2015年田径锦标赛和大阅兵活动期间北京市NOx浓度特征*

2016-12-19程念亮张大伟李云婷李令军程兵芬

中国科学院大学学报 2016年6期

程念亮, 张大伟,李云婷†, 陈添, 孙峰,李令军, 程兵芬,

(1 北京市环境保护监测中心大气颗粒物监测技术北京市重点实验室，北京 100048；2 北京师范大学水科学研究院，北京 100875； 3 中国环境科学研究院，北京 100012；4 北京市环境保护局，北京 100048)(2016年1月18日收稿； 2016年4月21日收修改稿)

简报

2015年08月22日至30日世界田径锦标赛在北京举行，9月3日是中国首个法定的“中国人民抗日战争胜利纪念日”，为做好这“两大活动”期间的空气质量保障工作，北京市和周边六省区将分两个阶段(8月20日—8月27日、8月28日—9月4日)实施机动车行驶限制、工业停限产减排、施工工地停止土石方和拆除作业、放假调休等措施，降低NOx、VOCs、颗粒物等大气污染物排放[1].由于保障措施的实施，“两大活动”期间北京市PM2.5日均浓度连续15天一级优，达到监测历史以来的最低水平，空气质量被誉为“阅兵蓝”[2].

为保障国际重大活动期间空气质量所采取的临时性减排措施较为罕见，不可重复，且为评估减排措施对空气质量改善分析及评估工作提供了难得的机会[3-4].国内和国际上，均有一些城市因为保障重大活动期间空气质量而采取临时性或阶段性控制措施的先例，如2002年釜山亚运会、2010年印度德里联邦运动会、2008年北京奥运会和2014年北京APEC会议等.Lee等[5]研究2002年第24届韩国釜山亚运会期间，私家车限行措施对PM10、CO、NO2、SO2浓度的影响发现，限行措施使得机动车平均车速增加约28.1%，13个空气子站PM10、CO、NO2、SO2浓度明显下降；Beig等[6]发现2010年英联邦运动会第一次在印度德里举行，德里采取车辆和交通控制、工厂搬迁、电厂减排等系列措施，评估结果显示这些措施某些情况下并不能有效降低污染物浓度，重大活动举行前应尽早规划并提前实施减排措施；Wang和Xie[7]评估2008年北京奥运期间交通排放削减的环境质量改善效果，结果显示PM10、CO、NO2和O3降低比例分别为28%、19.3%、12.3%和-25.2%；吴其重等[8]从气象场和排放源两方面研究奥运期间北京市PM10浓度大幅减小的主要原因，结果表明奥运赛事期间 PM10浓度大幅减小的主要原因不是气象因素，而是由于额外措施引起的 PM10排放减少；樊守彬等[9]发现APEC会议期间快速路机动车尾气CO、NOx、HC和PM排放削减比例分别为15.1%、22.4%、18.4%和21.8%.

机动车尾气排放是很多城市大气污染的重要来源[10]，在众多减排措施中，针对机动车(影响空气质量的主要排放源类[11])所采取的限行措施较为普遍.目前，针对“两大活动”期间北京市空气质量改善和分析的研究尤其是机动车限行后NOx浓度特征分析的研究很少，分析认识“两大活动”期间北京及周边地区保障措施的实施后NOx浓度特征，并开展减排措施、气象条件对其浓度影响研究是国内外急需研究和关注的问题.本研究主要综合分析“两大活动”期间北京市NOx的浓度特征，并初步评估减排措施对“两大活动”期间NOx浓度的贡献及影响.

1 材料与方法

1.1 区域概况

北京市位于东经115.7°～117.4°E，北纬39.4°～41.6°N，地处华北平原西北端，地形为簸箕型，三面环山，平均海拔43.5 m.国土面积16 410.54 km2，62%为山区，全市森林覆盖率37.6%.属温带大陆性季风气候，四季分明，年降水量较少且降水的80%集中在夏季6、7、8这3个月[8]；全市共有2 100多万常住人口、560万辆机动车；年开复工面积2亿m2以及大量的生产、服务活动主要集中在平原地区，污染物排放强度较高[12].

1.2 站点与仪器

CO、NO2、PM2.5、SO2和PM10监测数据为北京市环境保护监测中心发布的逐时浓度数据(http://zx.bjmemc.com.cn/)，地面监测站点共计35个(见图1)，覆盖所有区县，包括区域背景、郊区、城镇、交通干道、居住区等不同的环境功能类型. 集中分布在不同地区，包括城六区(东城、西城、朝阳、海淀、丰台、石景山)、西北部(昌平、延庆)、东北部(怀柔、密云、平谷、顺义)、东南部(通州、大兴、亦庄)、西南部(房山、门头沟).

图1 北京市污染物观测站点分布和分类Fig.1 Distribution and classification of observation sites in Beijing

35个空气质量自动监测子站操作流程严格按照《环境空气质量自动监测技术规范》(HJ/T 193—2005)[10]进行，其中PM2.5、PM10均采用微量振荡天平法，SO2采用紫外荧光法，NONO2采用化学发光法，O3采用紫外光度法，CO采用气体滤波红外吸收法.监测设备由技术人员定期检查并及时维护保养.气象资料为北京市观象台地面观测资料、探空资料(http:∥cdc.cma.gov.cn/)，边界层高度为云高仪监测结果，观测仪器为荷兰WAISALA公司的WXT520气象观测仪.天气实况图为韩国天气实况资料和数值预报产品(http:∥web.kma.go.kr/eng/weather/images/analysischart.jsp).

在35个监测点位中，城市环境站包括东四、官园、天坛、万寿西宫、奥体中心、农展馆、万柳、古城、顺义、昌平、怀柔共11个监测点，11站点各项污染物浓度的平均值作为评价北京市空气质量改善的依据；交通站包括永定门、前门、西直门北大街、南三环西路、东四环北路监测点，监测点位见图1.

1.3 研究方法

分别结合天气图、气象要素及区域及北京市污染物监测情况分析“两大活动”期间的NOx浓度及气象条件变化；与APEC会议期间NOx浓度污染物减排效果对比分析，以期为北京市大气污染控制提供科学数据.评估时间段划定如下：8月10日—8月19日为“保障前”，8月20日—9月03日为保障期间(8月20日—8月27日为“Ⅰ阶段”，8月28日—9月3日为“Ⅱ阶段”)，9月4日—9月11日为“保障后”.尽量剔除气象条件等外在变化因素对空气质量造成的影响，相对客观准确地评估保障措施-污染物排放规模下降-污染排放量削减-空气质量改善之间的内在定性定量关系.

2 结果与分析

2.1 空气质量变化

图2(a)为2015年8月1日至9月10日北京市NO、NO2、PM2.5浓度及AQI逐日变化，从中可知，“两大活动”期间8月20日至9月3日，北京市PM2.5平均质量浓度为17.8 μg·m-3，同比下降73.2%，连续15天达到一级优水平，相当于世界发达国家大城市水平.NO、NO2平均质量浓度分别为2.0 μg·m-3和22.7 μg·m-3，同比分别下降58.3%和52.1%，均达到监测历史以来的最低水平.特别是9月3日上午阅兵期间，北京市PM2.5平均质量浓度仅为8 μg·m-3，完美呈现“阅兵蓝”.

而保障前8月1日至19日NO2、NO和PM2.5平均质量浓度分别为36.0、2.8和61.4 μg·m-3，明显高于保障期间各污染物平均浓度；保障后期9月4日至10日NO2、NO和PM2.5平均质量浓度分别为34.3、5.0和28.4 μg·m-3，与保障期间相比均明显增大.

从全年的NO2浓度曲线图(图2(b))可以看出，冬季(12、1、2月)受不利气象条件及燃煤、机动车等排放量较大的影响，NO2浓度整体较高；夏季(6、7、8月)扩散条件较好，NO2浓度整体较低；而保障期间，NO2浓度在一年期间处于较低水平；与夏季其他日期NO2浓度相比，保障期间没有出现高浓度，整体变化较为平缓，表明机动车限行措施效果显著，极大降低了NO2浓度.

图2 “两大活动”前后北京市AQI、NO、NO2、PM2.5浓度(a)及全年NO2浓度(b)逐日变化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“两大活动”期间北京市地面和高空天气形势场可知(见表1)，活动期间地面以弱高压控制为主，弱冷空气活动较为频繁，500 hPa高空以偏西北气流为主，高低空天气形势的配合导致扩散条件整体比去年同期较好. 经统计，活动期间平均风速为1.41 m·s-1，主导风向为偏北风，平均风速略小于近5年同期(1.44 m·s-1)，平均相对湿度为65.7%，与近5年同期65.8%基本持平；能见度较好，平均为17.3 km；混合层高度在190～740 m之间；雷阵雨天气较多，活动期间中层(1 500 m高空)温度较去年同期偏低约1 ℃，基本无逆温；地面北风频率达到52%，明显高于去年同期的37%，且北风条件下区域污染对北京影响较小.较好的扩散条件一方面避开了周边污染物持续的低空输送，稳定度趋于不稳定也不易于污染物的局地积累；另一方面有利于污染物扩散的气象条件下，大气化学过程被有效抑制，有助于减低污染物的浓度，利于维持较好的空气质量水平.

表1 “两大活动”期间北京市污染物浓度与气象条件变化

2.2 氮氧化物日分布

污染物的日变化可以较好地剔除气象要素变化的干扰，从而更直接地反映受污染排放影响的环境特征[13]. NO是机动车直接排放的污染物之一，从交通站的NO日变化特征(图3(a))来看，差别最大的时段发生在凌晨至早高峰时段，07:00左右NO峰值浓度降低约43%；而城市环境站峰值浓度降低约45%；交通站NO峰值浓度整体约为城市站的12倍.峰值浓度明显降低，一方面是夜行大货车管控的结果，另一方面是早高峰排放量降低的反映.从市区的NO2日变化特征差异(图3(b))来看，保障前期，NO2在上午09:00和夜间19:00都存在较为明显的污染高峰；减排措施实施后，后半夜由小波峰峰度降低，早高峰和夜间的浓度积累速度明显放缓.交通站NO2浓度整体约为城市站的1.5倍，反映了机动车排放的影响.PM2.5浓度日变化(图3(c))较为平缓，但保障期间所有时段整体水平均明显下降，反映了区域整体浓度水平的降低.由于PM2.5和NO2的来源多为机动车、工业过程和施工工地，其中机动车和工地、道路都属于贴地排放源，减排措施实施见效较快，有效降低了峰值时段的水平，并减缓了浓度爬升的速度，减排效果显著.

图3 “两大活动”前后北京市NO、NO2、PM2.5浓度日变化Fig.3 Diurnal variations in NO, NO2, and PM2.5 concentrations in Beijing before, during, and after the two major events

2.3 氮氧化物空间分布

图4为采用克里格(Kriging) 插值法对北京市NO、NO2和PM2.5浓度进行空间插值后的分布图[14].由图4可知，保障前期北京市NO的高值区分布在中心城区及丰台区、大兴区，这些地区机动车数量及排放量较大；保障措施实施后，NO浓度明显下降，香山、万寿西宫、定陵、古城、农展馆等监测点位NO浓度下降均在50%以上；保障后期中心城区及丰台区、大兴区浓度迅猛上升，可能与局部地区特殊的气象条件密切相关.保障前期北京市NO2的高值区均集中在中心城区，与NO浓度空间分布特征较为一致.保障措施实施后，从各站点浓度变化来看，多数站点浓度下降明显，特别是怀柔、定陵、顺义、门头沟等监测点位下降在55%左右.保障前期，北京市PM2.5的高值区为通州区，且PM2.5浓度分布呈现出明显的梯度分布特征. 保障措施实施后，浓度下降明显，梯度分布特征消失保障措施结束后，北京西南部、东南部的PM2.5总体污染水平较保障前较低，说明区域空气质量改善降低了污染传输对北京地区的影响.本文插值后污染物浓度空间分布的不确定性主要来自：1)“簸箕状”的特殊地形影响，地形引起的山谷风、海陆风等小尺度环流等对PM2.5浓度造成很大影响；2)二次化学反应的影响，没有考虑特定气象条件下，二次化学反应增加的PM2.5浓度；3)插值方法误差，由于35个站点较集中分布在城六区，郊区点个数较少，插值受采样点范围、采样点密度等参数影响[15-16].

图4 “两大活动”前后北京市NO、NO2、PM2.5浓度空间变化Fig.4 Spatial variations in the concentrations of NO, NO2, and PM2.5 in Beijing before, during, and after the two major events

保障措施实施后，北京市永定门内大街、前门东大街、南三环西路、东四环北路、西直门北大街交通监测点位NO2、NO、PM2.5与保障前期相比(见图5)，浓度分别下降22%～39%、8%～31%和70%～71%，不同物种改善幅度排序依次为PM2.5>NO2>NO.城区环境监测站NO2、NO、PM2.5与保障前期相比，浓度分别下降38%、16%和70%.交通监测点位NO2、NO、PM2.5浓度改善比例略高于城区环境监测站，这与保障期间北京市采取的机动车单双号措施密切相关，而不同监测点位PM2.5改善比例最高可能与区域减排措施造成区域PM2.5浓度明显下降有关.

图5 “两大活动”前后北京市不同功能监测站点NO2、NO、PM2.5浓度变化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

图6为基于周边NO2监测数据插值得出的“两大活动”前后京津冀及周边区域NO2浓度空间分布，可以看出，保障前期区域NO2浓度高值区主要集中在京津地区与唐山地区、河北石家庄及以南地区、山东北部滨州及东营地区；而“两大活动”期间整个区域NO2浓度水平明显下降.第一阶段保障措施实施后，北京市98%以上的车辆单双号限行；北京市近周边地区也采取了部分减排措施，但七省市区范围内大部分省市由于没有同步减排，造成京津冀及周边七省市NO2浓度整体呈现出北降南升的趋势.从图5可以看出以北京为中心的北部区域NO2浓度明显降低，而河南、山东部分城市NO2浓度有所上升，NO2区域污染中心整体南移.从区域统计情况看，北京市NO2平均浓度下降幅度最大，达45%；保障后期区域NO2浓度有所上升，但高值区的范围和浓度低于保障前期.

图6 “两大活动”前后北京市及周边地区NO2、PM2.5浓度空间变化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浓度下降显著主要受到两方面因素的影响，一是有利的气象条件(近地层的偏北气流)加快了污染物的扩散，另外一方面减排措施的实施有效降低了区域NO2浓度.北京先期采取了机动车单双号及企业停限产等严格措施，局地排放强度大幅降低，京津冀及周边各省区市群策群力，区域共同减排使得北京作为NO2浓度高值中心明显消失[17-18].

2.4 组分及消光系数变化

图7 “两大活动”前后北京市各高度层消光系数分布变化Fig.7 Distributions of extinction coefficients at different heights in Beijing before, during, and after the two major events

2.5 与APEC期间浓度对比

利用周边省市监测数据对比分析“两大活动”期间和APEC期间NO2浓度改善情况(见表2)，保障措施实施后，APEC期间北京市NO2浓度下降44%，天津市下降5%，河北省下降20%；而大阅兵期间，北京市下降45%，天津市下降28%，河北省下降23%.“两大活动”期间空气质量保障措施实现的污染物减排比例及环境NO2浓度改善比例略高于去年APEC空气质量保障，一定程度上是由于“两大活动”期间京津冀及周边省区市污染控制措施强度力度高于APEC会议期间.

表2 不同城市APEC期间和“两大活动”期间NO2质量浓度统计

从日变化上看(见图8)，“两大活动”期间和APEC期间保障措施实施后，NO2浓度在一天中不同时段均出现明显下降，特别是早高峰和晚高峰时段NO2峰值浓度亦有明显下降.由于APEC期间早晨由西部、北部山区引起的山谷风(偏北风)较多，扩散条件较好，造成APEC期间早高峰NO2峰值浓度明显消失；而大阅兵期间，风向日变化转换不显著，早高峰NO2峰值浓度明显高于晚高峰.

2.6 成因初步分析

“两大活动”期间，8月20—27日北京市首先开始实施世锦赛和大阅兵污染源管理措施，每日比去年同期减少污染物排放30%～60%；8月28日起，北京周边六省市全面启动污染源排放管控方案，同比减少30%左右.保障措施实施后，北京市工业、企业SO2、NOx、PM2.5每日排放量分别为23、35和5 t；北京市机动车单双号行驶，机动车每日排放NOx减排到141 t.北京市周边六省市停限产企业日减排SO2、NOx、烟粉尘分别可达到3 100、3 054和1 438 t.减排措施使污染物的积累速度下降[23]；经测算8月20日至9月3日与不采取措施相比，北京市11个监测站点PM2.5浓度平均下降约41%；津冀晋蒙鲁豫等周边省区市空气质量同步明显改善，70个地级以上城市的PM2.5平均浓度同比下降40%左右.研究采用数值模型计算的“两大活动”期间北京市NO2减排贡献率[2]，从保障措施对NO2浓度变化贡献率来看，8月20日至9月3日期间区域减排措施对NO2浓度下降贡献率在38.9%～48.4%之间，14天平均贡献为44.5%；相对于PM2.5，NO2减排贡献率较高且变化较为平缓，这主要与北京市本地机动车单双号及本地工业减排措施有关.从削减的各类污染源对各项污染物浓度改善贡献(图9)来看，移动源对北京市NO2改善贡献率最大，贡献率达48.80%，而移动源对其他各项污染物SO2、PM10和PM2.5和VOCs浓度改善贡献率分别为0%、2.50%、9.30%和41.90%，表明单双号限行对本地NO2浓度改善最为显著.对比来看，“两大活动”期间空气质量保障措施实现的污染物减排比例及环境污染物浓度改善比例略高于去年APEC空气质量保障.

图8 APEC期间和“两大活动”期间NO2日变化和降低幅度Fig.8 Diurnal variations in NO2 concentration and the decrease amplitude during the periods of APEC and the two major events

图9 “两大活动”期间各项污染物浓度改善污染源贡献率分布Fig.9 Contribution rate distribution of air pollution sources to improvement of pollutant concentration

“两大活动”期间良好的空气质量得益于保障措施的精准发力、有效落实，得益于“人努力，天帮忙”，特别是得益于全社会的共同参与、共同治理.由于空气污染的复杂性，控制措施的环境效果评估的确需要多方法、多角度、多层次的全面系统评估，才能较为准确客观地评估措施的环境效果. “两大活动”期间空气质量保障评估分析表明，污染控制措施在活动期间的空气质量改善中起到了主导作用.空气质量改善是一个长期的、艰巨的过程，需要进一步深化联防联控，推进区域大气污染协同治理；进一步提高城市精细化管理水平；优化经济结构、调整空间布局，倡导和推行生活方式转变，降低社会活动排放强度，完善全社会共同治理大气污染的格局.