。图 720152020 年天山北坡经济带各城市NO2质量浓度日均值变化由图 7 可见，日均值变化曲线明显分为 2 类。第 1 类如五家渠，距离天山最远，可能受平原地形及夜间风速和风向等气象因素的影响，导致夜间NO2扩散速度快，不易积累，所以只在交通早高峰时呈现单峰型分布，最大值出现在上午 10:00，NO2质量浓度为 42 17 g/m3，最小值出现在 17:00，NO2质量浓度为 17 15 g/m3;第 2 类是其他 5 个城市，都坐落在山脚下，NO2质量浓度均呈现双峰型分布，24 h 整体变化趋势基本一致，第 1 个峰值出现在夜间 23:0024:00，第 2 个峰值出现在上午09:0011:00。3NO2质量浓度空间分布特征3 1NO2柱浓度的校验NO2柱浓度分布是近地面污染排放的间接反应，程苗苗26、李令军等37 研究发现，NO2柱浓度与地面 NO2质量浓度具有较好的正相关性。本研究利用 2019 年 112 月石河子地面观测 NO2质量浓度数据的月均值、日均值与哨兵 5p 卫星监测的 NO2柱浓度月均值、日均值进行比较验证，以检验卫星产品的准确性。对流层 NO2柱浓度与地面观测 NO2质量浓度相关性分析见图 8(a)(b)，与NO2质量浓度月均值对比见图 9。图 8对流层 NO2柱浓度与地面观测NO2质量浓度相关性分析由图 8 可见，日均值(100 组)和月均值(12组)数据均呈正相关关系，月均值数据呈中度相关关系，相关系数(r)=0 59，日均值数据呈低度相关，r=0 33。对照相关系数显著性检验表可知，月均数据 r(0 59)0 532、日均数据 r(0 33)0 195，均通过了 0 05 水平的显著性检验，但 NO214第 15 卷第 1 期于志翔等 天山北坡经济带城市 NO2污染的时空分布特征2023 年 1 月柱浓度与地面 NO2质量浓度相关性并不强。进一步分析，造成日均值数据相关性较低的原因可能是时间尺度较短，在日均值尺度上，卫星测量的 NO2柱浓度与地面监测的单层 NO2质量浓度差异较大。在月均值尺度上，若剔除 11 月和 12 月的数据，其他月份的 r=0 71，呈高度相关关系，可能是地面积雪、云量等因素导致 11 月和 12 月卫星 NO2柱浓度的反演结果误差较大。由图 9 可见，对流层 NO2柱浓度与地面观测 NO2质量浓度月均值对比曲线变化趋势基本一致，说明哨兵 5p 卫星监测的NO2柱浓度数据可用于天山北坡经济带地区。图 9对流层 NO2柱浓度与地面观测NO2质量浓度月均值对比3 2NO2柱浓度区域分布2019 年天山北坡经济带对流层 NO2柱浓度均值空间分布见图 10。图 102019 年天山北坡经济带对流层NO2柱浓度均值空间分布由图 10 可见，对流层 NO2柱浓度高值区和每个城市的地理位置一一对应，乌鲁木齐、昌吉、五家渠、石河子的污染最严重。乌鲁木齐 NO2柱浓度值最高，部分地区达 0 8 1016mol/cm2。此外，昌吉北部准东工业园区上空也形成了 1 个 NO2柱浓度高值区。4结论(1)20152020 年，天山北坡经济带 NO2质量浓度总体呈现下降趋势，其中 20182020 年下降幅度尤为明显。(2)从年均值变化看，NO2质量浓度 2017 年最高，污染最严重，2020 年最低，污染最轻。各城市中乌鲁木齐 NO2质量浓度值最高，博乐最低，其中乌鲁木齐、昌吉、五家渠、伊宁呈单峰型分布，石河子、博乐呈双峰型分布。(3)从季节均值变化看，NO2质量浓度变化显著，夏季最小，春、秋季次之，冬季最大。其中乌鲁木齐冬季 NO2质量浓度最大可达 73 83 g/m3。分析不同季节 NO2质量浓度的年际变化趋势可知，近年来各季节 NO2质量浓度下降趋势明显。(4)从月均值变化看，NO2质量浓度呈“中间低、两头高”的趋势，受气候和人为因素的影响，最大值大多出现在 1 月份。(5)从日均值变化看，NO2质量浓度大多呈现双峰型分布，第 1 个峰值出现在夜间，第 2 个峰值出现在上午。后续研究中将进一步分析五家渠NO2质量浓度日均值变化与其他城市不同的可能成因。(6)从空间分布分析，NO2柱浓度高值区大多分布在人口密集和工业发达的城市地区，尤其是乌鲁木齐、昌吉、五家渠、石河子城市圈污染最为严重，污染区域呈现以乌鲁木齐市为中心的圈状分布。建议可在该区域内增加地面监测站点布局，为大气污染防治提供更多的地面数据支持。由于 TOPOMI 数据资料较新，时间序列有限，本研究重点分析了近地面 NO2质量浓度分布特征，关于对流层 NO2柱浓度也只给出空间分布，且对于 NO2时空分布的影响因素也缺乏进一步分析，后续可结合多源卫星数据资料和气象要素数据等，进一步分析天山北坡经济带 NO2质量浓度分布的影响因素，为污染防治提供更为详细的参考。参考文献 1秦瑜，赵春生 大气化学基础M 北京:气象出版社，2003:24第 15 卷第 1 期于志翔等 天山北坡经济带城市 NO2污染的时空分布特征2023 年 1 月46 47 2张连华，周春艳，邹同元，等 基于 Sentinel-5P/TOPOMI 数据遥感监测 2019 年中国对流层 NO2柱浓度时空特征C/2020 中国环境科学学会科学技术年会论文集(第三卷)2020:508 514 3宋思醒，邓文叶，邓葵，等 新疆“乌昌石”区域空气质量变化特征分析J 新疆环境保护，2021，43(2):30 37 4STEINFELD J H，PANDIS S N，NOONE K Atmospheric chemis-try and physics:from air pollution to climate change J PhysicsToday，2008，51(10):88 5何淼，石昌浩，佘铉捷，等 2019 冠状病毒暴发初期时空特征及污染物评估J 中山大学学报(自然科学版)，2022，61(4):1 11 6段培法，孙雪，张璇，等 江苏省大气污染物健康风险评价J 气象与环境科学，2021，44(2):87 95 7苏锦涛，张成歆，胡启后，等 基于卫星高光谱遥感的 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