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新疆博樂市大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度特征(環(huán)保)

新疆博樂市大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度特征(環(huán)保)

                           王盼盼1，2，  李艷紅1,2*

（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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室新疆干旱區(qū)湖泊環(huán)境與資源實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊830054）

 摘  要：基于地基多軸差分吸收光譜技術(shù)( multi-axis different optical absorption spectroscopy，MAX-DOAS)，分析位于中國(guó)西部邊陲的典型干旱區(qū)城市——博樂市大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度(vertical column densities，VCD)分布、變化，了解其變化規(guī)律和分布特點(diǎn)。結(jié)果表明：(1)博樂市不同觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2VCD高低表現(xiàn)為農(nóng)田區(qū)>市[，農(nóng)田區(qū)NO2濃度最大達(dá)到5.69x10峙molec/cm2，市區(qū)NO2濃度最大達(dá)到3.79x1015molec/cm2；(2)市區(qū)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2濃變化趨勢(shì)基本一致，相同的是北京時(shí)間10：00，出現(xiàn)峰值；農(nóng)田區(qū)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2VCD -天內(nèi)呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)；(3)同一區(qū)域，不同天氣條件下，對(duì)流層NO2VCD高低不同。多云條件下對(duì)流層NO2 VCD濃度最高，其次是多云轉(zhuǎn)陣雨、多云轉(zhuǎn)小雨，晴天條件下對(duì)流層NO2濃度較低；(4)不同區(qū)域，相同天氣條件下對(duì)流層NO2VCD分布不同。社會(huì)活動(dòng)較多的市區(qū)對(duì)流層NO2 VCD較高。

關(guān)鍵詞：對(duì)流層；二氧化氮；垂直柱濃度；博樂市  中圖分類號(hào)：X16  doi: 10.3969/j．issn．1003-6504.2016.06.017    文章編號(hào)：1003-6504(2016)06-0091-05

  NO2是大氣中一種重要的痕量氣體，它參與控制大氣中氧化劑O2和OH的含量；NO2是臭氧的重要前提物，在光化學(xué)污染形成中起重要作用。大氣中的氮氧化物不僅影響人類健康，在大氣中的輻射平衡和氧化作用中也非常重要；NO2具有直接和間接輻射作用，會(huì)一定程度地影響氣候變化。在近地面，NO2本來(lái)就是一種污染物，會(huì)損害人體呼吸系統(tǒng)；因此，探究

大氣NO2濃度分布特征有重要意義。近10年有關(guān)對(duì)流層NO2VCD的研究主要集中于中國(guó)東部比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，以及特殊的極地地區(qū)。NO2作為衡量人為大氣污染的一個(gè)重要風(fēng)向標(biāo)，更加有必要了解其分布特征和變化規(guī)律。近年來(lái)，自西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施以后，西部城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，一些城市的主要污染物發(fā)生了變化。為了解其變化現(xiàn)狀，有必要對(duì)西部干旱區(qū)城市做相關(guān)研究。目前，對(duì)新疆迅速發(fā)展起來(lái)的中小型城市來(lái)說(shuō)，研究多集中在酸雨特征及其成因分析、空氣質(zhì)量與氣象條件的關(guān)系、能見度、PM10等方面。為了增強(qiáng)對(duì)干旱區(qū)城市大氣對(duì)流層氮氧化物排放源分布及強(qiáng)度的認(rèn)識(shí)和理解，本文基于MAX-DOAS對(duì)博樂市對(duì)流層大氣NO2濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以了解博樂市NO2濃度變化特征、加強(qiáng)博樂市的城市管理和綜合發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)、為西部經(jīng)濟(jì)在可持續(xù)發(fā)展中對(duì)大氣環(huán)境的保護(hù)、治理提供科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

    博樂市地處新疆維吾爾自治區(qū)西北部、準(zhǔn)噶爾盆地西南緣、艾比湖西岸79 km處，地勢(shì)西高東低，高山、中山、低山丘陵和谷底平原呈現(xiàn)階梯狀分布，屬于大陸性干旱半荒漠和荒漠氣候，夏季高溫炎熱，冬季漫長(zhǎng)寒冷。博樂市是一個(gè)快速發(fā)展起來(lái)的城市，全市總面積7802 km2，全市總?cè)丝?/font>25.77萬(wàn)，是一個(gè)以煤炭為主要城市能源，并且煙塵和揚(yáng)塵是主要的污染源。但是近幾年，隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大、人口數(shù)量的增加以及機(jī)動(dòng)車數(shù)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變化，博樂的能見度呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì)。

1.2研究方法與對(duì)象

    Mini-DOAS與裝有DOASIS軟件的筆記本通過USB連接在一起，儀器工作參數(shù)文件中將仰角的位置分別設(shè)置為10、30、60、100、150、200、300、450和900，儀器按照此仰角循環(huán)觀測(cè)，每個(gè)位置停留的時(shí)間大概1 min，10 min左右完成1次循環(huán)。儀器還可以通過程序控制在每天的夜間自動(dòng)測(cè)量暗電流（dark current）和電偏置(electronic offset)光譜，以備用來(lái)對(duì)采集的光譜進(jìn)行處理修正，用410—435 nm波長(zhǎng)窗口反演NO2濃度。本研究于2013年8-9月在博樂市選擇市中心興樂廣場(chǎng)( XLGC)、青得里大街(QDLDJ)以及北部農(nóng)田區(qū)-84團(tuán)9連(84T9L)，設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)固定監(jiān)測(cè)3～4 d（表1），監(jiān)測(cè)時(shí)間為9：00-18：00，記錄觀測(cè)期間的天氣條件（表1）。觀測(cè)點(diǎn)示意圖見圖1。我們選取300仰角的觀測(cè)數(shù)進(jìn)行分析。

新疆博樂市大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度特征(環(huán)保)1953.png新疆博樂市大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度特征(環(huán)保)1954.png 

2結(jié)果分析

2.1  博樂市不同觀測(cè)區(qū)域?qū)α鲗?/font>NO2垂直柱濃度差異

2 .1.1不同觀測(cè)區(qū)域?qū)α鲗?/font>NO2垂直柱濃度變化特征

    圖2表示的是2013年博樂市3個(gè)不同觀測(cè)區(qū)域大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度(VCD)-天內(nèi)北京時(shí)間9:00-18:00分布情況，表2給出了3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)NO2濃度變化值。3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)NO2濃度表現(xiàn)為84T9L>XLGC>QDLD。QDLD和XLGC這2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)NO2濃度變化趨勢(shì)基本一致，相同的是北京時(shí)間10：00，出現(xiàn)峰值。QDLDJ北京時(shí)間10:00NO2濃度達(dá)到一天中的最大值2.52x1015 mol ec/cm2，之后下降趨勢(shì)顯著，其變化范圍0.73 x1015～2.52 x1015  mol ec/cm2; XLGC北京時(shí)間10:00達(dá)到峰值3.24x1015 mol ec/cm2以后，NO2濃度呈現(xiàn)曲線上升，北京時(shí)間18:00達(dá)到一天中的最大值3.79x1015 mo lec/cm2，表2可知其變化范圍1.29 x1015～3.79x1015 mol ec/cm2,84T9L觀測(cè)點(diǎn)與市區(qū)觀測(cè)點(diǎn)NO2濃度變化趨勢(shì)不同，從北京時(shí)間早8：00開始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，北京時(shí)間11:00達(dá)到一天中的最小值2.28x1015mol ec/cm2,之后NO2濃度上升趨勢(shì)顯著，北京時(shí)間晚18:00NO2濃度達(dá)到一天中最大5.69x1015 molec/cm2。市區(qū)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2濃度變化QDLDJ小于XLGC，這和2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)周圍的環(huán)境有很大的關(guān)系，市區(qū)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2濃度變化小于84T9L觀測(cè)點(diǎn)，這或許和當(dāng)時(shí)觀測(cè)的季節(jié)有關(guān)。夏季，特別是西部夏季高溫溫度比較高，有利于土壤NO2揮發(fā)，有資料表明土壤揮發(fā)能夠貢獻(xiàn)全部NO2的50%～75%。

新疆博樂市大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度特征(環(huán)保)2692.png新疆博樂市大氣對(duì)流層NO2垂直柱濃度特征(環(huán)保)2693.png 

2.1.2不同觀測(cè)區(qū)域觀測(cè)期間對(duì)流層NO2垂直柱濃度日變化差異

    圖3顯示8月29日-9月12日觀測(cè)期間，對(duì)流層NO2VCD平均值的變化是比較明顯的。QDLDJ觀測(cè)點(diǎn)8月29日-8月30日期間，8月30日（周五）對(duì)流層NO2VCD稍高；XLGC觀測(cè)點(diǎn)9月1日-9月3日期間，9月2日對(duì)流層NO2稍高，84T9L觀測(cè)點(diǎn)9月9日-9月12日期間，9月11日（周三）對(duì)流層NO2 VCD較高。相同天氣條件下NO2濃度高低不同，觀測(cè)期間對(duì)流層NO2VCD每天分布有情況差異，這或許與人類每天活動(dòng)的方式不同、數(shù)量不同、生活習(xí)慣、及機(jī)動(dòng)車行駛量有關(guān)。

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2.2博樂市區(qū)不同天氣條件下對(duì)流層NO2垂直柱濃度變化特征

    圖4表明在QDLDJ觀測(cè)點(diǎn)，相同天氣條件下，對(duì)流層NO2 VCD變化趨勢(shì)基本一致，但是每天的濃度都有所變化，9月3日是3d中濃度較高的一天，當(dāng)天溫度為11～26℃，溫度較9月1日和9月2日的高；圖5表示的是XLGC觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2VCD的變化，其中對(duì)云轉(zhuǎn)陣雨天氣條件下NO2VCD較高，晴天條件下NO2 VCD較低，并且多云轉(zhuǎn)小雨和多云轉(zhuǎn)陣雨的天氣條件下對(duì)流層NO2 VCD變化趨勢(shì)基本相同，不同于晴天條件下的變化。博樂市干旱區(qū)氣候特征顯著，陣雨雨量不大，且陣雨的時(shí)間很短，云量在空中聚集的時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)流層NO2不能很快擴(kuò)散，所以一天中NO2濃度較高；XLGC觀測(cè)點(diǎn)位于博樂市中心，且在博樂市主要交通道路上（北京路）人口稠密，并且來(lái)往的交通車輛較多，一天中積累的NO2不能及時(shí)有效的擴(kuò)散，這或許是在晴天時(shí)，下午NO2濃度較高的原因。

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2.3博樂市農(nóng)田區(qū)84T9L不同天氣條件下對(duì)流層NO2垂直柱濃度變化特征

    圖6表明84T9L觀測(cè)點(diǎn)晴天條件下，對(duì)流層NO2VCD變化有較好的一致性，多云條件下NO2濃度明顯高于晴天。多云的天氣不利于對(duì)流層NO2的擴(kuò)散，所以NO2濃度較高，連續(xù)觀測(cè)期間，溫度變化不大，都在14～30℃，并且風(fēng)力<3級(jí)，一天中對(duì)流層NO2VCD變化幅度不大。

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3討論

    通過對(duì)博樂市市區(qū)和農(nóng)田區(qū)對(duì)流層NO2VCD的觀測(cè)，分析可知：所觀測(cè)的農(nóng)田區(qū)域84T9L對(duì)流層NO2VCD (3.28x1015 molec/cm2)高于市區(qū)XLGC( 2.89×1015 molec/cm2)高于市區(qū)QDLDJ(1.37x1015 molec/cm2)．并且市區(qū)和農(nóng)田區(qū)域每天NO2濃度變化趨勢(shì)不同；84T9L位于博樂市的東北部，地勢(shì)較市區(qū)高，并且博樂市的主要風(fēng)向是西北部阿拉山口刮來(lái)的西北風(fēng)，但是此區(qū)域NO2VCD卻是較高的，或許與當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的改變以及化肥等肥料大量使用有關(guān)，具體原因還需要進(jìn)一步探索；XLGC和QDLDJ這2個(gè)觀測(cè)點(diǎn)位于市區(qū)。其中XLGC觀測(cè)點(diǎn)位于南北貫穿博樂市的北京路上，機(jī)動(dòng)車行駛輛大、居住的人口數(shù)量多是大型的購(gòu)物商場(chǎng)和商業(yè)街集聚地，而QDLDJ觀測(cè)點(diǎn)位于東西方向的道路上，相比之下，這條路較冷清。社會(huì)活動(dòng)和當(dāng)?shù)氐纳盍?xí)慣不同，這與對(duì)流層NO2VCD的分布和變化有很大的關(guān)系。

    同一區(qū)域，不同天氣條件下，對(duì)流層NO2VCD濃度高低不同。多云條件下NO2濃度最高，其次是多云轉(zhuǎn)陣雨、多云轉(zhuǎn)小雨，晴天條件下NO2濃度較低。84T9L觀測(cè)點(diǎn)晴天條件下，溫度較高的當(dāng)天NO2濃度最高，與農(nóng)田中肥料的分解有一定關(guān)系；市區(qū)NO2濃度較高的一天恰好是星期三，馬建中在對(duì)北京NO2濃度的研究中也得到了類似的結(jié)果，星期三濃度最高(4.6x1015 molec/cm2)，但是目前還沒有足夠的資料來(lái)解釋這種現(xiàn)象，還需要進(jìn)一步探索。

    與中國(guó)東部大城市相比，博樂市對(duì)流層NO2VCD較低，空氣質(zhì)量較好，但是近30年，博樂市的能見度是有所降低的，其中NO x是最主要的污染物，博樂市的污染因子已經(jīng)有粉塵轉(zhuǎn)向NO x，與此同時(shí)，博樂市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展是相當(dāng)迅速的，這需要引起足夠的重視，對(duì)博樂市的N O2特征研究還需要進(jìn)一步探索。

4結(jié)論

    農(nóng)田區(qū)域大氣對(duì)流層NO2VCD高于市區(qū)，市區(qū)2個(gè)不同的觀測(cè)區(qū)域?qū)α鲗?/font>NO2VCD高低不同，XLGC的NO2濃度要高于QDLDJ。農(nóng)田和市區(qū)對(duì)流層NO2 VCD變化范圍分別為0.73x1015～3.79x1015、2.28x1015～5.69x1015 molec/cm2。

    農(nóng)田區(qū)域和市區(qū)對(duì)流層NO2VCD日變化趨勢(shì)不同，市區(qū)觀測(cè)點(diǎn)早上10：00出現(xiàn)峰值，之后QDLDJ觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2VCD呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，XLGC觀測(cè)點(diǎn)對(duì)流層NO2VCD呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)；農(nóng)田區(qū)域?qū)α鲗?/font>NO2 VCD則是呈現(xiàn)一直上升的趨勢(shì)。

    不同天氣條件下，對(duì)流層NO2濃度不同，對(duì)云天氣條件下NO2濃度最高，晴天條件下最低，晴天轉(zhuǎn)陣雨，晴天轉(zhuǎn)小雨。

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