北京奧運會期間奧運村站空氣質量的觀測與研究

汪偉峰,王迎紅,王莉莉,朱 彬,王躍思＊

1.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇南京 210044

2.中國科學院大氣物理研究所,大氣邊界層和大氣化學國家重點實驗室,北京 100029

北京奧運會期間奧運村站空氣質量的觀測與研究

汪偉峰1,2,王迎紅2,王莉莉2,朱 彬1,王躍思2＊

1.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇南京 210044

2.中國科學院大氣物理研究所,大氣邊界層和大氣化學國家重點實驗室,北京 100029

為了跟蹤研究北京 2008年奧運會期間奧運村大氣污染物濃度的變化,2008年 6月 1日─9月 30日,利用符合國際標準的在線觀測儀器,對奧運村站大氣中主要污染物進行加強觀測.結果表明：奧運會期間奧運村站大氣中φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分別比奧運會前 (7月 1日─8月 7日)下降了 11.2%,46.7%,57.0%和 50.0%;比殘奧會后時段 (9月20─30日)分別下降了 41.7%,31.8%,21.6%和 28.6%;與 2007年同期相比,奧運會時段的φ(NO2),φ(O3),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分別下降了 38.8%,37.2%,42.1%和 68.0%;殘奧會時段分別下降了 17.8%,27.5%,44.0%和 64.1%.除對污染源嚴格的控制措施取得了良好的效果外,有利的天氣過程也是奧運會期間北京空氣質量全面達標的重要原因.

北京奧運會;污染物;臭氧;氮氧化物;光化學反應

臭氧 (O3)是影響城市大氣環境質量的重要污染氣體[1-2],人類活動所產生的氮氧化物 (NOx)、揮發性有機化合物 (VOCs)等污染物在大氣中經光化學過程產生二次污染[3],驅動 O3產生,誘發城市光化學煙霧.在光化學反應同時生成的氣溶膠對人體健康以及氣候環境的影響非常嚴重[4-8].大氣環境問題在第 29屆北京奧運會期間受到了國內外格外關注,為了保證奧運會的順利舉行,北京市政府采取了一系列措施,重點是控制燃煤污染、機動車污染、揚塵污染等以保證奧運會期間北京市的空氣質量.為了解北京市采取空氣質量保障措施的實施效果,中國科學院大氣物理研究所依托 2007年建立的京津冀大氣環境監測與預警觀測網,對大氣污染物(O3,NOx,CO,VOCs,SO2,PM10和 PM2.5)濃度進行實時監測,為奧運會的空氣質量提供及時準確的監測與預警評估數據,也為北京和周邊區域的大氣污染防控措施提供了科學依據和參考.筆者對奧運會期間奧運村站的大氣環境觀監測結果進行了分析,初步揭示北京市奧運村污染物濃度的變化特征.

1 試驗方法

1.1 監測點及時間

監測點設在中國科學院遙感應用研究所 (40°N,116.38°E)觀測實驗站五樓樓頂 (距地面 15 m),與奧運村僅一街之隔,東面 50 m處是奧林匹克公園,東南面與奧運會主場館“鳥巢”的直線距離約400 m.由于該監測點位于奧運會運動場的核心區,對監測和預警奧運體育館周邊污染物濃度變化有較強的代表性.于 2008年 6月 1日─9月 30日進行連續監測.

1.2 監測儀器

采用美國賽默飛世爾科技有限公司生產的大氣污染物 (NO2,SO2,O3,PM2.5和 PM10)環境監測分析儀,儀器參數見表 1.采用芬蘭 Vaisala公司出產的Milos520自動氣象站的監測資料.監測前所有儀器均進行了標定,每 10 d標定一次,相關系數在0.97以上,以減少儀器造成的系統誤差.采用 SAS和 SPSS等數據統計軟件.由于儀器故障,6月 16日─7月 4日未進行樣品采集,筆者以 6月 1─15日數據代表 6月數據.監測儀器設為每 5 min采集一次,對數據進行小時平均和日平均處理.

表 1 NO x,SO 2,O 3,PM2.5和 PM10濃度環境監測儀器參數Table 1 Concentrationesof NOx,SO2,O3,PM2.5 and PM10 monitoring equipment parameters

2 結果與分析

2.1 污染物總體變化特征

為分析車輛限行各時段污染物濃度變化,表 2給出各時段污染物濃度日均值的統計特征.圖 1為觀測期間大氣污染物的逐日變化.

從表 2和圖 1可知,6月 (6月 1─15日)φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的日均值最高,分別為 67.1×10-9,31.7×10-9,131.3和206.1μg/m3,8月奧運會期間最低,分別為 37.4×10-9,7.3×10-9,45.3和 63.2μg/m3,此時φ(CO)為 897.1×10-9;隨著殘奧會的結束,污染物濃度有了較大增長 ,φ(NO2),φ(CO),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的日均值分別為 64.2×10-9,1 184.5×10-9,10.7×10-9,57.8和 88.5μg/m3.分析可知,奧運會期間φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)相對于未限行期間 (7月 1日前)分別下降了44.3%,77.0%,65.5%和 69.3%;相對奧運會前 (7月 1日─8月 7日)分別下降了 11.2%,46.7%,57.0%和 50.0%,而φ(CO)增長了 32.2%;相對殘奧會后 (9月 20日以后)分別下降了 41.7%,31.8%,21.6%和 28.6%.在殘奧會期間φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)相對未限行時分別下降了 17.9%,67.2%,53.7%和 56.2%;φ(NO2)比奧運會前上升了 30.9%,φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分別下降了 24.1%,42.3%和 27.9%;與殘奧會后比,φ(NO2)和φ(SO2)分別下降了 14.1%和2.7%,而φ(CO),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分別上升了46.6%,5.2%和 2.0%.8─9月φ(NO2),φ(CO),φ(SO2)和ρ(PM10)都沒有超過《環境空氣質量標準》(GB3095─1996)二級標準,可見北京奧運會前期采取的一系列嚴格措施,如車輛限行、工業結構調整、加油站改造、建筑工地限制和嚴禁焚燒秸稈等[6]取得了明顯的效果,使北京的空氣質量得到有效改善.φ(O3)變化有些不同,7月最高 (為181.3×10-9),6月次之 (為 155.3×10-9),9月最低 (為83.6×10-9).在奧運會時段φ(O3)相對未限行時下降了 9.6%,比奧運會前 (7月 1日─8月 7日)下降了 22.6%;殘奧會期間φ(O3)比未限行時下降了8.8%;這是因為 O3的生成主要受太陽輻射強弱和季節溫度變化的影響[9].

表 2 奧運村站各時段污染物濃度日均值統計Table 2 Concentration of pollutants in each descrip tive statistics in Olymp ic V illage station

圖 1 奧運村站污染物濃度的逐日變化Fig.1 Variationsof pollutants concentration with time at the Olympic Village station

2.2 2007與 2008年奧運會時段污染物濃度變化特征

2007與 2008年北京地區同時段對比結果如表3所示.2年的監測點相同.在奧運會和殘奧會時段,2008年一次和二次污染物濃度比 2007年均有大幅降低 ,其中φ(NO2),φ(CO),φ(O3),φ(SO2),ρ(PM2.5)和 ρ(PM10)在奧運會時段分別下降了38.8%,66.7%,37.2%,61.6%,42.1%和68.0%;在 殘 奧 會 時 段 φ(NO2),φ(CO),φ(O3),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分別下降了17.8%,45.2%,27.5%,44.0%和 64.1%;在限行時段φ(NO2),φ(CO),φ(O3),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分別降低了 30.6%,60.7%,17.6%,48.5%,15.6%和54.3%.分別對 2007和 2008年的 8月 8日 ─9月20日的φ(O3)最高值進行統計,這 2年 8月的φ(O3)最高值分別為 223.1×10-9和 140.2×10-9;9月分別為 195.2×10-9和 141.6×10-9.可見通過控制 O3前體物 NO2,CO和 VOCs等的排放,有助于控制 O3的生成,降低φ(O3)最高值[10-11].

表 3 2007與 2008年奧運會時段奧運村站污染物濃度日均值統計Table 3 Pollutant concentration time descriptive statistics during the Olymp ic Games at the Olympic Village station in 2007 and 2008

2.3 污染物日變化特征

圖 2 φ(NO 2),φ(O 3),φ(SO 2)和ρ(PM2.5)的日變化Fig.2 Daily variation of the concentrationsof NO2,O3,SO2,PM2.5

為進一步了解污染物變化趨勢,統計了 6─9月的污染物濃度日變化特征 (見圖 2).φ(NO2)和φ(SO2)都是 6月最高,9月次之,8月最低.這主要與采取的減排和限行措施有關.φ(NO2)日變化呈雙峰 ,峰值分別在 08：00和 22：00出現 ,15：00左右出現低值.這是因為早晨和夜間城市邊界層高度較低,大氣稀釋能力較弱,且與上下班高峰時間相對應,造成污染物濃度相對較高.隨著太陽輻射的增強,城市大氣邊界層升高,對污染物的擴散稀釋能力增強,并在 15：00左右達到最大,此時φ(NO2)達到最小.φ(SO2)日變化不明顯,一般是夜間較低,白天相對較高,這與人類生活習慣和出行有關.

ρ(PM2.5)在 6月最高,7月次之,8─9月最低.6─7月ρ(PM2.5)日變化明顯,分別在 08：00和21：00出現峰值,16：00左右達到最低,這主要與人類生活習慣和大氣擴散有關;8─9月ρ(PM2.5)無明顯的日變化,且值相對較低.這主要是因為 7月北京開始嚴格執行限排和限行措施,但前期積累的污染物需要一段時間清除,同時對北京地區 8─9月降水狀況進行統計,發現此期間降水頻率較高,有利于污染物清除,所以ρ(PM2.5)大幅降低.

φ(O3)7月最高,6,8月次之,9月最低,這除了與太陽輻射和溫度有關外,還與北京采取的空氣質量管理措施有關.從圖 2可以看出,由于 6月沒有采取限行措施,φ(O3)變化趨勢與以前的觀測結果[5,9]基本一致.7─8月φ(O3)午間峰值持續 3 h左右 (13：00─16：00),主要是此時 O3的生成和消耗達到相對穩定的動態平衡[12],φ(O3)峰值受 NO2的影響.對流層 O3主要是氮氧化物 (NOx)和揮發性化合物(VOCs)在大氣環境中受強烈的太陽紫外線照射后產生;VOCs氧化碳氫化合物,并生成一批自由基,將 NO轉化為 NO2,使φ(NO2)上升;由于采取機動車限行措施,VOCs及 NO濃度大幅下降,使φ(NO2)降低,當φ(NO2)下降到一定程度就會影響O3的生成量,所以φ(O3)峰值也不象同期 7—9月那樣明顯.分析φ(VOC)/φ(NOx)發現,6—9月該比值分別為 1.9,4.3,2.7,2.1,其中 7,8月的值相對較高,推測當該比值達到一定范圍時,O3的生成和消耗將會達到相對穩定的動態平衡,所以φ(O3)的峰值表現為相對平滑的狀態.

3 奧運會前后氣象因素對北京污染物濃度影響的分析

對一個地區而言,在污染源變化相對穩定的情況下,近地面污染物濃度的高低主要取決于天氣條件的變化,特別與地面天氣形勢密切相關.對地面天氣形勢及高低空氣象要素特征進行綜合分析,有利于了解大氣污染形成的外部條件[13-15],為空氣污染預報奠定基礎.

3.1 主要天氣系統及氣象因子與二次污染物濃度

的關系

北京地處華北大平原西北部,系蒙古高原、黃土高原和華北大平原的接界處.北京西部和北部是連綿不絕的群山.在沒有大的天氣系統過境的情況下,北京特有的地形條件直接影響該地區的地面天氣形勢.

夏季影響北京的主要天氣系統為副熱帶高壓[16].2008年 7月西太平洋副高脊線較常年偏北幅度更大,尤其 7月 22日─8月 8日,該脊線位于30°N～35°N間,受副高壓下沉氣流控制,北京地區地面氣壓場以高壓和均壓為主,出現持續靜穩天氣,地面和低空風速較小 (甚至出現靜風),以偏南風為主;且常伴有輻射逆溫,逆溫層厚度大,強度高,不易被破壞,大氣層結穩定,有助于污染物累積,造成高污染天氣[17-19].奧運會期間副高脊線南退,北京地區處于受頻繁東移的西風槽影響,華北地區降水增多,同時加上污染源控制措施的嚴格執行,北京污染物濃度較低;殘奧會期間副高北抬到27°N附近,造成華北大范圍降水,有利于污染物清除,因此北京地區污染物濃度繼續保持相對低值.

7月 7—12,22—28日和 8月 3—8日期間地面受高壓或均壓場控制,氣象要素在該時段表現為持續高溫 (31℃左右),能見度低 (10 km以下),無降水,相對濕度較小 (40%～70%).結合 850 hPa風場分析,該時段研究區域以偏南風為主,風速較小(低于 2 m/s),污染物在不利天氣形勢條件下容易積累,φ(O3)和ρ(PM10)最大值分別達到 315.2×10-9和 252.4μg/m3,污染物濃度超過 GB3095─1996二級標準的比率大于 90%.而在奧運會和殘奧會時段,氣象要素表現為溫度相對較低 (27℃左右),降水較多,濕度較大 (大于 75%),風向以偏北風為主(風速大于 3 m/s),污染物在有利天氣形勢下不易累積,φ(O3)和ρ(PM10)較低,最大值分別為213.2×10-9和 118.3μg/m3,污染物濃度超過GB3095─1996二級標準的比率僅為 15%左右.

3.2 污染物來源分析

研究[20]表明,北京周邊地區污染對其大氣質量影響十分顯著,因此需進一步研究奧運村站在奧運會前的一次重污染時段 (7月 22─28日)污染物來源.對地面氣象資料統計發現,7月 22─28日奧運村站主要以偏南風為主,易受到天津、廊坊、香河、保定和石家莊等地污染氣團的影響,加之該地區北面連綿不斷的群山阻隔,污染物不易擴散,從而造成污染物濃度的增長(見圖 3,4).

圖 3 7月 22─28日奧運村站與香河、廊坊地區的ρ(O 3)對比Fig.3 The Olympic Village station,Xianghe,Langfang comparison chart of O3 mass concentration between 22-28 in July

從圖 4(來自 www.ready.noaa.gov/ready.html網站)可知,7月 22─24日為東南偏南風,氣團途經污染較重的天津和廊坊等地區;26─28日,北京持續受到來自其西南方向的石家莊和保定等地區的污染較嚴重的氣團影響,受北京北面山脈地形的阻擋,在偏南氣團的輸送下可能導致 O3在北京地區的累積.根據該污染過程中北京奧運村站和香河、廊坊地區的同步觀測資料 (見圖 3)可知,北京ρ(O3)變化與這 2個地區具有一致性,但峰值比上述 2個地區略高.這主要是北京地區 O3前體物濃度比這 2個地區要高,有利于 O3生成;也可能是北京周邊地區排放的 O3在有利風向的作用下在北京得到了進一步的疊加.圖 5為奧運會時段 8月 15,19,23日氣團后向軌跡.由圖 5可知,北京主要受偏北氣流影響,由于北方的空氣較為清潔,在偏北風下對北京地區的 O3起到一定的清除作用.

圖 4 奧運村站 23,25,27日北京時間 00:00 24 h后向軌跡Fig.4 24 h Backward trace at 00：00(Beijing time)23,25,27 of July at the Olympic Village station

圖 5 8月 15,19,23日 00:00 24 h的后向軌跡Fig.5 24 h Backward trace at 00：00(Beijing time)15,19,23 of August at the Olympic Village station

4 結論

a.奧運村站在奧運會時段一次污染物φ(NO2),φ(SO2)和ρ(PM10)比奧運會前 (8月 7日前)分別下降 11.2%,46.7%和 50.0%;二次光化學污染物ρ(PM2.5)和φ(O3)分別降低了 57.0%和22.6%.污染源有效控制是北京空氣質量得到顯著改善的主要原因.

b.與 2007年同時段相比,2008年奧運會時段φ(NO2),φ(O3),ρ(PM10)和ρ(PM2.5)分別下降了38.8%,37.2%,42.1%和 68.0%;殘奧會時段分別下降了 17.8%,27.5%,44.0%和 64.1%.前體物的有效控制降低了 O3的生成量.

c.高壓、高溫、弱風和低濕的天氣過程是造成北京奧運會開幕式前 2次高濃度大氣污染過程的主要原因.除嚴格減排措施外,低溫、頻繁降水和較強的偏北風也是奧運會和殘奧會時段北京保持良好空氣質量的重要原因.

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Observation and Study on the Air Quality at the O lymp ic Village Station during the Beijing Olymp ic Games

WANGWei-feng1,2,WANG Ying-hong2,WANGLi-li2,ZHU Bin1,WANG Yue-si2
1.Department of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China
2.State Key Laboratory of A tmospheric Boundary Layer and A tmospheric Chemistry,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

In order to investigate the variation characteristicsof atmospheric pollution in the Olympic Village during the Beijing 2008 Olympic Games period,an observation station was located on the roof of a six-floor building in the Institute of Remote Sensing App lications,Chinese Academy of Sciences,about 400 m northwestof the Beijing National Stadium.The station iscalled the Olympic Village station.Automated instrumentswhich conform to international standardswere used to measure the concentration of NO2,O3,SO2,PM2.5and PM10online.The concentrationsof the air pollutants NO2,SO2,PM2.5and PM10during the Olympic Games(August 8th-24th)decreased by 11.2%,46.7%,57.0%and 50.0% respectively relative to average concentrations from 1st July to 7th August.They decreased by 41.7%,31.8%,21.6%and 28.6% compared with the concentration in the period just after the Paralymp ics Games(Sep tember 20th-30th).The concentrations of NO2,O3,PM2.5and PM10in the Beijing Olymp ic Games period decreased by 38.8%,37.2%,42.1%and 68.0%respectively compared with those in the same period of 2007.They decreased by 17.8%,27.5%,44.0%and 64.1%respectively in the Beijing Paralymp ics Gamesperiod compared with those in the sameperiod of 2007.Besides strict control of the emissions,advantageousmeteorological conditionswere also an important factor contributing to good air quality during the Beijing Olympic Gamesperiod.

Beijing Olympic Games;pollutants;ozone;nitrogen oxides;photochemical reaction

X51

A

1001-6929(2010)01-0048-07

2009-04-20

2009-07-09

國家重點基礎研究發展計劃(973)項目 (2007CB407303);中國科學院知識創新工程重大項目(KZCX1-YW-06-01);國家自然科學基金項目(40675073)

汪 偉 峰 (1981 -),男,江 蘇 徐 州 人,lanjian2002@sina.com.cn.

＊責任作者,王躍思 (1961-),男,北京人,研究員,博士,主要從事大氣污染、大氣化學研究,wys@dq.cern.ac.cn

(責任編輯：孫彩萍)