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，