从大运会期间浓度变化来分析污染物削减措施效果

杨 琳，杨红龙，林楚雄，陈嘉晔，李仕平

1.深圳市气象局，广东 深圳 518040 2.深圳市环境监测中心站，广东 深圳 518049

污染物对人体健康产生危害，颗粒越小对人体健康的危害越大[1]，而且细颗粒物能飘到较远的地方，因此影响范围较大[2-3]。吴兑等[4]研究认为，近年来空气污染已从煤烟型向混合型发展，主要污染物为PM10中的PM2.5。黄晓锋[5]认为，深圳市PM2.5的31%来源于机动车，24%来源于工业源，18%来源于火电厂，其中机动车尾气主要来源于本地排放。孙志强等[6]研究发现，北京大气中粒子浓度受周边影响严重，而NOx有向周边扩散的潜势，尤其是对于PM2.5和O3等区域性污染物，难以从北京市独自的减排措施收到理想的效果。但是深圳的各项污染物，尤其是对PM2.5的气象条件影响、人为因素贡献等尚未见具体和有针对性的分析。第26届世界大学生运动会(简称大运会)于2011年8月12—23日在深圳举行，期间深圳蓝天白云，空气质量持续优等，SO2、NO2、PM10、PM2.5均达到环境空气质量一级标准，分析各项减排控制措施的具体效果，对于有针对性地采取环境保护措施和未来的污染防治有积极意义。

由于污染天气的形成主要与有利的天气形势、本地污染源的排放/扩散、外来污染源3个方面作用有关，因此在相似的天气形势下，可认为污染浓度的不同是与污染源的变化有关，在短期内污染源变化不大的情况下，差异则在于排放不同，也即是污染控制的结果[7-11]。气象学上相似方法是除了数值预报以外，最为有效的预报和分析方法，如果气象条件相似，可大致认为天气背景对污染物的扩散或稀释作用也类似，对污染的生/消作用相当。因此，文章通过对相似气象条件下，各种不同地点、不同时间污染物浓度的对比分析，剔除了气象条件的客观影响因素，具体分析大运期间人为控制的效果，从中得出一些有价值的结论。基于深圳市2008—2011年主要污染物NO2、PM10和2011年PM2.5浓度资料，常规气象要素资料、天气形势资料等，通过大运期间与气象条件相似时期、各典型时期、深圳各监测站点、以及与周边城市的比较，分析大运期间“蓝天白云”的原因，目的在于具体解析各类减排或限行措施的效果，为长期建设“绿色深圳”和宜居城市，在环境治理、污染控制措施方面提供有价值的科学依据。

1 大运期间气象条件对污染浓度影响评估

1.1 深圳大运会期间天气形势和气象要素特征

深圳位于113°46′～114°37′E、22°27′～22°52′N，总面积1 952.84 km2，地势东南高西北低，海岸线全长230 km。8月的深圳常受海洋气团的影响，普遍吹偏南风，雨水丰沛，午后对流旺盛，能见度偏好，但同时空气湿度大，风力偏弱，静风较多。2011年大运会期间虽以晴热天气为主，但多局地性短时强降水和雷暴，月平均风速1.9 m/s，月主导风向为西南，SW、SSW、SSE风频率最高，占据了33 %，ENE、SE、S风次之，静风频率占据了34.5%，因此上风方海洋气流占主导，扩散条件较好，月初和大运期间在持续的偏南风影响下，气象条件有利于污染物的扩散，能见度极佳，平均达到26.2 km，是1988年以来8月平均能见度的最高值。大运期间出现罕见持续晴好天气，空气质量全为优，能见度高。25日转吹弱北风，受“南玛都”外围下沉气流影响，能见度明显下降，并出现间歇性灰霾天气，部分时段能见度低于10 km。根据气象条件的不同划分优劣等级见表1。

表1 2011年8月主要影响气象因子和对应污染物浓度均值

1.2 2011年8月气象条件和对应污染物浓度的关系

2011年8月NO2、PM10和PM2.5平均质量浓度分别为38.03、34.71、17.82 μg/m3。按照2011年8月天气形势进行分段，参照孙向明等[12]的天气形势分型，列出各时间段内NO2、PM10和PM2.5浓度以及各主要影响气象因子，如表1所示。仅从气象条件来推断污染情况的优劣等级，将该推断等级与实际NO2、PM10和PM2.5浓度值相比，可以看出，推断等级与实际污染值基本相符，但中等污染条件的大运会期间12—23日污染浓度却是最低的。由此可得出，除气象条件外，控制措施也起到成效。

2 NO2、PM10、PM2.5的一般变化规律

2.1 月变化特点

图1是2008—2010年全市平均NO2、PM10以及2011年竹子林国家基本站PM2.5浓度月变化曲线(PM2.5只有2011年竹子林站的资料)。由图1可看出：NO2、PM10、PM2.5污染浓度具有明显的季节变化规律，NO2、PM10浓度秋、冬季及春季的3月相对较高。PM2.5污染浓度1—3月和12月较高，即冬、春季高。6—8月NO2、PM10、PM2.5污染浓度均最低。这是因为，秋、冬季往往存在静稳的气象条件，不利于污染物的扩散，造成污染积聚，且深圳冬季盛行东北、偏北风，有利于北部中山、东莞、惠州等地污染的扩散。夏季对流旺盛，扩散条件好，有利于污染物的扩散清除，且东南、偏南风居多，常受来自海洋上气流的影响，带来海洋上洁净的空气。春季的3月多低温阴雨天气，空气湿度大，有时会出现“回南天”，伴随的是轻雾或雾的现象明显，雾霾天气的增多，也是污染物浓度较高的原因。

图1 2008—2010年NO2、PM10和2011年PM2.5逐月变化

图2是2011年深圳市4个不同行政区的监测点PM2.5与PM10质量浓度比(PM2.5/PM10)月变化曲线，可以看出，PM2.5/PM10的逐月变化呈明显的季节性，与NO2、PM10、PM2.5浓度的月季变化基本呈现一致的趋势，秋、冬季是高值期，夏季是低值期。2011年PM2.5/PM10变化幅度较大，日均值为0.4～0.99。PM2.5/PM10年平均石岩为0.83，竹子林和龙岗均为0.72，西涌为0.68。石岩﹥龙岗﹥竹子林﹥西涌，石岩、龙岗、竹子林和西涌4站分别位于深圳市的宝安区、龙岗区、福田区和盐田区。宝安区位于深圳西北部，工业密集，且与东莞接壤，龙岗区位于深圳东北部，中小型作坊密集，与惠州接壤，福田区是中心区，交通流量最大，盐田区位于东部沿海，接近大气本底状况。

从图2还可看出，除石岩站外，其余3站2011年8月PM2.5/PM10明显下降。值得一提的是根据距离比赛场馆的远近，大运期间采取的环境控制措施划分成3类区域，而石岩一带几乎无赛场，因此相对来说，不如南山和龙岗区场馆集中的地带措施更严格。由此得出：2011年8月NO2、PM10、PM2.5浓度不是全年最低的，PM2.5/PM10却是全年最小的。由于4个区域代表站的PM2.5/PM10年均值均在60 %以上，说明8月 PM2.5的下降比率更大，可以认为控制措施对PM2.5的作用更明显。6—8月PM2.5/PM10的4个区域代表站的曲线几乎完全重合，说明比值在夏季较稳定。

图2 2011年各监测点PM2.5/PM10逐月变化

2.2 日变化规律

根据以往的研究，在无大的天气系统影响、无明显降水发生、无大风现象时，除风向、风速、本地海陆风转换的时间、大气层结的稳定度等气象因素，污染排放时间和人类活动也同时对日变化产生作用，影响较复杂。从气象条件来看：夜间地温降低，大气层结较为稳定，风力也较小，大气中的污染物容易造成堆积；而白天温度升高，对流条件是一天中最好的，尤其是中午时段是海风开始强盛的时候，相对有利于污染的扩散[7-11]。

污染浓度的变化还与人类活动密切相关，6：00—7：00人类生产生活开始活跃，日间8：00—20：00是工厂生产排放最多的时段。8：00—9：00是上班高峰时期，车流量增多，中午车流量相对减少，而18：00—20：00是下班高峰时期，车流量最大。气象因素和人类活动的影响共同决定了污染水平的高低(图略)。

3 NO2、PM10、PM2.5以及PM2.5/PM10大运期间变化特点

由于6—8月气象条件具有相似特征，因此以此作为历史背景时期，采取对比分析的方法，比较大运期间和2008—2010年6—8月的NO2、PM10、PM2.5浓度值，结果见图3，发现大运期间各浓度值均下降。此外，对比2008—2011年6—8月，大运期间有如下特点：大运期间NO2、PM10、PM2.5浓度均明显下降，尤其在白天的8：00—16：00下降幅度更大，其中PM10下降幅度最大。2011年PM2.5在夜间到凌晨是上升阶段，由于PM2.5在大气中寿命长、传输距离远，有累积过程；而大运期间这个累积过程消失，由此也可看出PM2.5得到了控制。大运期间控制措施使NO2、PM10、PM2.5污染浓度下降，白天时段下降幅度更大，对PM2.5作用更明显。

图3 NO2、PM10、PM2.5(单位均为μg/m3)逐时变化情况

4 大运会期间减排措施效果细化分析

为确保大运会期间深圳市环境空气质量水平达到国际赛事的要求，广东省提前采取了一系列区域综合减排措施，形成以深圳为主、周边配合的联防联控。大运会前期(2011年7月10日至8月11日)，黄标车部分路段禁行，38万辆机动车自愿限行，划分区域单双号限行，深圳、惠州、东莞划定机动车限制行驶区域，投放部分新能源汽车等；停止土石方工程施工，围蔽施工，不同控制区采取相应的停工措施，燃油或油气混烧9E机组关停等。大运会期间(2011年8月12—23日)，31万辆黄标车禁行，48万辆机动车自愿限行，单双号限行，深圳、惠州、东莞划定机动车限制行驶区域，投放最后问量2011辆新能源汽车等；停止土石方工程施工，210个建筑工地停工，停运高污染锅炉134台、停产生产线32条，燃油或油气混烧9E机组关停，电厂、垃圾厂严格监控等。

4.1 大运前后不同时段污染物浓度的变化

从2011年7月1日至9月30日NO2、PM10、PM2.5浓度的逐日变化可以看出大运期间数值最低。

为了更精确地解析大运期间污染物浓度变化的原因，通过查找2008—2010年8月高空和地面天气形势图，并通过对该时间段内风、温度、降水、气压等气象要素资料的分析，寻找大运会期间的气象条件相似日，分别为2008年6月21日、2008年7月1—3日、2008年7月9—10日、2008年8月1日、2008年8月12—13日、2008年8月17日、2008年8月24日，2009年7月6日、2009年7月29日、2009年8月14日、2009年8月17日、2009年8月26—28日、2010年6月29日、2010年8月12—13日、2010年8月16日，共计22 d。然后计算出所有相似日的NO2、PM10、PM2.5浓度平均值，见表2。

表2 大运会期间污染物浓度与相似日对比 μg/m3

注：“*”为2010年8月的PM2.5浓度。

7月10日是临时控制措施逐步实施的开始日，故以2011年7月10日至8月11日作为大运前期。为了尽量平滑掉其中的典型天气过程，大运后期时段延长至9月30日。分别计算出大运会前期、大运会期间、大运会后期的NO2、PM10、PM2.5浓度值，如表2所示。

将各时段与大运会期间(2011年8月12—23日)NO2、PM10和PM2.5浓度相比，大运会相似日NO2和PM10高出17 %、25 %，PM2.5降低7%；大运前期分别高出18%、42%、50%，大运会后期分别高出28%、140%和171%。可见大运会期间NO2、PM10和PM2.5浓度较各时段均有较大幅度的降低，气象条件与人为措施的共同作用造成了大运会期间空气质量极优和持续“蓝天白云”。

大运会期间PM10下降最明显，而PM10主要来自化石燃料在交通运输、工业生产和生活中的广泛应用以及建筑扬尘和风扬尘等，可见大运会期间关停了一些高污染排放企业对污染浓度的变化影响最快。NO2主要来源于汽车尾车的排放，对机动车的控制，包括对黄标车的停驶等措施，造成了NO2在大运会期间迅速下降，大运会后期的措施解禁，则造成迅速上升[13-15]。

4.2 深圳不同区域NO2、PM10和PM2.5浓度对比

将深圳市各监测点受控时期与大运后期NO2、PM10和PM2.5浓度进行对比，结果见表3、表4。大运后期与受控时期PM10比值高达3.73、3.64和3.6，分别出现在南山区的南油、荔香和宝安区的宝安站点；NO2比值最高的是南山区的荔香、南油和盐田区的盐田站；PM2.5的比值最高为竹子林的4.02，其次为本底站西涌的3.94。

表3 大运受控期间与大运后期NO2和PM10浓度对比

注：除比值外，单位均为μg/m3，下同。

表4 大运受控期间与大运会后期PM2.5浓度对比

南山区有一些大型火电厂，宝安区则集中了大型制造业。大运赛场集中的南山区和龙岗区是大运期间交通管控最严格的范围，开幕式场地也位于南山区。竹子林位于市中心最主要的交通要道深南大道附近，西涌是大气本底站。大运后期PM10浓度迅速升高，幅度最大在南山区和宝安区，NO2浓度升高最多在南山，PM2.5浓度升高最多在竹子林，考虑各区的工业布局和机动车流量状况，除了气象条件的影响，污染控制措施的解除也起到了相当的作用。PM2.5的比值最大也说明了其作为二次污染物的活跃性[16-23]，占据比例大且影响明显。大运期间南山区管控效果最明显，作为中心区域的福田区PM2.5控制得最好。

4.3 深圳市与周边邻近城市污染浓度比较

比较2011年8月和2010年8月的HYSPLIT4后向轨迹，分别见图4、图5。可以看出，2011年8月和2010年8月气流轨迹和污染扩散气象条件非常相似，不利于污染扩散的气象条件均较少，差别在于不利扩散的风向中2011年8月偏北风频率稍高，而2010年8月东北风频率较高，但月尺度气象条件大致相似。

图4 2011年8月HYSPLIT4气流后向轨迹图

图5 2010年8月HYSPLIT4气流后向轨迹图

将月尺度气象条件大致相似月2010年8月与2011年8月深圳工业集中的宝安区与邻近的东莞、龙岗区与邻近的惠州NO2、PM10对比，结果见表5。可见，各时段NO2浓度宝安和龙岗区均高于周边相邻城市，龙岗比惠州高出近50 %。PM10浓度则是宝安和龙岗区低于相邻城市。只有2010年8月龙岗较高(因该段时间龙岗建设大运场馆，施工较多)。与邻近市的对比结果表明，PM10有输送作用，而NO2有扩散作用的区域效应。

深圳的机动车已经突破200万辆，且呈逐年上升趋势，无论每平方公里车辆密度还是每公里车辆密度在全国都是第一位的，因此与机动车排放密切相关的NO2浓度也相对较高。而邻近的东莞市内大型的电镀厂等重型工业对深圳污染浓度有一定的影响。龙岗因施工原因可能导致2010年8月PM10浓度升高，而2011年8月为保障赛事的进行，采取了严控措施，使龙岗比惠州低30%。

从表5可见，大部分站点的NO2和PM10浓度，2011年8月反而比2010年8月高，是因为大运会后期，气象条件加上解禁措施导致污染浓度上升迅速，达到较高水平。排除大运会后期的气象条件影响，人为解禁措施对浓度上升仍起到重要作用。

注：空表示无数据。

从季节来看，8月常常盛行偏南气流，是污染浓度相对较低的月份，如果在秋、冬季，盛行偏北气流，尤其是弱北风时，相邻城市的污染扩散对深圳的影响可能更严重[20,23]。

5 结论

1)相似日、大运会前期、大运会后期，相比大运会时段(2011年8月12—23日)， NO2、PM10和PM2.5浓度分别高出17%～28%、25%～140%、-7%～171 %。表明污染控制措施在大运会期间效果显著，大运会期间关停了一些高污染排放企业对污染浓度的影响最明显，而对汽车尾气排放的控制造成了NO2也随之迅速上升、下降。本地污染物中二次污染物细粒子起到了主导作用，在大运会期间对PM2.5的控制起到了显著效果。

2)NO2、PM10和PM2.5浓度在大运会期间各时次均明显下降，且白天下降幅度大，其中NO2白天下降最明显。PM2.5年变化在20：00至次日8：00的高值阶段，在大运会期间变成了反位相，即夜间到凌晨的污染累积过程消失。表明周边协同减排作用明显。

3)由于污染排放对污染浓度的日变化起到了主要作用，排除气象因素的作用，大运后期控制措施的解除，致使污染物浓度快速上升到较高水平，且工业布局密集的区域及机动车流量最大的区域上升幅度最大，所以控制污染的排放是治理空气环境的主要方面。

4)深圳与周边城市的相互影响表现为PM10有输送作用，NO2有扩散作用，污染防治需重视区域协同的作用。

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