杭州G20峰会期间PM2.5短时污染事件分析

2020-07-08沈建东朱溆君严仁嫦许凯儿

四川环境 2020年3期

沈建东，杨乐，朱溆君，严仁嫦，许凯儿，张天

(杭州市环境监测中心站，杭州 310007)

随着我国社会经济的持续高速发展，工业化和城镇化进程加速，环境空气区域性污染问题日趋严重。杭州位于长三角南部，近年来，杭州市复合型大气污染特征日益明显[1]，表现为氮氧化物(NOX)为代表的机动车尾气污染、以臭氧(O3)为代表的光化学污染以及以细粒子为代表的霾污染[2]。虽然杭州市采取了非常多的大气污染防治措施，整体空气质量得到逐步改善，但大气污染事件仍时有发生。2016年9月4日～5日在杭州举办的二十国集团峰会，是自2008年北京奥运会和2014年亚太经合组织峰会之后中国举办的最大型的国际盛会。为保障峰会期间环境空气质量，各级政府采取了严格的管控措施减少污染物的排放[3]，整体上峰会空气质量保障取得了较大的成功，G20峰会期间杭州环境空气质量整体优良，但9月4日凌晨发生了一次短时细颗粒物(Particulate Matter，PM2.5)污染事件，PM2.5小时浓度一度达到100μg/m3，对G20峰会期间的空气质量造成了一定的影响，本文将对该事件污染特征和形成原因进行分析。

1 研究方法

1.1 监测点位

本研究主要观测站点朝晖点位(30.29°N，120.17°E)位于杭州市的一栋居民楼楼顶(约20m高)，站点位于杭州市东北部，距离G20峰会主会场杭州国际博览中心约8km。采样点的周边是住宅、办公楼、医院、学校和道路，该采样点能够代表城市交通、生活等混合源的排放。

1.2 监测项目

空气质量监测项目中的二氧化硫(SO2)、NOX分别用紫外荧光法、化学发光法测量，PM2.5、颗粒物(Particulate Matter，PM10)采用光散色和贝塔射线联用法，均使用Thermo Fisher监测仪器。使用气溶胶在线离子色谱(URG-AIM9000D)连续观测PM2.5中水溶性组分。使用半连续OC/EC分析仪(Sunset Laboratory)测量PM2.5中的有机碳(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产的激光雷达(EV-Lidar)观测气溶胶垂直高度消光系数分布。监测项目所用仪器的校准方法及周期均按照国家相关规范要求或仪器推荐方法及周期进行，气体标准物质由环保部标准样品研究所提供。

1.3 后向轨迹模型

通过NOAA ARL READY网站的混合单粒子拉格朗日综合轨迹HYSPLIT4计算本次污染事件的空气轨迹[4]。模型中使用的气象输入数据来源于NCEP的全球资料同化系统(GDAS)，后向轨迹计算高度在500m。

2 结果与讨论

2.1 峰会期间的空气质量

杭州G20峰会会期为2016年9月4、5日两天，大气污染管控措施从8月24日开始，9月7日结束，具体情况如下：8月24日开始实施工业管控，企业暂时停产或减产；8月25日开始实施工地管控，禁止工地施工。8月28日增加了对机动车的管控，全面实施机动车单双号限行并且禁止外地车辆进入市区，禁止运输含尘物料。9月4日是G20峰会会期，也是最严格的排放控制阶段，临时增加VOCs应急减排。9月7日是管控后阶段，取消所有管控措施。

图1 PM2.5、PM10、NOX、SO2的小时浓度及气象条件变化情况Fig.1 Time series of hourly PM2.5、PM10、NOX、SO2 concentrations and meteorological parameters

图1为G20峰会期间PM2.5、PM10和气态污染物SO2、NOX以及气象数据(风速、温度、相对湿度和边界层高度)随时间序列的变化情况。从风速风向上看，管控前(8月15日至23日)、会期(9月4日至6日)和管控后(9月7日至12日)杭州市以东风为主；管控期(8月24日至9月3日)前期8月24日至27日东风转向西风，到28日又转向西南风。管控前、管控阶段、会期和管控后平均风速分别为1.34 m/s、1.44 m/s、1.30 m/s和0.96 m/s。从各阶段相对湿度看，管控期相对湿度(RH)明显低于其他阶段，管控后相对湿度最高。各阶段温度对比显示，管控前和管控期温度最高，随后温度开始逐渐下降，到会期和管控后阶段温度迅速下降到较低水平。前两个阶段辐射强度最高(301W/m2、405W/m2)，后两个阶段辐射强度(204W/m2和215W/m2)有所减弱。边界层高度的变化在一定程度上与辐射类似，前两个阶段边界层较高，但在后两个阶段边界层高度快速下降。结合各阶段的管控措施，管控期是伴随着最高风速的工业和工地管控阶段，NOX，SO2和PM的浓度均降至低水平。应该注意的是，虽然管控期后半阶段增加了机动车管控措施，但受外来传输的影响，NOX的浓度仍然保持在相对较高的水平。由于会期是最严格的排放控制期，尽管气象条件不利(风速低且相对湿度高)，但所有大气污染物都降低到较低浓度。管控后阶段所有管控措施取消之后，PM2.5浓度伴随着不利的气象条件(低风速、低边界层高度、弱辐射和高相对湿度)出现明显反弹现象。峰会期间四个阶段PM2.5的平均浓度分别为37.4μg/m3、37.2μg/m3、35.0μg/m3、49.5μg/m3。总体而言，管控阶段和会期的PM2.5浓度低于管控前和管控制后阶段，污染排放管控措施对空气质量改善的效果明显。

但是，9月3日22点开始至9月4日凌晨发生了一次短时颗粒物污染事件， PM2.5浓度从3日21点的33μg/m3，到4日0时达到100μg/m3，PM10也从56μg/m3上升到151μg/m3，同时段SO2和NOX浓度没有明显的变化，维持在较低浓度。事件发生时的风向为东北风，从杭州市环境空气国控监测网上看，PM2.5浓度在杭州市东北方的朝晖和和睦子站于4日0时最先达到最高值，农大和城厢镇子站在4日2时达到最高值，城市西南面的西溪和卧龙桥子站在4日10时达到最高值，颗粒物浓度从东北到西南依次升高。PM2.5浓度在0时达到最高值后随着污染气团的移动迅速下降，在4日6时即下降到28μg/m3，同时PM10下降到33μg/m3，NOX和SO2浓度变化较小。

2.2 PM2.5的化学组分变化

图2 PM2.5的主要化学成分在污染事件中的浓度变化Fig.2 Concentrations of major chemical components of PM2.5 during the pollution episode

为了确定高浓度的二次无机气溶胶是来自本地大气化学过程，还是由上游地区传输导致，我们计算了硫氧化率(Sulfur Oxidation Ratio，SOR)和氮氧化率(Nitrogen Oxidation Ratio，NOR)的变化情况。SOR和NOR已经被很多学者用来评估二次气溶胶的转化程度[6-7]。本研究中的NOR和SOR通过以下方程式[8]计算(摩尔分数)：

(1)

(2)

2.3 气溶胶消光系数垂直分布

作为探测大气气溶胶的一种有利手段，激光雷达能够得到高时空分辨率的大气颗粒物垂直分布信息，为定量分析颗粒物的时空演变规律和污染物的输送强度提供了有效的技术手段。近年来，越来越多的学者开始利用激光雷达研究颗粒物的垂直分布和长程传输[10～12]。

图3为朝晖站激光雷达观测到的污染事件中气溶胶消光系数的变化情况，3日23时开始，受中低云层影响，雷达反射回波显示消光系数高值区位于高度500m左右。从4日0时，垂直消光系数发生变化，近地面整层出现高消光系数区域，其成因为颗粒物污染团在夜间风场作用下的迁移和输送，至4日4时左右近地面颗粒物混合均匀，颗粒物浓度增高，9月4日5时后随着污染团的输送结束，高消光系数区域逐渐上移，至4日下午高消光系数区域上移至高空，近地面消光系数明显下降，颗粒物浓度降低。

图3 污染事件中气溶胶消光系数变化情况Fig.3 Variation of aerosol extinction during the pollution episode

2.4 气团轨迹反演

为了解本次污染事件颗粒物的输送过程，利用NOAA的HYSPLIT后向轨迹模型，以杭州市(120.17°N, 30.29°E)为参考点，选取500m高度追踪本次污染事件气团运动轨迹变化。图4为该短时污染期间60小时空气质量后向轨迹(起始时间分别为3日22∶00、4日0∶00、2∶00、4∶00)，每2h一条轨迹。结果表明9月3日22时达到杭州的气团主要来自江苏北部，途径东海到达杭州，4日三个时段到达杭州的气团主要来自河北南部，途径山东，进入东海，随后再进入杭州，快速下沉，造成颗粒物浓度的急剧上升。中国环境空气国控监测网的数据显示作为污染气团潜在来源地区的河北南部、山东在9月1日NO2和SO2浓度范围分别为31～78μg/m3和13～56μg/m3，平均值分别为56μg/m3和32μg/m3，远高于研究期间杭州市的平均值(14μg/m3和8μg/m3)。