程念亮, 張大偉,李云婷?, 陳 添, 孫 峰,李令軍, 程兵芬,

(1 北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心大氣顆粒物監(jiān)測技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100048；2 北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875； 3 中國環(huán)境科學(xué)研究院，北京 100012；4 北京市環(huán)境保護局，北京 100048)(2016年1月18日收稿； 2016年4月21日收修改稿)

簡報

2015年08月22日至30日世界田徑錦標(biāo)賽在北京舉行，9月3日是中國首個法定的“中國人民抗日戰(zhàn)爭勝利紀(jì)念日”，為做好這“兩大活動”期間的空氣質(zhì)量保障工作，北京市和周邊六省區(qū)將分兩個階段(8月20日—8月27日、8月28日—9月4日)實施機動車行駛限制、工業(yè)停限產(chǎn)減排、施工工地停止土石方和拆除作業(yè)、放假調(diào)休等措施，降低NOx、VOCs、顆粒物等大氣污染物排放[1].由于保障措施的實施，“兩大活動”期間北京市PM2.5日均濃度連續(xù)15天一級優(yōu)，達到監(jiān)測歷史以來的最低水平，空氣質(zhì)量被譽為“閱兵藍(lán)”[2].

為保障國際重大活動期間空氣質(zhì)量所采取的臨時性減排措施較為罕見，不可重復(fù)，且為評估減排措施對空氣質(zhì)量改善分析及評估工作提供了難得的機會[3-4].國內(nèi)和國際上，均有一些城市因為保障重大活動期間空氣質(zhì)量而采取臨時性或階段性控制措施的先例，如2002年釜山亞運會、2010年印度德里聯(lián)邦運動會、2008年北京奧運會和2014年北京APEC會議等.Lee等[5]研究2002年第24屆韓國釜山亞運會期間，私家車限行措施對PM10、CO、NO2、SO2濃度的影響發(fā)現(xiàn)，限行措施使得機動車平均車速增加約28.1%，13個空氣子站PM10、CO、NO2、SO2濃度明顯下降；Beig等[6]發(fā)現(xiàn)2010年英聯(lián)邦運動會第一次在印度德里舉行，德里采取車輛和交通控制、工廠搬遷、電廠減排等系列措施，評估結(jié)果顯示這些措施某些情況下并不能有效降低污染物濃度，重大活動舉行前應(yīng)盡早規(guī)劃并提前實施減排措施；Wang和Xie[7]評估2008年北京奧運期間交通排放削減的環(huán)境質(zhì)量改善效果，結(jié)果顯示PM10、CO、NO2和O3降低比例分別為28%、19.3%、12.3%和-25.2%；吳其重等[8]從氣象場和排放源兩方面研究奧運期間北京市PM10濃度大幅減小的主要原因，結(jié)果表明奧運賽事期間 PM10濃度大幅減小的主要原因不是氣象因素，而是由于額外措施引起的 PM10排放減少；樊守彬等[9]發(fā)現(xiàn)APEC會議期間快速路機動車尾氣CO、NOx、HC和PM排放削減比例分別為15.1%、22.4%、18.4%和21.8%.

機動車尾氣排放是很多城市大氣污染的重要來源[10]，在眾多減排措施中，針對機動車(影響空氣質(zhì)量的主要排放源類[11])所采取的限行措施較為普遍.目前，針對“兩大活動”期間北京市空氣質(zhì)量改善和分析的研究尤其是機動車限行后NOx濃度特征分析的研究很少，分析認(rèn)識“兩大活動”期間北京及周邊地區(qū)保障措施的實施后NOx濃度特征，并開展減排措施、氣象條件對其濃度影響研究是國內(nèi)外急需研究和關(guān)注的問題.本研究主要綜合分析“兩大活動”期間北京市NOx的濃度特征，并初步評估減排措施對“兩大活動”期間NOx濃度的貢獻及影響.

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

北京市位于東經(jīng)115.7°～117.4°E，北緯39.4°～41.6°N，地處華北平原西北端，地形為簸箕型，三面環(huán)山，平均海拔43.5 m.國土面積16 410.54 km2，62%為山區(qū)，全市森林覆蓋率37.6%.屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，年降水量較少且降水的80%集中在夏季6、7、8這3個月[8]；全市共有2 100多萬常住人口、560萬輛機動車；年開復(fù)工面積2億m2以及大量的生產(chǎn)、服務(wù)活動主要集中在平原地區(qū)，污染物排放強度較高[12].

1.2 站點與儀器

CO、NO2、PM2.5、SO2和PM10監(jiān)測數(shù)據(jù)為北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心發(fā)布的逐時濃度數(shù)據(jù)(http://zx.bjmemc.com.cn/)，地面監(jiān)測站點共計35個(見圖1)，覆蓋所有區(qū)縣，包括區(qū)域背景、郊區(qū)、城鎮(zhèn)、交通干道、居住區(qū)等不同的環(huán)境功能類型. 集中分布在不同地區(qū)，包括城六區(qū)(東城、西城、朝陽、海淀、豐臺、石景山)、西北部(昌平、延慶)、東北部(懷柔、密云、平谷、順義)、東南部(通州、大興、亦莊)、西南部(房山、門頭溝).

圖1 北京市污染物觀測站點分布和分類Fig.1 Distribution and classification of observation sites in Beijing

35個空氣質(zhì)量自動監(jiān)測子站操作流程嚴(yán)格按照《環(huán)境空氣質(zhì)量自動監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ/T 193—2005)[10]進行，其中PM2.5、PM10均采用微量振蕩天平法，SO2采用紫外熒光法，NONO2采用化學(xué)發(fā)光法，O3采用紫外光度法，CO采用氣體濾波紅外吸收法.監(jiān)測設(shè)備由技術(shù)人員定期檢查并及時維護保養(yǎng).氣象資料為北京市觀象臺地面觀測資料、探空資料(http:∥cdc.cma.gov.cn/)，邊界層高度為云高儀監(jiān)測結(jié)果，觀測儀器為荷蘭WAISALA公司的WXT520氣象觀測儀.天氣實況圖為韓國天氣實況資料和數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品(http:∥web.kma.go.kr/eng/weather/images/analysischart.jsp).

在35個監(jiān)測點位中，城市環(huán)境站包括東四、官園、天壇、萬壽西宮、奧體中心、農(nóng)展館、萬柳、古城、順義、昌平、懷柔共11個監(jiān)測點，11站點各項污染物濃度的平均值作為評價北京市空氣質(zhì)量改善的依據(jù)；交通站包括永定門、前門、西直門北大街、南三環(huán)西路、東四環(huán)北路監(jiān)測點，監(jiān)測點位見圖1.

1.3 研究方法

分別結(jié)合天氣圖、氣象要素及區(qū)域及北京市污染物監(jiān)測情況分析“兩大活動”期間的NOx濃度及氣象條件變化；與APEC會議期間NOx濃度污染物減排效果對比分析，以期為北京市大氣污染控制提供科學(xué)數(shù)據(jù).評估時間段劃定如下：8月10日—8月19日為“保障前”，8月20日—9月03日為保障期間(8月20日—8月27日為“Ⅰ階段”，8月28日—9月3日為“Ⅱ階段”)，9月4日—9月11日為“保障后”.盡量剔除氣象條件等外在變化因素對空氣質(zhì)量造成的影響，相對客觀準(zhǔn)確地評估保障措施-污染物排放規(guī)模下降-污染排放量削減-空氣質(zhì)量改善之間的內(nèi)在定性定量關(guān)系.

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量變化

圖2(a)為2015年8月1日至9月10日北京市NO、NO2、PM2.5濃度及AQI逐日變化，從中可知，“兩大活動”期間8月20日至9月3日，北京市PM2.5平均質(zhì)量濃度為17.8 μg·m-3，同比下降73.2%，連續(xù)15天達到一級優(yōu)水平，相當(dāng)于世界發(fā)達國家大城市水平.NO、NO2平均質(zhì)量濃度分別為2.0 μg·m-3和22.7 μg·m-3，同比分別下降58.3%和52.1%，均達到監(jiān)測歷史以來的最低水平.特別是9月3日上午閱兵期間，北京市PM2.5平均質(zhì)量濃度僅為8 μg·m-3，完美呈現(xiàn)“閱兵藍(lán)”.

而保障前8月1日至19日NO2、NO和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為36.0、2.8和61.4 μg·m-3，明顯高于保障期間各污染物平均濃度；保障后期9月4日至10日NO2、NO和PM2.5平均質(zhì)量濃度分別為34.3、5.0和28.4 μg·m-3，與保障期間相比均明顯增大.

從全年的NO2濃度曲線圖(圖2(b))可以看出，冬季(12、1、2月)受不利氣象條件及燃煤、機動車等排放量較大的影響，NO2濃度整體較高；夏季(6、7、8月)擴散條件較好，NO2濃度整體較低；而保障期間，NO2濃度在一年期間處于較低水平；與夏季其他日期NO2濃度相比，保障期間沒有出現(xiàn)高濃度，整體變化較為平緩，表明機動車限行措施效果顯著，極大降低了NO2濃度.

圖2 “兩大活動”前后北京市AQI、NO、NO2、PM2.5濃度(a)及全年NO2濃度(b)逐日變化Fig.2 Variations in AQI and the concentrations of NO,NO2, and PM2.5 in Beijing before, during, and after the two major events (a) and the concentrations of NO2 in 2015(b)

查看“兩大活動”期間北京市地面和高空天氣形勢場可知(見表1)，活動期間地面以弱高壓控制為主，弱冷空氣活動較為頻繁，500 hPa高空以偏西北氣流為主，高低空天氣形勢的配合導(dǎo)致擴散條件整體比去年同期較好. 經(jīng)統(tǒng)計，活動期間平均風(fēng)速為1.41 m·s-1，主導(dǎo)風(fēng)向為偏北風(fēng)，平均風(fēng)速略小于近5年同期(1.44 m·s-1)，平均相對濕度為65.7%，與近5年同期65.8%基本持平；能見度較好，平均為17.3 km；混合層高度在190～740 m之間；雷陣雨天氣較多，活動期間中層(1 500 m高空)溫度較去年同期偏低約1 ℃，基本無逆溫；地面北風(fēng)頻率達到52%，明顯高于去年同期的37%，且北風(fēng)條件下區(qū)域污染對北京影響較小.較好的擴散條件一方面避開了周邊污染物持續(xù)的低空輸送，穩(wěn)定度趨于不穩(wěn)定也不易于污染物的局地積累；另一方面有利于污染物擴散的氣象條件下，大氣化學(xué)過程被有效抑制，有助于減低污染物的濃度，利于維持較好的空氣質(zhì)量水平.

表1 “兩大活動”期間北京市污染物濃度與氣象條件變化

2.2 氮氧化物日分布

污染物的日變化可以較好地剔除氣象要素變化的干擾，從而更直接地反映受污染排放影響的環(huán)境特征[13]. NO是機動車直接排放的污染物之一，從交通站的NO日變化特征(圖3(a))來看，差別最大的時段發(fā)生在凌晨至早高峰時段，07:00左右NO峰值濃度降低約43%；而城市環(huán)境站峰值濃度降低約45%；交通站NO峰值濃度整體約為城市站的12倍.峰值濃度明顯降低，一方面是夜行大貨車管控的結(jié)果，另一方面是早高峰排放量降低的反映.從市區(qū)的NO2日變化特征差異(圖3(b))來看，保障前期，NO2在上午09:00和夜間19:00都存在較為明顯的污染高峰；減排措施實施后，后半夜由小波峰峰度降低，早高峰和夜間的濃度積累速度明顯放緩.交通站NO2濃度整體約為城市站的1.5倍，反映了機動車排放的影響.PM2.5濃度日變化(圖3(c))較為平緩，但保障期間所有時段整體水平均明顯下降，反映了區(qū)域整體濃度水平的降低.由于PM2.5和NO2的來源多為機動車、工業(yè)過程和施工工地，其中機動車和工地、道路都屬于貼地排放源，減排措施實施見效較快，有效降低了峰值時段的水平，并減緩了濃度爬升的速度，減排效果顯著.

圖3 “兩大活動”前后北京市NO、NO2、PM2.5濃度日變化Fig.3 Diurnal variations in NO, NO2, and PM2.5 concentrations in Beijing before, during, and after the two major events

2.3 氮氧化物空間分布

圖4為采用克里格(Kriging) 插值法對北京市NO、NO2和PM2.5濃度進行空間插值后的分布圖[14].由圖4可知，保障前期北京市NO的高值區(qū)分布在中心城區(qū)及豐臺區(qū)、大興區(qū)，這些地區(qū)機動車數(shù)量及排放量較大；保障措施實施后，NO濃度明顯下降，香山、萬壽西宮、定陵、古城、農(nóng)展館等監(jiān)測點位NO濃度下降均在50%以上；保障后期中心城區(qū)及豐臺區(qū)、大興區(qū)濃度迅猛上升，可能與局部地區(qū)特殊的氣象條件密切相關(guān).保障前期北京市NO2的高值區(qū)均集中在中心城區(qū)，與NO濃度空間分布特征較為一致.保障措施實施后，從各站點濃度變化來看，多數(shù)站點濃度下降明顯，特別是懷柔、定陵、順義、門頭溝等監(jiān)測點位下降在55%左右.保障前期，北京市PM2.5的高值區(qū)為通州區(qū)，且PM2.5濃度分布呈現(xiàn)出明顯的梯度分布特征. 保障措施實施后，濃度下降明顯，梯度分布特征消失保障措施結(jié)束后，北京西南部、東南部的PM2.5總體污染水平較保障前較低，說明區(qū)域空氣質(zhì)量改善降低了污染傳輸對北京地區(qū)的影響.本文插值后污染物濃度空間分布的不確定性主要來自：1)“簸箕狀”的特殊地形影響，地形引起的山谷風(fēng)、海陸風(fēng)等小尺度環(huán)流等對PM2.5濃度造成很大影響；2)二次化學(xué)反應(yīng)的影響，沒有考慮特定氣象條件下，二次化學(xué)反應(yīng)增加的PM2.5濃度；3)插值方法誤差，由于35個站點較集中分布在城六區(qū)，郊區(qū)點個數(shù)較少，插值受采樣點范圍、采樣點密度等參數(shù)影響[15-16].

圖4 “兩大活動”前后北京市NO、NO2、PM2.5濃度空間變化Fig.4 Spatial variations in the concentrations of NO, NO2, and PM2.5 in Beijing before, during, and after the two major events

保障措施實施后，北京市永定門內(nèi)大街、前門東大街、南三環(huán)西路、東四環(huán)北路、西直門北大街交通監(jiān)測點位NO2、NO、PM2.5與保障前期相比(見圖5)，濃度分別下降22%～39%、8%～31%和70%～71%，不同物種改善幅度排序依次為PM2.5>NO2>NO.城區(qū)環(huán)境監(jiān)測站NO2、NO、PM2.5與保障前期相比，濃度分別下降38%、16%和70%.交通監(jiān)測點位NO2、NO、PM2.5濃度改善比例略高于城區(qū)環(huán)境監(jiān)測站，這與保障期間北京市采取的機動車單雙號措施密切相關(guān)，而不同監(jiān)測點位PM2.5改善比例最高可能與區(qū)域減排措施造成區(qū)域PM2.5濃度明顯下降有關(guān).

圖5 “兩大活動”前后北京市不同功能監(jiān)測站點NO2、NO、PM2.5濃度變化Fig.5 Variations in the concentrations of NO2,NO, and PM2.5 at different function monitoring stations before, during, and after the two major events

圖6為基于周邊NO2監(jiān)測數(shù)據(jù)插值得出的“兩大活動”前后京津冀及周邊區(qū)域NO2濃度空間分布，可以看出，保障前期區(qū)域NO2濃度高值區(qū)主要集中在京津地區(qū)與唐山地區(qū)、河北石家莊及以南地區(qū)、山東北部濱州及東營地區(qū)；而“兩大活動”期間整個區(qū)域NO2濃度水平明顯下降.第一階段保障措施實施后，北京市98%以上的車輛單雙號限行；北京市近周邊地區(qū)也采取了部分減排措施，但七省市區(qū)范圍內(nèi)大部分省市由于沒有同步減排，造成京津冀及周邊七省市NO2濃度整體呈現(xiàn)出北降南升的趨勢.從圖5可以看出以北京為中心的北部區(qū)域NO2濃度明顯降低，而河南、山東部分城市NO2濃度有所上升，NO2區(qū)域污染中心整體南移.從區(qū)域統(tǒng)計情況看，北京市NO2平均濃度下降幅度最大，達45%；保障后期區(qū)域NO2濃度有所上升，但高值區(qū)的范圍和濃度低于保障前期.

圖6 “兩大活動”前后北京市及周邊地區(qū)NO2、PM2.5濃度空間變化Fig.6 Spatial variations in the concentrations of NO2 and PM2.5 in the surrounding areas before, during, and after the two major events

北京市NO2濃度下降顯著主要受到兩方面因素的影響，一是有利的氣象條件(近地層的偏北氣流)加快了污染物的擴散，另外一方面減排措施的實施有效降低了區(qū)域NO2濃度.北京先期采取了機動車單雙號及企業(yè)停限產(chǎn)等嚴(yán)格措施，局地排放強度大幅降低，京津冀及周邊各省區(qū)市群策群力，區(qū)域共同減排使得北京作為NO2濃度高值中心明顯消失[17-18].

2.4 組分及消光系數(shù)變化

圖7 “兩大活動”前后北京市各高度層消光系數(shù)分布變化Fig.7 Distributions of extinction coefficients at different heights in Beijing before, during, and after the two major events

2.5 與APEC期間濃度對比

利用周邊省市監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析“兩大活動”期間和APEC期間NO2濃度改善情況(見表2)，保障措施實施后，APEC期間北京市NO2濃度下降44%，天津市下降5%，河北省下降20%；而大閱兵期間，北京市下降45%，天津市下降28%，河北省下降23%.“兩大活動”期間空氣質(zhì)量保障措施實現(xiàn)的污染物減排比例及環(huán)境NO2濃度改善比例略高于去年APEC空氣質(zhì)量保障，一定程度上是由于“兩大活動”期間京津冀及周邊省區(qū)市污染控制措施強度力度高于APEC會議期間.

表2 不同城市APEC期間和“兩大活動”期間NO2質(zhì)量濃度統(tǒng)計

從日變化上看(見圖8)，“兩大活動”期間和APEC期間保障措施實施后，NO2濃度在一天中不同時段均出現(xiàn)明顯下降，特別是早高峰和晚高峰時段NO2峰值濃度亦有明顯下降.由于APEC期間早晨由西部、北部山區(qū)引起的山谷風(fēng)(偏北風(fēng))較多，擴散條件較好，造成APEC期間早高峰NO2峰值濃度明顯消失；而大閱兵期間，風(fēng)向日變化轉(zhuǎn)換不顯著，早高峰NO2峰值濃度明顯高于晚高峰.

2.6 成因初步分析

“兩大活動”期間，8月20—27日北京市首先開始實施世錦賽和大閱兵污染源管理措施，每日比去年同期減少污染物排放30%～60%；8月28日起，北京周邊六省市全面啟動污染源排放管控方案，同比減少30%左右.保障措施實施后，北京市工業(yè)、企業(yè)SO2、NOx、PM2.5每日排放量分別為23、35和5 t；北京市機動車單雙號行駛，機動車每日排放NOx減排到141 t.北京市周邊六省市停限產(chǎn)企業(yè)日減排SO2、NOx、煙粉塵分別可達到3 100、3 054和1 438 t.減排措施使污染物的積累速度下降[23]；經(jīng)測算8月20日至9月3日與不采取措施相比，北京市11個監(jiān)測站點PM2.5濃度平均下降約41%；津冀晉蒙魯豫等周邊省區(qū)市空氣質(zhì)量同步明顯改善，70個地級以上城市的PM2.5平均濃度同比下降40%左右.研究采用數(shù)值模型計算的“兩大活動”期間北京市NO2減排貢獻率[2]，從保障措施對NO2濃度變化貢獻率來看，8月20日至9月3日期間區(qū)域減排措施對NO2濃度下降貢獻率在38.9%～48.4%之間，14天平均貢獻為44.5%；相對于PM2.5，NO2減排貢獻率較高且變化較為平緩，這主要與北京市本地機動車單雙號及本地工業(yè)減排措施有關(guān).從削減的各類污染源對各項污染物濃度改善貢獻(圖9)來看，移動源對北京市NO2改善貢獻率最大，貢獻率達48.80%，而移動源對其他各項污染物SO2、PM10和PM2.5和VOCs濃度改善貢獻率分別為0%、2.50%、9.30%和41.90%，表明單雙號限行對本地NO2濃度改善最為顯著.對比來看，“兩大活動”期間空氣質(zhì)量保障措施實現(xiàn)的污染物減排比例及環(huán)境污染物濃度改善比例略高于去年APEC空氣質(zhì)量保障.

圖8 APEC期間和“兩大活動”期間NO2日變化和降低幅度Fig.8 Diurnal variations in NO2 concentration and the decrease amplitude during the periods of APEC and the two major events

圖9 “兩大活動”期間各項污染物濃度改善污染源貢獻率分布Fig.9 Contribution rate distribution of air pollution sources to improvement of pollutant concentration

“兩大活動”期間良好的空氣質(zhì)量得益于保障措施的精準(zhǔn)發(fā)力、有效落實，得益于“人努力，天幫忙”，特別是得益于全社會的共同參與、共同治理.由于空氣污染的復(fù)雜性，控制措施的環(huán)境效果評估的確需要多方法、多角度、多層次的全面系統(tǒng)評估，才能較為準(zhǔn)確客觀地評估措施的環(huán)境效果. “兩大活動”期間空氣質(zhì)量保障評估分析表明，污染控制措施在活動期間的空氣質(zhì)量改善中起到了主導(dǎo)作用.空氣質(zhì)量改善是一個長期的、艱巨的過程，需要進一步深化聯(lián)防聯(lián)控，推進區(qū)域大氣污染協(xié)同治理；進一步提高城市精細(xì)化管理水平；優(yōu)化經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、調(diào)整空間布局，倡導(dǎo)和推行生活方式轉(zhuǎn)變，降低社會活動排放強度，完善全社會共同治理大氣污染的格局.

3 結(jié)論

1)2015年8月20日至9月3日“兩大活動”期間，北京市NO、NO2和PM2.5平均濃度分別為2.0、22.7和17.8 μg·m-3，同比下降58.3%、52.1%和73.2%，空氣質(zhì)量被譽為“閱兵藍(lán)”.

2)保障措施實施后，交通站NO日變化的峰值濃度降低約43%；而城市環(huán)境站NO峰值濃度降低約45%；NO2早高峰和夜間的濃度積累速度明顯放緩；PM2.5濃度變化較為平緩，但保障期間所有時段整體水平均明顯下降；移動源管控措施效果顯著.

3)保障措施實施后，北京市作為區(qū)域NO2濃度高值區(qū)中心明顯消失，PM2.5濃度梯度特征不明顯.

4)受局地的弱北風(fēng)影響，APEC期間早高峰NO2峰值濃度明顯消失；而大閱兵期間，早高峰NO2峰值濃度明顯高于晚高峰.“兩大活動”期間區(qū)域空氣質(zhì)量保障措施實現(xiàn)的污染物減排比例及環(huán)境污染物濃度改善比例略高于去年APEC空氣質(zhì)量期間.