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乌昌石都市圈是国家规划的19个重要城市群之一,亦为天山北坡经济带的重要组成部分[1]。《自治区新型工业化“十三五”发展规划》[2]提出,新疆将重点打造天山北坡、天山南麓、北疆沿边产业带,以推动天山北坡经济带率先发展,从而带动天山南麓产业带、北疆沿边产业带协同发展。天山南北的绿洲城市为人口集聚地区,亦为大气环境污染最敏感区域[3]。在绿洲城市经济快速发展的同时,NO2污染日益严重。在“十三五”期间,全区14个城市仅4个城市环境空气质量达到国家二级标准。天山北坡经济带的乌鲁木齐市 (米东区、新市区、头屯河区) 、昌吉州 (昌吉市、阜康市) 、石河子市,以及天山南麓绿洲城市和田市、阿克苏市、库尔勒市的环境空气质量始终排名靠后,且NO2年均污染都超过国家二级标准[4]。天山南北坡绿洲型城市间存在经济发展差别,从而造成了NO2污染的区域差异。我国绿洲型城市与平原型、沿海型城市的本地排放强度较大,而导致NO2浓度过高。由河流灌溉形成的新疆河谷绿洲型城市,其冬季寒冷漫长,供暖期长达半年,在天山山脉阻挡冷空气南下,形成较厚逆温层,NO2污染物极不易扩散。为减少新疆NO2排放量,需全面透彻研究NO2排放时空变化规律。
在2006—2010年,美国国家航空航天局、欧洲空间局等发射的GOME (GlobalOzone MonitoringExperiment,即全球臭氧监测仪) [5]、SCIAMACHY (即扫描成像大气吸收光谱仪) [6]、OMI (Ozone Monitoring Instrument,即臭氧监测仪) [7]等卫星遥感器返回的监测数据以其时序长、大范围和高分辨率等优势,成为NO2污染研究的重要条件。TROPOMI[8]能提供更高分辨率的信息,但目前受限于观测时长,无法进行长时序的监测。而由于新疆地区相关数据存在缺失,故基于OMI高光谱遥感技术仍是研究长时间序列NO2时空变化特征的主要手段。而在2016—2020年,聚类与潜在源贡献因子分析法 (potential source contribution function,PSCF) 逐渐被利用来识别污染物输送特征与潜在源区[9]。BELLA等[10]利用后向轨迹模型发现美国东南部等地区均对德克萨斯州污染产生影响。赵权威等[11]结合聚类、PSCF和浓度权重轨迹分析法 (concentration-weighted trajectory,CWT) 进行分析,发现阿克达拉NO2受本地源和外源输送的影响,本地污染源主要由自然源[12]与人为源[13]组成。尽管学者们对长时间序列NO2时空分布特征进行了大量研究,但利用遥感技术对新疆天山南北绿洲型城市NO2排放时空变化及差异性的研究尚不多见。
本研究以2006—2020年的NO2垂直柱浓度OMI高光谱遥感资料为基础,将输送条件和减排政策相关联,重点利用后向轨迹模型对气流季节输送条件进行分析,并采用重心轨迹模型对NO2污染重心变化进行分阶段追踪,通过PSCF计算方法来识别城市NO2潜在源贡献,再对比地面监测数据及地基监测数据,以期在分析不同类型城市污染特征,并对比3类监测方法的优劣势,以期为新疆维吾尔自治区的大气污染治理提供参考。
基于OMI遥感数据及地面数据的新疆部分城市NO2污染特征分析及监测技术应用建议
Temporal and spatial variation of NO2 in oasis cities in Xinjiang based on hyperspectral remote sensing technology
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摘要: 为推进《重点区域大气污染防治“十四五”规划》实施,更有效地治理新疆NO2污染。基于高光谱遥感技术,并结合地面监测技术,对新疆河谷型绿洲城市进行NO2污染物时空变化研究。结果表明:NO2污染特征整体表现为“十二五”期间>“十一五”期间>“十三五”期间;秋季“十一五”期间减少幅度最大(−11.45%);冬季在“十二五”期间减少幅度最大(−9.74%)。近15年来,北疆的NO2污染重心在乌鲁木齐东南部郊区与昌吉州西南部交界处甘泉堡工业园附近,南疆所研究区域污染主要出现在阿克苏市附近。新疆的NO2污染均由本地源与气团传输共同影响。北疆潜在源区主要分布在新疆中部,主要途径乌昌石等地区。天山南坡潜在源区主要分布在新疆南部,主要途径库尔勒与阿克苏地区。新冠疫情期间控制人为污染源排放对大气污染治理有明显影响。本研究可为新疆大气污染防治提供数据参考。Abstract: In order to promote the implementation of the “14th Five-Year Plan for the Prevention and Control of Air Pollution in Key Regions”, and to control NO2 pollution in Xinjiang more effectively. Based on hyperspectral remote sensing technology, combined with ground monitoring technology, this paper studies the temporal and spatial changes of NO2 pollutants in valley-type oasis cities in Xinjiang. The research results show that: (1) The overall characteristics of NO2 concentration are as follows: “Twelfth Five-Year” period > “Eleventh Five-Year” period > “Thirteenth Five-Year” period; the largest decrease (−11.45%) during the "Eleventh Five-Year" period in autumn; During the “Twelfth Five-Year Plan” period, the winter has the largest decrease (−9.74%). In the past 15 years, the center of NO2 pollution concentration in northern Xinjiang was near the Ganquanbao Industrial Park at the junction of the southeastern suburbs of Urumqi and the southwestern part of Changji Prefecture, and the concentration in the study area of southern Xinjiang was near Aksu City. The NO2 concentration in Xinjiang is influenced by both local sources and air mass transport. The potential source areas of northern Xinjiang are mainly distributed in the central part of Xinjiang, mainly through Wuchangshi and other areas. The potential source areas of the southern slope of the Tianshan Mountains are mainly distributed in the southern part of Xinjiang, mainly through the Korla and Aksu areas. During the COVID-19 epidemic, the control of man-made pollution sources has played a significant role in air pollution control. This study can provide data reference for the prevention and control of air pollution in Xinjiang.
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表 1 新疆不同地区NO2排放浓度
Table 1. NO2 emissions in different areas of Xinjiang
城市 “十一五”时期
的排放浓度
(2006—2010年)“十二五”时期
的排放浓度
(2011—2015年)“十三五”时期
的排放浓度
(2016—2020年)乌鲁木齐 20.91 24.28 14.5 石河子 18.54 21.96 11.69 昌吉 5.99 9.71 8.23 吐鲁番 5.34 6.52 4.31 博乐 5.18 7.88 5.21 哈密 4.35 5.24 4.17 喀什 3.65 4.47 3.59 奎屯 2.92 3.22 3.12 阿克苏 3.01 3.56 2.83 库尔勒 2.06 2.26 1.92 和田 2.66 3.08 2.58 表 2 新疆主要时期NO2排放浓度变化幅度
Table 2. Variation range of NO2 emission in Xinjiang during the main period
时期 春季变化 夏季变化 秋季变化 冬季变化 非采暖期变化 采暖期变化 “十一五”时期(2006—2010年) −0.77% 3.08% −11.45% 1.99% 2.82% 6.30% “十二五”时期(2011—2015年) −0.31% −0.98% −2.86% −9.74% −2.08% −4.35% “十三五”时期(2016—2020年) −11.45% 7.40% −4.65% −4.86% −7.18% −9.05% 表 3 疫情前后各阶段NO2增减幅度
Table 3. Increase and decrease of NO2 in different stages before and after the epidemic
疫情发展阶段 乌鲁木齐 石河子 昌吉 库尔勒 阿克苏 和田 第一阶段 0.43% 0.26% 0.56% 0.37% 0.04% 0.69% 第二阶段 −0.58% −0.08% −0.26% −0.75% −0.13% −0.26% 第三阶段 −0.38% −0.03% −0.17% −0.08% −0.06% −0.1% 第四阶段 −0.07% −0.13% −0.19% −0.04% −0.16% −0.07% 表 4 新疆不同时期民用汽车拥有量与工业生产总值增长率
Table 4. Growth Rate of Civil Automobile Ownership and Industrial GDP in Different Periods of Xinjiang (%)
经济时期 民用汽车拥有量增长率 工业生产总值增长率 “十一五”时期 0.75% 0.89% “十二五”时期 1.29% 1.01% “十三五”时期 0.83% 0.19% 表 5 不同类型城市产业结构
Table 5. Industrial structure of different types of cities
城市类型 代表城市 第一产业平均增长值/亿元 第二产业平均增长值/亿元 第三产业平均增长值/亿元 生产总值增长率/% 平原型城市 北京 126.5 4 639.2 17 885.1 3.21 沿海型城市 上海 116.1 7 614.2 16 665.2 2.6 盆地型城市 重庆 930.9 5 685.1 7 102.3 5.05 北疆绿洲型城市 乌鲁木齐 19.7 586.2 1 441.3 3.99 南疆绿洲型城市 和田 56.9 36.7 31.9 5.82 -
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