2019年太原青运会期间空气质量评估

2022-01-18郭伟朱凌云汪文雅高兴艾成鹏伟张岳军

气象与环境学报 2021年6期

郭伟朱凌云汪文雅高兴艾成鹏伟张岳军

(山西省气象科学研究所,山西太原 030002)

引言

近年来，为保障重大活动顺利举行，举办地及周边地区联合采取有力措施改善大气环境质量，已有多个成功案例，如北京奥运会[1-2]、广州亚运会[3]、南京青奥会[4]期间举办城市及周边地区均进行了大力度环境联合整治，实现了区域城市空气质量较长时间的良好状态；而重要会议如北京APEC会议[5]、杭州G20峰会[6]期间举办地也采取了停限产、限行等应急性污染减排措施，实现了“APEC蓝”和“G20蓝”。许多学者围绕这些活动前后大气污染物的变化特征，针对空气质量改善效果[7]、区域传输贡献[8]、气象条件影响[9]等开展了大量研究，为今后各类大型活动制定保障措施提供了值得借鉴的经验。这些评估手段多基于地面网格式分布的监测，较少关注垂直方向上污染物的削减特征[10]，由于受气象条件以及人为因素的影响，大气颗粒物质量浓度空间垂直分布变化很大，地面浓度特征的变化不足以完整地反映颗粒物在大气中停留和分布[11]。因此，了解改善措施对大气污染物的垂直分布的影响，能更加准确地验证大气污染管制措施的实际效果。利用激光雷达探测大气气溶胶，可获取污染物的垂直结构特征，实现对大气复合污染的监测和机理研判，是观测颗粒物时空分布的有效手段[12-14]。

2019年8月，第二届全国青年运动会在太原举办，根据《2019中国生态环境状况公报》公布内容，太原市2018年环境空气质量为169个城市中相对较差的20个城市之一，为保障青运会期间空气质量，从2019年8月1日起，太原市采取了多种管控措施改善大气环境：①装备制造、家具制造、涂料生产、油墨生产、汽修、包装印刷等涉挥发性有机物企业实施错时生产，08—18时停产，18时至次日08时生产，区道路划线、墙体喷涂、护栏刷漆等露天作业时间调整到18时到次日08时；②对区域内及周边焦化企业实行临时性限停产；③全面落实施工工地扬尘管控“六个百分百”要求；④取缔露天烧烤，清理城市建成区及城乡接合部、企业集聚区沙堆、煤堆、渣堆、土堆、垃圾堆等“五堆”问题；⑤8月5日起实行机动车单双号限行。因此，本文聚焦太原市地面大气污染物在青运会前、青运会期和青运会后变化特征，同时利用激光雷达获得气溶胶的垂直分布，多角度验证青运会大气污染管控的实际效果，以期为该区域夏季空气质量保障措施的制定提供科学参考。

1 资料与方法

1.1 研究区特征及数据来源

太原位于山西省中部太原盆地北端，三面环山，南部与汾渭平原接壤，是全国能源重化工基地之一，工业结构及地形因素造成了该地区大气污染较为严重，以盆地为主的地形特征不利于污染物的扩散，区域内城市之间污染物排放相互影响明显[15]。本研究收集了2017年、2018年和2019年7—8月太原市8个监测站点PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO和O3共6种污染物逐时数据(2019年8月21—24日和30日各项污染物浓度监测数据缺测)，同时收集了2019年7—8月太原市气温、气压、湿度、风速和降水量等气象数据。污染物资料来自山西省生态环境监测中心，气象资料来源于山西省气象信息中心，大气污染物监测站点分布见图1，其中气象站点与小店监测站接近。

图1 太原市空气质量监测站点分布

1.2 雷达设备及消光系数反演方法

使用气溶胶消光系数和退偏比来分析气溶胶在垂直方向的分布特征。开展观测实验所用的是安徽蓝盾光电子股份有限公司生产的高能多波长激光雷达，激光器发射三种特定波长(355 nm、532 nm和1064 nm)激光脉冲，该雷达布设于太原市环境监测站(与大气环境监测站桃园站为同一位置)。运用Fernald算法[16-17]进行气溶胶消光系数光学参数的反演，雷达的垂直分辨率为7.5 m，激光雷达接受回波盲区设定为105 m，105 m以下的数据不进行分析，收集每30 min数据进行分析。

1.3 分析方法

根据太原市保障青运会的管控措施实施时间，将全过程分为3个阶段，2019年8月1—18日为青运会期间(18 d)，7月14—31日为青运会前(18 d)和8月18—31日为青运会后(14 d)，基于时间序列，对青运会3阶段空气质量和气溶胶垂直分布的变化特征进行分析，并与2017年和2018年同期进行对比。

2 结果分析

2.1 青运会期间气象特征变化

近地层气温、湿度、风速等气象要素是影响大气污染物浓度的重要因子，排放源不变的情况下，气象要素的变化可以造成大气污染物浓度的剧烈变化。图2为2019年太原市青运会前后日均气象要素变化。由图2可知，青运会期间太原市地面气压平均水平与青运会前相近，明显低于青运会后；青运会期间平均风速达到2 m·s-1以上，高于青运会前后，尤其是8月11—13日和16日风速明显偏大，有利于污染物的扩散和清除；青运会期间平均相对湿度略低于青运会前后，特别是8月12—18日湿度较低，不利于污染物的吸湿增长；青运会期间平均气温略低于青运会前，但明显高于青运会后，气温下降可降低光化学反应效率，减少臭氧生成。整体而言，青运会期间气象条件较青运会前更有利于污染物扩散，青运会后虽然风速较小、湿度较大，但气压、气温与青运会期间差异较大，整体扩散条件没有太大差异。

图2 2019年青运会期间太原市气压(a)、风速(b)、相对湿度(c)和气温(d)变化

2.2 青运会前后地面污染物浓度变化

为分析大气污染控制措施的实行对污染物浓度的影响，比较青运会前、青运会期间和青运会后太原市8个监测站点PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2、O3共6种污染物浓度特征及青运会期间较青运会前各污染物浓度变化幅度(图3)，发现青运会期间各站PM10浓度较青运会前期均有显著降低，降幅为22%—36%(图3a)，其中上兰站下降最为显著，坞城站和金胜站降幅稍低，会后PM10有所反弹，但低于会前浓度。从PM2.5削减特征来看(图3b)，会期各站PM2.5亦有显著下降，降幅为35%—41%，各站降幅总体较为接近，会后PM2.5亦有反弹，但均低于会前浓度。图3c为控制措施下SO2的变化，从图3c可以看出，各站SO2的增减不一，会期尖草坪站和晋源站浓度出现下降，桃园站前后持平，其余站点SO2浓度出现不同程度的上升，其中坞城站SO2浓度最高，增幅也最大；尽管出现复杂的变化，但SO2浓度仍远低于国家二级标准及地区秋冬季平均水平，SO2污染极小；会后各站浓度均有反弹，除尖草坪站外，其余7站浓度均高于会前水平。会期CO浓度也呈降低特征(图3d)，各站降幅存在差异，降幅为10%—35%，其中金胜站降幅最大，坞城站和小店站降幅较小；会后各站CO浓度均有上升，其中上兰站、坞城站、小店站和晋源站浓度超过会前浓度。调控对各站NO2浓度的影响存在较大差异，如图3e所示，同会前比较，会期NO2浓度降幅为5%—30%，降幅最大出现在上兰站和小店站，小店站和坞城站降幅最低；会后，各站均出现明显反弹，其中尖草坪站、坞城站、桃园站、小店站和晋源站浓度水平超过会前。同大多数城市一致[18-21]，夏季太原市以O3污染居首，从图3f可以看出，青运会前各站O3-8h浓度值均超过了160 μg·m-3的二级标准限值，O3污染严重。会期各站O3-8h浓度均有不同程度的下降，降幅为14%—22%，降幅较为接近，降幅最大出现在上兰站和坞城站，晋源站降幅最少；会后，随着气温下降O3浓度也呈持续下降特征。

图3 2019年青运会期间太原市各监测站点PM10(a)、PM2.5(b)、SO2(c)、CO(d)、NO2(e)和O3(f)浓度特征及会期较会前变化

由图3可知不同污染物在各站点的分布特征，青运会各个阶段8个站点间浓度差异最小的污染物为O3，从变化幅度来看，青运会前后各站O3浓度下降幅度差值也较低，为8%，即太原市O3的空间分布较为均匀，控制措施对其削减效果的区域差异也较小，因此，建议可以进一步加强城市站点间各种污染物浓度差异及控制效果的对比研究，不同时间段，针对不同污染物制定较为精准的控制策略，例如O3的治理可进行全域性协同控制，而对于其他污染物的控制可根据区域特征制定策略。

2.3 青运会前后气溶胶消光系数变化

气溶胶消光系数是气溶胶光学特性的基本参数，气溶胶消光系数垂直廓线可以反映气溶胶的垂直分布情况。有研究表明，中国大部分地区气溶胶层多维持在3 km以下[22-23]，因此主要对3 km以下的气溶胶垂直特征进分析。图4为2019年太原青运会各阶段气溶胶消光系数和退偏比廓线，退偏比通常可以判定颗粒物的类型，球形气溶胶退偏比最低，退偏比越大表明非球形度越高，人为排放的气溶胶如汽车尾气和工业废气中的酸性球形颗粒物，退偏比小于0.1[24]，而沙尘气溶胶的退偏比多大于0.1，剧烈沙尘暴的气溶胶退偏比可达到0.4[25]，本研究结合大气中PM2.5/PM10的变化特征(图5)，分析退偏比廓线的变化原因。

从图4可以看出，青运会前期(图4a)近地面1 km以下消光系数大于1 km-1的出现频次较多，其中消光系数大于2 km-1的区域结合退偏比观测结果(小于0.05)可以判断均为云层。7月15—21日近地面500 m消光系数达到了1 km-1，对应的退偏比偏低(图4b)，污染物倾向于细球形粒子，即以PM2.5为主。7月14日、13—26日和30—31日大气消光系数偏低(小于0.75 km-1)，但是退偏比较15—21日偏高，粒子偏向于非球形，说明存在沙尘粒子，以PM10污染为主。青运会期间，大气消光系数整体下降(图4c)，除了8月4日存在降水之外，8月2—10日虽然近地面消光系数部分时段超过了1.00 km-1，但较青运会前仍有较大下降；8月1日以及8月13—19日近地面消光系数主要分布在0.75 km-1以下，大气颗粒物浓度偏低，但同期退偏比数值偏高(图4d)，部分时刻达到了0.20以上，粒子非球形特性明显，8月12日以后，大气中PM2.5占比明显偏低(图5)，表明该段时间以粒径较大的非球形粗粒子污染为主，同时气象条件表明该段时间风速较高、湿度偏低，因此高空中的大颗粒物可能来自于局地沙尘或区域传输。青运会之后，气溶胶消光系数和退偏比垂直廓线表明(图4e和图4f)，沙尘粒子分布频次明显偏多，除了8月21日以及24—27日外，其余时段大气颗粒物主导类型均为沙尘粒子。8月21日500 m附近，消光系数较大，超过了2.0 km-1，退偏比小于0.05，主要考虑近地面低云。8月24—27日近地面也存在少量低云，结合PM2.5/PM10和退偏比观测结果，可知仍然存在少量细颗粒物。

图4 2019年青运会前(a)、青运会期间(c)、青运会后(e)太原市消光系数和青运会前(b)、青运会期间(d)、青运会后(f)太原市退偏比剖面

图5 2019年青运会期间太原市桃园站PM2.5/PM10变化

总体来看，太原市夏季大气中颗粒物污染以PM10为主PM2.5为辅，青运会期间垂直大气中颗粒物分布明显减少，管控效果显著；另一方面，青运会期间PM2.5在大气颗粒物中的占比降低，表明管控措施对PM2.5的影响大于PM10。

为进一步量化管控措施对气溶胶垂直分布特征的影响，将三个时期气溶胶消光系数的垂直分布进行对比分析(图6a)，由图6a可知，不同时期气溶胶消光系数的垂直分布特征较为相似，均在1000 m以下有较大的波动，且在离地400 m左右出现最大值。青运会前，气溶胶消光系数的峰值达到0.66 km-1，会期消光系数峰值迅速减小至0.49 km-1，会后消光系数峰值又回升至0.57 km-1。2000 m以下，会期气溶胶消光系数均明显低于会前，值得注意的是，会后地面颗粒物浓度虽有所回升，但在650 m以上气溶胶消光系数仍低于会期。青运会期间气溶胶消光系数峰值降低24.6%，同地面颗粒物浓度变化相比(桃园站)，地面PM10浓度下降30.5%，PM2.5浓度下降41.2%，表明垂直方向上气溶胶的削减幅度低于地面。

空气中水分子容易造成消光系数的增大，当空气湿度超过60%时，气溶胶吸湿增长对消光系数有显著影响[26-27]。图6b至图6d为不同湿度条件下三个时期气溶胶消光系数的变化特征，图6b表明青运会前低湿天气下(平均相对湿度RH为53.9%，标准差σ为4.3%)，消光系数峰值为0.63 km-1，高湿天气(RH =71.3%，σ=7.4%)消光系数峰值为0.74 km-1，整体上两种湿度条件下气溶胶消光系数的垂直分布十分接近，1.25 km以下高湿天气消光系数稍高，1.25 km以上高湿天气消光系数稍高。青运会期间(图6c)，两种湿度天气下气溶胶消光系数的垂直分布出现显著差异，低湿天气(RH=50.6%，σ=4.0%)气溶胶消光系数峰值下降至0.34 km-1，高湿天气(RH=71.5%，σ=8.3%)消光系数峰值下降至0.58 km-1，较前期分别下降46.0%和21.6%，说明青运会期1.5 km以下气溶胶吸湿增长明显，原因可能是青运会管控措施显著降低了沙尘等粒径较大的颗粒物浓度，大气中硫酸盐、硝酸盐等吸湿性较强的粒子比例上升，表明管控改变了太原市大气中气溶胶粒子的组分和形态特征。青运会后(图6d)，低湿天气(RH=52.2%，σ=4.5%)和高湿天气(RH=72.5%，σ=10.9%)气溶胶消光系数峰值均较青运会期上升约17%，但气溶胶消光系数垂直分布的形态较会期出现变化，1.0—1.5 km同会前相似，气溶胶吸湿增长较小，1.0 km以下同会期相似，气溶胶吸湿增长仍较明显，表明青运会后1.0 km以下气溶胶吸湿增长能力仍较强，1.0—1.5 km气溶胶吸湿增长能力减弱。对比地面污染物浓度特征，青运会期间低湿天气下PM10下降38.1%，低于气溶胶消光系数峰值；高湿天气下PM10下降20.7%，同气溶胶消光系数峰值变化接近，表明管控措施下高空气溶胶的变化较地面更显著；青运会后PM10在低湿和高湿天气下浓度回升31%和23%，均高于气溶胶消光系数峰值的变化程度。总体来看，青运会期间气溶胶的垂直分布显著减少，管控措施对低湿天气下气溶胶的削减最为显著，同时影响了大气中颗粒物组分，管控期间气溶胶的吸湿增长能力显著增强。

图6 2019年青运会不同时期(a)及青运会前(b)、青运会期(c)、青运会后(d)不同湿度天气下气溶胶消光系数廓线

2.4 与2017和2018年同期对比

图7为2019年太原青运会期间气温、湿度和风速及6种污染物浓度变化特征同2017年和2018年的对比。从图7可以看出，2017—2019年青运会三阶段气温(图7a)、相对湿度(图7b)变化较为接近，风速(图7c)变化有所区别，2019年青运会期气温与2017年、2018年同期接近，相对湿度稍低；风速与2018年同期接近，高于2017年同期，总体来看，2019年青运会期大气污染扩散条件与2018年同期接近，但好于2017年。

青运会期间，PM10、PM2.5、CO、NO2和O3较青运会前分别下降30.5%、37.3%、20.2%、18.0%和18.6%，SO2无显著变化(图7d至图7i)，青运会后，除O3外，各污染物浓度均有不同程度的上升。对比2018年，青运会同期PM2.5和O3略有下降，SO2、CO、NO2有明显增加，而PM10无明显变化，后期各污染物浓度基本与会期较为接近；2017年青运会同期PM10、PM2.5、SO2、CO、NO2浓度均有明显升高，O3浓度则基本不变，后期PM10、PM2.5、SO2、O3浓度较会期明显下降，CO浓度有所上升，NO2浓度变化较小。总体对比2017—2019年三阶段污染物变化，在2019年的青运会管控措施下，除SO2外的其他5种污染物浓度较均有明显的下降。

图7 2019年青运会期间太原市气温(a)、相对湿度(b)、风速(c)和PM10(d)、PM2.5(e)、SO2(f)、CO(g)、NO2(h)、O3(i)变化特征与2017年、2018年同期对比

进一步对比2019年青运会期与2017年和2018年污染物浓度特征，表明PM10较2017年和2018年同期分别下降33.4 μg·m-3和56.8 μg·m-3，降幅为41.7%和54.9%；PM2.5较2017年和2018年同期分别下降15.6 μg·m-3和22.4 μg·m-3，降幅为38.4%和47.3%；SO2较2018年同期增加0.9 μg·m-3，增幅为12.3%，较2017年下降13.0 μg·m-3，降幅61.3%；CO较2017年和2018年同期分别下降0.15 mg·m-3和0.41 mg·m-3，降幅为17.9%和37.3%；NO2较2017年和2018年同期分别下降3.7 μg·m-3和16.3 μg·m-3，降幅为12.0%和37.5%；O3-8h较2017年同期下降5.7 μg·m-3，降幅为3.7%，与2018年同期持平。

赵辉等[28]对G20峰会(2016年9月4—5日)期间杭州地区空气质量演变评估显示，颗粒物浓度较前一年同期下降40%左右，而O3浓度上升了约12%；赵金帅等[29]对郑州市少数民族运动会期间(2019年9月8—16日)污染物变化研究表明，PM10和 PM2.5较前一年同期分别减少25.1%和16.2%，而O3降幅仅为3.7%。太原青运会期间大气污染管控效果与这些地区类似，青运会期间PM10和PM2.5较历史同期均有大幅下降，但O3浓度较历史同期变化不大。需要指出的是，青运会前期O3污染显著高于2017年和2018年同期水平(图7i)，管控实施后，O3浓度下降至同期水平，表明涉挥发性有机物企业实施错时生产和机动车限行对O3的生成和积累起到了一定抑制作用，但太原夏季以O3为首要污染物的大气污染特征仍较突出。