沈建東，楊 樂，朱溆君，嚴仁嫦，許凱兒，張 天

(杭州市環(huán)境監(jiān)測中心站，杭州 310007)

隨著我國社會經(jīng)濟的持續(xù)高速發(fā)展，工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程加速，環(huán)境空氣區(qū)域性污染問題日趨嚴重。杭州位于長三角南部，近年來，杭州市復(fù)合型大氣污染特征日益明顯[1]，表現(xiàn)為氮氧化物(NOX)為代表的機動車尾氣污染、以臭氧(O3)為代表的光化學(xué)污染以及以細粒子為代表的霾污染[2]。雖然杭州市采取了非常多的大氣污染防治措施，整體空氣質(zhì)量得到逐步改善，但大氣污染事件仍時有發(fā)生。2016年9月4日～5日在杭州舉辦的二十國集團峰會，是自2008年北京奧運會和2014年亞太經(jīng)合組織峰會之后中國舉辦的最大型的國際盛會。為保障峰會期間環(huán)境空氣質(zhì)量，各級政府采取了嚴格的管控措施減少污染物的排放[3]，整體上峰會空氣質(zhì)量保障取得了較大的成功，G20峰會期間杭州環(huán)境空氣質(zhì)量整體優(yōu)良，但9月4日凌晨發(fā)生了一次短時細顆粒物(Particulate Matter，PM2.5)污染事件，PM2.5小時濃度一度達到100μg/m3，對G20峰會期間的空氣質(zhì)量造成了一定的影響，本文將對該事件污染特征和形成原因進行分析。

1 研究方法

1.1 監(jiān)測點位

本研究主要觀測站點朝暉點位(30.29°N，120.17°E)位于杭州市的一棟居民樓樓頂(約20m高)， 站點位于杭州市東北部，距離G20峰會主會場杭州國際博覽中心約8km。采樣點的周邊是住宅、辦公樓、醫(yī)院、學(xué)校和道路，該采樣點能夠代表城市交通、生活等混合源的排放。

1.2 監(jiān)測項目

空氣質(zhì)量監(jiān)測項目中的二氧化硫(SO2)、NOX分別用紫外熒光法、化學(xué)發(fā)光法測量，PM2.5、顆粒物(Particulate Matter，PM10)采用光散色和貝塔射線聯(lián)用法，均使用Thermo Fisher監(jiān)測儀器。使用氣溶膠在線離子色譜(URG-AIM9000D)連續(xù)觀測PM2.5中水溶性組分。使用半連續(xù)OC/EC分析儀(Sunset Laboratory)測量PM2.5中的有機碳(Organic Carbon，OC)和元素碳(Elemental Carbon，EC)。使用北京怡孚和融科技有限公司生產(chǎn)的激光雷達(EV-Lidar)觀測氣溶膠垂直高度消光系數(shù)分布。監(jiān)測項目所用儀器的校準方法及周期均按照國家相關(guān)規(guī)范要求或儀器推薦方法及周期進行，氣體標(biāo)準物質(zhì)由環(huán)保部標(biāo)準樣品研究所提供。

1.3 后向軌跡模型

通過NOAA ARL READY網(wǎng)站的混合單粒子拉格朗日綜合軌跡HYSPLIT4計算本次污染事件的空氣軌跡[4]。模型中使用的氣象輸入數(shù)據(jù)來源于NCEP的全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)，后向軌跡計算高度在500m。

2 結(jié)果與討論

2.1 峰會期間的空氣質(zhì)量

杭州G20峰會會期為2016年9月4、5日兩天，大氣污染管控措施從8月24日開始，9月7日結(jié)束，具體情況如下：8月24日開始實施工業(yè)管控，企業(yè)暫時停產(chǎn)或減產(chǎn)；8月25日開始實施工地管控，禁止工地施工。8月28日增加了對機動車的管控，全面實施機動車單雙號限行并且禁止外地車輛進入市區(qū)，禁止運輸含塵物料。9月4日是G20峰會會期，也是最嚴格的排放控制階段，臨時增加VOCs應(yīng)急減排。9月7日是管控后階段，取消所有管控措施。

圖1 PM2.5、PM10、NOX、SO2的小時濃度及氣象條件變化情況Fig.1 Time series of hourly PM2.5、PM10、NOX、SO2 concentrations and meteorological parameters

圖1為G20峰會期間PM2.5、PM10和氣態(tài)污染物SO2、NOX以及氣象數(shù)據(jù)(風(fēng)速、溫度、相對濕度和邊界層高度)隨時間序列的變化情況。從風(fēng)速風(fēng)向上看，管控前(8月15日至23日)、會期(9月4日至6日)和管控后(9月7日至12日)杭州市以東風(fēng)為主；管控期(8月24日至9月3日)前期8月24日至27日東風(fēng)轉(zhuǎn)向西風(fēng)，到28日又轉(zhuǎn)向西南風(fēng)。管控前、管控階段、會期和管控后平均風(fēng)速分別為1.34 m/s、1.44 m/s、1.30 m/s和0.96 m/s。從各階段相對濕度看，管控期相對濕度(RH)明顯低于其他階段，管控后相對濕度最高。各階段溫度對比顯示，管控前和管控期溫度最高，隨后溫度開始逐漸下降，到會期和管控后階段溫度迅速下降到較低水平。前兩個階段輻射強度最高(301W/m2、405W/m2)，后兩個階段輻射強度(204W/m2和215W/m2)有所減弱。邊界層高度的變化在一定程度上與輻射類似，前兩個階段邊界層較高，但在后兩個階段邊界層高度快速下降。結(jié)合各階段的管控措施，管控期是伴隨著最高風(fēng)速的工業(yè)和工地管控階段，NOX，SO2和PM的濃度均降至低水平。應(yīng)該注意的是，雖然管控期后半階段增加了機動車管控措施，但受外來傳輸?shù)挠绊懀琋OX的濃度仍然保持在相對較高的水平。由于會期是最嚴格的排放控制期，盡管氣象條件不利(風(fēng)速低且相對濕度高)，但所有大氣污染物都降低到較低濃度。管控后階段所有管控措施取消之后，PM2.5濃度伴隨著不利的氣象條件(低風(fēng)速、低邊界層高度、弱輻射和高相對濕度)出現(xiàn)明顯反彈現(xiàn)象。峰會期間四個階段PM2.5的平均濃度分別為37.4μg/m3、37.2μg/m3、35.0μg/m3、49.5μg/m3?？傮w而言，管控階段和會期的PM2.5濃度低于管控前和管控制后階段，污染排放管控措施對空氣質(zhì)量改善的效果明顯。

但是，9月3日22點開始至9月4日凌晨發(fā)生了一次短時顆粒物污染事件， PM2.5濃度從3日21點的33μg/m3，到4日0時達到100μg/m3，PM10也從56μg/m3上升到151μg/m3，同時段SO2和NOX濃度沒有明顯的變化，維持在較低濃度。事件發(fā)生時的風(fēng)向為東北風(fēng)，從杭州市環(huán)境空氣國控監(jiān)測網(wǎng)上看，PM2.5濃度在杭州市東北方的朝暉和和睦子站于4日0時最先達到最高值，農(nóng)大和城廂鎮(zhèn)子站在4日2時達到最高值，城市西南面的西溪和臥龍橋子站在4日10時達到最高值，顆粒物濃度從東北到西南依次升高。PM2.5濃度在0時達到最高值后隨著污染氣團的移動迅速下降，在4日6時即下降到28μg/m3，同時PM10下降到33μg/m3，NOX和SO2濃度變化較小。

2.2 PM2.5的化學(xué)組分變化

圖2 PM2.5的主要化學(xué)成分在污染事件中的濃度變化Fig.2 Concentrations of major chemical components of PM2.5 during the pollution episode

為了確定高濃度的二次無機氣溶膠是來自本地大氣化學(xué)過程，還是由上游地區(qū)傳輸導(dǎo)致，我們計算了硫氧化率(Sulfur Oxidation Ratio，SOR)和氮氧化率(Nitrogen Oxidation Ratio，NOR)的變化情況。SOR和NOR已經(jīng)被很多學(xué)者用來評估二次氣溶膠的轉(zhuǎn)化程度[6-7]。 本研究中的NOR和SOR通過以下方程式[8]計算(摩爾分數(shù))：

(1)

(2)

2.3 氣溶膠消光系數(shù)垂直分布

作為探測大氣氣溶膠的一種有利手段，激光雷達能夠得到高時空分辨率的大氣顆粒物垂直分布信息，為定量分析顆粒物的時空演變規(guī)律和污染物的輸送強度提供了有效的技術(shù)手段。近年來，越來越多的學(xué)者開始利用激光雷達研究顆粒物的垂直分布和長程傳輸[10～12]。

圖3為朝暉站激光雷達觀測到的污染事件中氣溶膠消光系數(shù)的變化情況，3日23時開始，受中低云層影響，雷達反射回波顯示消光系數(shù)高值區(qū)位于高度500m左右。從4日0時，垂直消光系數(shù)發(fā)生變化，近地面整層出現(xiàn)高消光系數(shù)區(qū)域，其成因為顆粒物污染團在夜間風(fēng)場作用下的遷移和輸送，至4日4時左右近地面顆粒物混合均勻，顆粒物濃度增高，9月4日5時后隨著污染團的輸送結(jié)束，高消光系數(shù)區(qū)域逐漸上移，至4日下午高消光系數(shù)區(qū)域上移至高空，近地面消光系數(shù)明顯下降，顆粒物濃度降低。

圖3 污染事件中氣溶膠消光系數(shù)變化情況Fig.3 Variation of aerosol extinction during the pollution episode

2.4 氣團軌跡反演

為了解本次污染事件顆粒物的輸送過程，利用NOAA的HYSPLIT后向軌跡模型，以杭州市(120.17°N, 30.29°E)為參考點，選取500m高度追蹤本次污染事件氣團運動軌跡變化。圖4為該短時污染期間60小時空氣質(zhì)量后向軌跡(起始時間分別為3日22∶00、4日0∶00、2∶00、4∶00)，每2h一條軌跡。結(jié)果表明9月3日22時達到杭州的氣團主要來自江蘇北部，途徑東海到達杭州，4日三個時段到達杭州的氣團主要來自河北南部，途徑山東，進入東海，隨后再進入杭州，快速下沉，造成顆粒物濃度的急劇上升。中國環(huán)境空氣國控監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)顯示作為污染氣團潛在來源地區(qū)的河北南部、山東在9月1日NO2和SO2濃度范圍分別為31～78μg/m3和13～56μg/m3，平均值分別為56μg/m3和32μg/m3，遠高于研究期間杭州市的平均值(14μg/m3和8μg/m3)。

圖4 9月4日凌晨污染事件的60小時后向軌跡Fig.4 60h air mass backward trajectories during the pollution episode on the early morning of 4 September 2016

3 結(jié) 論

3.1 杭州G20峰會期間管控前、管控期、會期和管控后四個階段PM2.5的平均濃度分別為37.4μg/m3、37.2μg/m3、35.0μg/m3、49.5μg/m3，污染排放管控措施對空氣質(zhì)量改善的效果明顯。

3.2 會期9月4日凌晨發(fā)生顆粒物短時快速增加的污染事件，PM2.5小時濃度達到100μg/m3，PM2.5中無機離子短時有數(shù)倍的增長，NOR在5h內(nèi)增長了10倍，并伴隨Cl-和濕度的快速增加。

3.3 激光雷達觀測和后向軌跡模型計算顯示來自河北南部、山東和江蘇北部的氣溶膠污染團通過長程傳輸經(jīng)東海進入杭州后快速下沉是造成9月4日凌晨顆粒物濃度急劇爆發(fā)的主要原因。