G20峰会期间杭州及周边地区空气质量的演变与评估

赵 辉,郑有飞,*,魏 莉,关 清,王占山(1.南京信息工程大学,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 2100；2.南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京 2100；.南京信息工程大学,江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 2100；.北京市环境保护监测中心,北京 10008)

G20峰会期间杭州及周边地区空气质量的演变与评估

赵 辉1,2,郑有飞1,2,3*,魏 莉3,关 清3,王占山4(1.南京信息工程大学,中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学大气物理学院,江苏 南京 210044；3.南京信息工程大学,江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,江苏 南京 210044；4.北京市环境保护监测中心,北京 100048)

为了研究G20峰会期间杭州市及其周边地区大气质量状况,评估保障措施的实施对空气质量的影响,利用2016年8月24日-2016年9月6日杭州及其周边城市空气质量监测数据,分析其时空分布特征,并与2015年同期数据进行比较.结果显示：①2016年8月24日-9月 6日即会期保障阶段,杭州市 PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO和 O3浓度均值为 31.52µg/m3,46.55µg/m3,8.92µg/m3,15.22µg/m3,0.62mg/m3和113.98µg/m3.②与 2015年同期相比,会议保障阶段杭州市 PM2.5,PM10,SO2,NO2和 CO浓度分别下降了 40.16%,37.71%,25.98%,56.30%和30.34%,O3浓度则上升了19.89%.③2016年会期保障阶段,2015年同期和G20峰会举办期间的3个时段,污染物日变化特征相似,除O3外,其他污染物整体上呈现2015年同期＞2016年会期保障阶段＞G20峰会举办期间的特点.④空间上而言,会期保障阶段O3浓度在空间上表现出显著上升,其他污染物浓度同比有明显下降,其中PM2.5和PM10在空间上的差异较小,而SO2和NO2在空间上的差异较大.⑤G20峰会期间采取的保障措施确保了杭州市及其周边地区大气质量得到了改善.

G20峰会；杭州；大气污染物；评估

为保障G20峰会期间的空气质量,浙江省政府制定了《G20峰会浙江省环境保障工作方案》,借鉴国内举办重大活动时空气质量的保障经验,采取了严格的大气污染物保障措施,同时协调周边城市协同参与,实现了“G20蓝”.

近年来,我国举办了许多国际重大会议,如：北京奥运会,广州亚运会,南京青奥会和APEC会议等,为了保障良好的空气质量,相关部门会采取一系列临时保障措施来保障会议的顺利进行.国内外学者基于观测、遥感、模拟等手段对空气质量的监测、演变和评估等开展了大量的研究,取得了一定的成果.辛金元等[1]研究发现,奥运时段北京及周边地区 SO2,PM2.5,NO2平均值分别为(13±4), (56±28)和(23±4)µg/m3,比奥运会前分别下降了 51.0%,43.7%,12.5%.Wang等[2]对比发现奥运期间 O3,SO2,CO 和 NOx分别下降了23%,61%,25%和 21%.李婷苑等[3]指出亚运期间广州及周边城市的NO2,O3,PM10和SO2浓度较低的原因主要是政府实施的减排措施及良好的气象条件.赵辉等[4]发现,除NO2外, PM2.5, PM10,SO2和O3则表现出青奥会后＞青奥会前＞青奥会期间的变化特征.针对2014年北京举办的APEC会议,众多学者对会议期间空气质量的评估进行了深入的研究[5-7],也进一步说明了保障措施的实施对会议的成功举办所起到的积极效果.2016年9月4日至5日在我国浙江省杭州市举办了G20峰会,期间采取了严厉的环境质量保障防治力度,包括：8月24日-9月6日为会期保障阶段,要求各项保障措施全面实施,其中,停工时间为8月26日至9月6日.根据《G20峰会浙江省环境保障工作方案》,会期保障阶段采取的具体措施包括：①实施超低排放的燃煤电厂优先发电.②煤炭燃烧重点企业燃用硫分低于0.7%,灰分低于15%的优质煤炭.③未按照预期完成治理任务,未安装废气收集装置以及废气没达标的企业,全部停产.④加强油气挥发性有机物的控制,以此来确保油品质量达标.⑤加强机动车限行管控力度,对涉浙,涉杭的客运货运车辆,执行国 IV以上排放标准.⑥鼓励船舶使用岸电或改燃低硫油等.⑦道路和建筑施工现场需封闭围挡,安装冲洗设备等防尘措施.⑧煤炭,渣土,沙石,物料等在运输过程中实现密闭化运输.⑨加强城市道路清扫和洒水的频次和强度,抑制道路扬尘.⑩严控餐饮油烟污染,严禁垃圾露天焚烧.

因此,深入分析G20峰会期间杭州及周边地区空气污染的变化特征,准确评估保障措施对G20峰会空气质量改善的贡献,这不仅能验证大气污染管控措施的实际效果.对今后国家制定相应的联合保障措施具有重要的科学意义和实用价值.

1 资料与方法

1.1 数据来源

各项污染物 PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO和 O3的数据来自于中国环境监测总站“全国城市空气质 量 实 时 发 布 平 台 (http：//106.37.208.233：20035/)”所发布的小时浓度数据.从中选取了杭州市 9个监测站点,分别为：滨江,朝晖五区,和睦小学,千岛湖,卧龙桥,西溪,下沙,云栖和浙江农大.为了评估保障措施实施的效果,同时还收集了2015年同期这9个站点各项污染物浓度数据.在此基础上,还收集了周边几个城市污染物数据,包括湖州,嘉兴,绍兴,宁波,金华,衢州,温州,舟山,台州和丽水,各城市监测站点如图1所示.

图1 杭州及周边城市污染物监测点分布Fig.1 Distribution of pollutions observation sites in Hangzhou and its surrounding cities

本文中所用的气象数据来源于“中国气象数据网(http：//data.cma.cn/site/index.html)”58457杭州站点日均值数据,包括：气温,相对湿度,压力和风速.

1.2 研究方法

本研究中,将数据分为3个时期：即2016年8月24日至9月6日为会期保障阶段,2016年8月26日至9月6日为停工时期,2016年9月4日至9月5日为G20峰会举办时间.本研究主要是基于时间序列分析方法,对G20峰会期间空气质量进行研究,并与2015年同期空气质量数据进行对比[8].

2 结果与讨论

2.1 气象条件变化分析

气温,相对湿度,压力和风速等气象条件是影响大气污染物浓度的外部因素,图 2为会期保障阶段(2016年8月24日至9月6日)与2015年同期日均气象要素的对比.通过计算发现,会期保障阶段气温和压力的平均水平与2015年同期大致相当.2016年会期保障阶段相对湿度与风速分别为60.38%和2.6m/s,2015年同期则分别为75.64%和 2.0m/s.当相对湿度越大时,空气中的水汽含量就越多,而大气污染物则可以溶于水汽中,使得污染物凝聚沉降,因此,相对湿度有利于2015年同期污染物的清除.但是,风速可以使污染物扩散稀释,通过比较两个时期的风速可以发现,风速对 2016年会期保障阶段污染物的扩散更加有利.所以,整体来看,2016年会期保障阶段与2015年同期相比,气象要素并没有出现较大差异.

图2 杭州市日均气象要素的变化Fig.2 Daily average variation of meteorological elements in Hangzhou

2.2 污染物变化特征分析

为了研究 G20峰会期间保障措施的实行对杭州市空气质量的影响,比较了 2015年和 2016年8月24日-9月6日(包括会期保障阶段,停工时期和会议举办期间)各污染物浓度逐时变化情况,如图3所示,同时表1给出了不同时段污染物平均浓度的变化及差异.参照国家环境空气质量标准[9],PM2.5,PM10,SO2和NO224h一级标准平均浓度的限值分别为：35,50,50,80µg/m3,CO 为4mg/m3.二级标准平均浓度的限值分别为：75,150,150,80µg/m3,CO为4mg/m3.

图3可见,2016年会期保障阶段的14d,PM2.5全部达标,其中有9d达到一级标准,而在2015年同期,PM2.5有1d超标,仅有3d达到一级标准.结合表1可以看出,2015年和2016年会期保障阶段PM2.5质量浓度分别为 52.67µg/m3和 31.52µg/ m3,2016年会期保障阶段比前一年同期降低了40.16%.

图3 G20峰会期间各污染物浓度逐时变化Fig.3 Hourly variation of air pollutants during the G20 summit

PM10与 PM2.5小时变化的峰谷值大体一致,PM10日均值在2016年会期保障阶段有8d达到国家一级标准,其余天数均为二级标准,通过计算PM2.5和PM10的比值可以区分粗粒子和细粒子对PM10的贡献,2015年和2016年会期保障阶段PM2.5/PM10平均值分别为0.70和0.67,说明了PM10浓度主要来源于PM2.5以下,细粒子对PM10的贡献高于粗粒子,这可能是由于夏季光化学反应增强导致大量的硫酸盐等二次气溶胶的生成增加了PM2.5的浓度[10].

3个时期SO2的日均值均远低于国家一级标准 50µg/m3.2016年会期保障阶段,停工时期和会期举办期间的3个时段SO2浓度与2015年同期相比分别下降了 25.98%,29.62%和 44.09%,可见,由于峰会期间,杭州市及其周边地区保障措施的加强,加上各类工厂企业停工生产等,SO2浓度逐渐下降.一般而言,SO2浓度与气象条件紧密相关[11],同时季节性变化明显,冬春季节较高,夏秋季节较低,夏季由于排放源强度小,温度较高且大气对流强烈,在气-粒转化以及降水湿清除共同作用下SO2浓度比其他季节低[12],加之G20峰会期间的污染源控制,这两方面的综合作用导致杭州市会议保障期间SO2浓度明显低于前一年同时期.

3个时期杭州市 NO2浓度均明显低于国家NO2一级标准,2016年会期保障阶段平均浓度为15.22µg/m3,低于 2015年同期 34.83µg/m3,2016年9月4～5日为会议举办期间,保障措施实施最为严格,因此,此时 NO2日平均浓度达到最低为10.87µg/m3,与前一年同期相比,NO2浓度降低了68.75%,下降较为显著,这与严格的机动车控制有关,也可能与自身的季节变化有关[13].

CO在2016年会期保障阶段,停工时期和会议举办期间的平均浓度分别为 0.62mg/m3, 0.63mg/ m3和 0.59mg/m3,与 2015年同期相比下降了30.34%,30.77%和28.05%.总体上,夏季CO浓度较低,主要是因为夏季边界层高度较高,湍流强烈,从而有利于 CO混合[14],但是在秋冬季节,大气稳定度高,导致地面CO易出现累积,加上不利的扩散条件造成冬季CO浓度较其他季节高[15].

与其他污染物不同的是,2016年会期保障阶段杭州市O3浓度较高,3个时期均高于 2015年同期水平,分别比2015年同期上升了19.89%, 10.79%和12.08%.O3是一种由NOx和VOCS等前体物在太阳光照射下经光化学反应生成的二次污染物[16],其浓度受太阳辐射强度和前体物的影响.

表1 不同时段污染物平均浓度Table 1 The average concentration of pollutants in different periods

2.3 污染物日变化特征

为了深入了解保障措施的实施对大气污染物浓度的影响,分析了 PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO和O3在3个时段不同时刻浓度的平均值,即污染物的日变化特征,如图4所示.这 3个时段分别为：2016年 8月 24日～9月 6日为会期保障阶段,2016年 9月 4日～9月 5日为会议举办期间,2015年8月24日～9月6日为会期保障阶段上一年的同一时段.由图4可知,与2015年相比,除O3外,其他污染物在会期保障阶段和会议举办期间污染物日变化水平较低,体现了保障措施所带来的积极效果.

PM2.5与 PM10浓度日变化曲线的趋势大致相同,在2015年同期,PM2.5日变化幅度比其他两个时段大.峰值均出现在10：00左右,这可能与机动车高流量向大气环境中不断输入细颗粒物以及道路扬尘有关[17].午后边界层不稳定,湍流交换能力较强,导致颗粒物浓度有所下降.晚上污染物浓度上升与稳定边界层深厚有关,此时大气层结稳定,不利于污染物的扩散和稀释.

3个时段SO2整体上呈现单峰型日变化状态,白天浓度显著高于夜间,可能与夜晚 SO2的湿清除有关[18].在 10：00-11：00时出现的峰值可能是由于太阳的热力作用使得垂直对流发展,将早上残留在高温逆温层中的 SO2输送到地面,导致SO2在此时出现峰值[19],之后随着空气对流混合加强SO2浓度逐渐降低,此后略有回升.

2016 年会期保障阶段和会议举办期间NO2日变化平缓,均呈双峰型日变化,峰值分别出现在早上07：00-08：00和晚上21：00-22：00左右.NO2浓度从凌晨开始下降,随着早高峰的到来,此时交通拥挤,机动车尾气大量排放,致使NO2浓度逐渐上升至第 1个峰值.随后,由于太阳辐射的增强,城市大气边界层升高,导致污染物的扩散和稀释增强,浓度再次呈现下降的趋势,至 13：00-15：00左右出现谷值.随着晚高峰的出现,NO2浓度开始增加,直至21：00-22：00出现第2个峰值.相比于这2个时段,2015年同期NO2日变化幅度剧烈,主要与该时段并未采取保障措施有关.

图4 不同时段污染物浓度的日变化Fig.4 Diurnal variation of pollutants in different periods

3个时段CO呈双峰型日变化,峰值分别出现在早上 09：00和夜间 00：00-1：00,谷值在16：00～18：00左右,第 1个峰值是由于交通拥挤导致的机动车排放源短时大量增加,随着早高峰的结束,CO浓度开始下降,午后 16：00-18：00达到最低值,此后开始回升,并于夜间 00：00～1：00左右达到第2个峰值,此时的峰值可能是由于晚上混合层高度降低,污染物扩散受到限制,与此同时,稳定的大气层结不利于污染物的扩散和稀释,由局地排放的CO在低层大气中累积,导致CO浓度升高[20].

3个时段 O3呈现明显的单峰型变化规律,峰值出现在 14：00,谷值出现在早上 07：00～08：00.O3浓度的日变化与近地面大气光化学过程相关,日出后由于太阳辐射强度的增强,导致NOx和VOC等O3前体物的光化学反应增强,造成 O3浓度持续不断上升,而后逐渐降低,然后在滴定作用和干沉降的影响下[21],一直缓慢下降到次日的最低值[22].

2.4 大气污染物空间演变分析

图5为杭州市各监测站点6项常规污染物在会期保障阶段(2016年8月24日～9月6日)与2015年同一时期的对比,从图中可以看出,会期保障阶段PM2.5,PM10,SO2,NO2和CO 5项污染物浓度同比有明显下降,相反,O3浓度在空间上表现出显著上升.其中,10个站点 PM2.5降幅在24.26%～47.02%之间,PM10降幅在 17.92%～47.40%之间,SO2降幅在-30.76%～43.83%之间,NO2降幅在-0.11%～67.16%之间,CO降幅在10.23%～48.40%之间,O3的升幅则在-0.15～52.89%之间.与此同时,通过对 6项污染物在 10个监测站点上的降幅求方差可知,PM2.5和 PM10在空间上的差异较小,SO2和 NO2在空间上的差异较大.

图5 会期保障阶段各监测站点污染物与2015年同期对比Fig.5 A comparison of pollutants at each site during the session safeguards period and the same time in 2015

图6 杭州及周边城市污染物消减变化Fig.6 Air pollution abatement in Hangzhou and its surrounding area

2.5 不同保障区污染物降幅

为了确保峰会期间良好的空气质量,浙江省政府制定了《G20峰会浙江省环境保障工作方案》,同时通过协调周边城市协同参与,保障区域分别以主场馆为中心按 50km,100km和 300km为参考半径划定核心区,严控区,管控区[23].其中,核心区包括杭州市,湖州市,嘉兴市,绍兴市.严控区包括宁波市,金华市,衢州市.管控区包括温州市,舟山市,台州市,丽水市.

表2 不同保障区域污染物平均浓度Table 2 The average concentration of pollutants in different security area

图 6为杭州及周边城市在会期保障阶段(2016年8月24日～9月6日)与2015年同期的对比,结合表 2可以看出,PM2.5,PM10,CO的降幅均呈现核心区＞严控区＞管控区的特征,其中PM2.5在这3个保障区域与2015年同期相比的平均降幅分别为 42.64%,30.25%和 6.92%,管控区PM10和CO有所上升.SO2浓度的平均降幅在核心区和严控区相差不大,但在管控区仅下降了4.33%.NO2浓度的平均降幅在核心区为43.30%,而在严控区和管控区的平均降幅分别为 16.53%和18.80%.虽然O3浓度在杭州地区上升,但是总体上而言,核心区O3浓度与2015年同期相比基本处于同一水平,相反,对于管控区而言,O3浓度比2015年同期上升了5.34%.

3 结论

3.1 会期保障阶段,杭州市 PM2.5,PM10,SO2, NO2,CO和O3浓度均值为31.52µg/m3,46.55µg/m3, 8.92µg/m3,15.22µg/m3,0.62mg/m3和113.98µg/m3.而G20峰会举办期间,各污染物浓度均值分别为27.18µg/m3,40.81µg/m3,7.52µg/m3,10.87µg/m3,0.5 9mg/m3和82.49µg/m3.

3.2 与 2015年同期相比,会议保障阶段杭州市PM2.5,PM10,SO2,NO2和 CO 浓度分别下降了40.16%,37.71%,25.98%,56.30%和 30.34%.而在G20峰会举办期间,各污染物浓度则分别下降了38.80%,35.62%,44.09%,68.75%和 28.05%.O3浓度在这两个时段分别上升了19.89%和12.08%.

3.3 2016年会期保障阶段,2015年同期和G20峰会举办期间的 3个时段,污染物日变化特征相似,除O3外,其他污染物整体上呈现 2015年同期＞2016年会期保障阶段＞G20峰会举办期间的特点.

3.4 会期保障阶段 O3浓度在空间上表现出显著上升,其他污染物浓度同比有明显下降,其中PM2.5和 PM10在空间上的差异较小,而 SO2和NO2在空间上的差异较大.

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Evolution and evaluation of air quality in Hangzhou and its surrounding area during the G20 summit.

ZHAO Hui1,2,ZHENG You-fei1,2,3*, WEI Li3, GUAN Qing3, WANG Zhan-shan4(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud- Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；3.Jiangsu Collaborative Innovation Center of Atmospheric Environment and Equipment Technology (CICAEET), Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；4.Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China). China Environmental Science, 2017,37(6)：2016～2024

In order to realize air quality status in Hangzhou and its surrounding cities during the G20 summit, evaluate the effects of the implementation of safeguard measures. The concentration of air pollutants were analyzed based on pollutants observation sites in Hangzhou City and its surrounding cities from August 24, 2016 to September 6, 2016, and compared with that in 2015. The results showed that:①During the period of the safeguard, the average concentrations of PM2.5, PM10, SO2, NO2, CO and O3were 31.52µg/m3, 46.55µg/m3, 8.92µg/m3, 15.22µg/m3, 0.62mg/m3and 113.98µg/m3, respectively. ②Compared with the same time in 2015, the average concentrations of PM2.5, PM10, SO2, NO2and CO were decreased by 40.16%, 37.71%, 25.98%, 56.30% and 30.34%, respectively, the average concentrations of O3was increased by 19.89% during the safeguard period. ③Diurnal variation of pollutants are similar in three periods, the same time in 2015＞the safeguard period in 2016＞the G20 summit period, except for ozone. ④The concentration of ozone showed a significant increase and other air pollutants showed a significant decline in space, compared to the same time in 2015, the spatial difference of PM10and PM2.5were small, the spatial difference of SO2and NO2were big. ⑤Safeguard measures were taken to ensure that the air quality in Hangzhou and its surrounding cities had been improved during the G20 summit.

G20 summit；Hangzhou；air pollutants；evaluation

X51

A

1000-6923(2017)06-2016-09

赵 辉(1990-),男,江苏南京人,博士研究生,主要从事大气环境研究.发表论文9篇.

《中国环境科学》再次获评“RCCSE中国权威学术期刊(A+)”,位列学科榜首

2016-10-17

国家自然科学基金面上项目(41475108)

* 责任作者, 教授, zhengyf@nuist.edu.cn

《中国环境科学》在武汉大学中国科学评价研究中心发布的第四届中国学术期刊评价中获评“RCCSE中国权威学术期刊(A+)”.中国学术期刊评价按照各期刊的期刊学术质量和影响力指标综合得分排名,将排序期刊分为A+、A、A-、B+、B、C 6个等级,评价的6201种中文学术期刊中有316种学术期刊获评权威期刊(A+),A+为得分排名前5%的期刊.此次获得“RCCSE中国权威学术期刊(A+)”称号的环境类期刊有3种,《中国环境科学》在环境科学技术与资源科学技术学科内荣登榜首.