2015年“九三閱兵”期間北京市空氣質量分析

王占山,李云婷,張大偉*,陳 添,魏 強,孫彤卉,王步英,潘錦秀,崔繼憲,皮 帥(.北京市環境保護監測中心,大氣顆粒物監測技術北京市重點實驗室,北京 00048；.北京市環境保護局,北京 00044；.北京工業大學環境與能源學院,北京 004)

2015年“九三閱兵”期間北京市空氣質量分析

王占山1,李云婷1,張大偉1*,陳 添2,魏 強1,孫彤卉1,王步英1,潘錦秀1,崔繼憲3,皮 帥1(1.北京市環境保護監測中心,大氣顆粒物監測技術北京市重點實驗室,北京 100048；2.北京市環境保護局,北京 100044；3.北京工業大學環境與能源學院,北京 100124)

為研究區域性大氣污染物減排措施對北京市空氣質量的影響,結合地面觀測的氣象參數、常規污染物和 PM2.5化學組分,對“九三閱兵”期間北京市的空氣質量進行分析.結果表明,閱兵期間北京市北風平均風速、溫度、相對濕度和地面氣壓等氣象要素水平與相鄰時段相比較為接近,但北風頻率偏高,整體大氣擴散條件略有利.閱兵期間 SO2、NO2、O3、PM10和 PM2.5平均濃度分別為 2.7、24.2、63.2、27.2和19.5μg/m3,與相鄰時段相比分別降低了26.0%、31.3%、24.5%、59.0%和59.4%;PM2.5的降幅最大,體現了一次源排放和前體物排放同時減排的疊加作用.從PM2.5化學組分來看,閱兵期間濃度最高前4位依次是OC(6.1μg/m3)、NH4+(3.8μg/m3)、SO42-(3.4μg/m3)和NO3-(2.5μg/m3), OC中二次生成的組分仍高達57.6%.通過與相鄰時段中相似天氣形勢下污染物濃度的對比測算了減排措施的“凈環境效益”,閱兵期間的減排措施使得SO2、O3、NO2、PM10和PM2.5濃度分別降低了50.0%、0.7%、42.1%、45.7%和48.6%,并對APEC期間和閱兵期間O3濃度變化不同的原因進行了討論.

閱兵；減排；空氣質量；PM2.5；化學組分；O3

2015年9月3日,為紀念中國人民抗日戰爭暨世界反法西斯戰爭勝利70周年,中國在北京舉辦了閱兵儀式,來自俄羅斯、韓國等世界各國的政要出席了此次活動.為保障活動期間的空氣質量,自2015年8月20日開始,北京市執行了機動車單雙號限行等污染物減排措施,自8月28日開始,周邊省市也開始執行減排措施,包括工廠停產限產、工地停工、機動車單雙號限行、加強道路清潔等.這些減排措施也起到了良好的環境效果,2015年8月20日至9月3日期間(簡稱為“閱兵期間”),北京市PM2.5濃度在有監測歷史上首次連續15d達到一級優[1]水平,O3濃度也僅有1d超標,空氣質量維持較好水平,創造了廣為人知的“閱兵藍”[2-3].

2008年北京奧運會期間以及2014年APEC會議期間,北京市及周邊地區曾經采取過類似的污染源減排措施,同樣成功的完成了空氣質量保障工作.Wang等[4]對2006～2008年8月份密云站點氣態污染物的監測發現,奧運期間 O3、SO2、CO和NOy的日均濃度分別下降了23%、61%、25%和21%.Zhang等[5]在中國氣象局站點的監測發現,2008年7月中上旬的CO、NOx、BC(Black carbon)、SO2和PM10小時平均濃度與6月份相比分別下降了 23%、30%、26%、45%和 21%.孔茜等[6]對交通環境的監測發現,奧運期間北四環道路附近的CO、NO2和NOx平均濃度分別下降了63%、70%和71%; NOx單人高峰小時與日間小時平均吸入劑量分別下降了58%和55%.王占山等[7]的觀測發現,APEC期間密云、榆垡、昌平、奧體中心和西直門北大街 5個站點 SO2、NO2、PM10和PM2.5平均濃度分別為(8.0±8.0)、(37.4±21.6)、(67.7±43.4)和(48.6±42.2)μg/m3,與近5年同期(PM2.5為2013年同期)相比分別下降了61.5%、40.8%、36.4%和47.1%; O3日均濃度為(36.0±22.5)μg/m3,與近 5年同期相比上升了101.8%.張霖琳等[8]于 APEC期間在北京及周邊城市的監測發現,北京、天津、石家莊、保定和濟南5個城市PM2.5日平均濃度略高于75μg/m3,并計算了PM2.5中Zn、Pb和Cu等重金屬元素的致癌風險,結果表明APEC期間的重金屬元素的健康風險水平整體低于2012年和2013年同期.

針對奧運會、APEC會議和閱兵儀式等重大國際活動所實施的一系列大氣污染物臨時減排措施在國內較為罕見,為研究區域性大氣污染特征以及污染物排放量與環境濃度之間的關系提供了難得的機會.另外,奧運會在夏季舉辦,APEC會議在秋季舉辦,而閱兵儀式在夏末秋初舉辦,減排措施的實施效果也受到不同的氣象條件的影響.本研究對閱兵期間北京市氣象條件、大氣污染物濃度以及PM2.5化學組分等地面監測數據進行分析,探討污染物減排措施對北京市空氣質量的影響,以期為今后相關污染調控政策的制定提供科學依據.

1 材料與方法

目前,北京市環境保護局對社會實時發布35個監測站點的空氣質量,選擇其中的密云水庫站(城市背景站)、榆垡站(區域站)、昌平站(郊區站)、官園站(城區站)和西直門北大街站(交通站)進行分析.這5個站點具有不同的監測功能,且分布于北京市的不同方位,所以認為能較好的代表北京市的整體水平.PM2.5化學組分監測儀器安裝在北京市環境保護監測中心七樓樓頂,氣象數據來自北京市南郊觀象臺,站點位置見圖1.

PM2.5監測儀采用Thermo Fisher 1405F監測儀,原理是以恒定的流速將環境空氣中的 PM2.5顆粒通過采樣切割器吸入儀器內部,用濾膜動態測量系統(FDMS)配合微量震蕩天平法(TEOM),測量PM2.5的質量濃度.PM10監測儀采用Thermo Fisher 1400監測儀,原理同樣為TEOM法.NOx分析儀采用 Thermo Fisher 42C 化學發光NO-NO2-NOx分析儀,其原理是NO與O3發生化學反應時產生激發態的 NO2分子,當激發態的NO2分子返回基態時發出一定波長的光,所發出光的強度與 NO的體積分數呈線性正相關.檢測NO2時先將NO2通過鉬轉換器轉換成NO,然后再通過化學發光反應進行定量分析.該分析儀最低檢測限:0.05×10-9(體積分數);零漂:小于0.025×10-9/24h;跨漂:±1%/24h.O3分析儀采用Thermo Fisher 49C紫外光度法分析儀,原理為O3分子吸收波長為254nm的紫外光,該波段紫外光被吸收的程度直接與O3的體積分數相關,根據檢測樣品通過時紫外光時被吸收的程度來計算出O3體積分數.分析儀最低檢測限:1×10-9(體積分數);精度:1×10-9(體積分數);零漂:0.4%/24h;跨漂:±1%/24h,±2%/7d.SO2監測儀采用 Thermo Fisher 43i脈沖紫外熒光法分析儀,分析儀最低檢測限:0.5×10-9(體積分數);精度:1×10-9(體積分數);零漂:小于1×10-9/24h; 跨漂:±0.5%/24h.化學組分分析儀采用 RT-4型有機碳元素碳分析儀和URG 9000S陰陽離子在線監測儀.能見度監測采用芬蘭VAISALA公司生產的FD12型能見度儀.使用國家計量院生產的NO、CO和SO2標氣進行校準,使用Thermo 49i-PS型紫外光度計法O3校準儀對O3分析儀進行校準.各儀器均兩天校準一次,采樣管路至少每月清洗一次,保證監測數據的準確性和有效性.PM2.5、SO2、O3和NOx監測儀輸出的為5min數據,根據每個小時內5min數據的算術平均值求得小時濃度;能見度儀和PM2.5化學組分在線監測儀輸出的為小時數據.本研究中使用的均為小時數據.

圖1 各監測站點位置Fig.1 Location of monitoring sites

2 結果與討論

對于SO2、NO2、O3、PM10和PM2.5等5項污染物,將閱兵期間濃度水平與2013～2015年間同一時段的濃度進行對比,以探討閱兵期間空氣質量變化.對于 PM2.5化學組分,將閱兵期間觀測值與 2015年夏季(6～8月)非閱兵期間濃度水平進行對比分析.將閱兵期間和相鄰的非閱兵時段兩次相似天氣形勢下的污染物濃度對比,以測算閱兵減排措施的“凈環境效益”,并對 APEC期間和閱兵期間O3濃度變化趨勢相反的現象進行了討論.

2.1 閱兵期間氣象條件和污染物濃度水平

將閱兵時段及其相鄰的年8月5日至9月15日期間分為3個階段,即S1(8月5～19日)、S2(閱兵期間)和S3(9月4～15日).表1顯示了各階段的氣象要素水平,可以看出,閱兵期間北京市北風頻率明顯高于前后相鄰時段,但北風平均風速和溫度、相對濕度以及氣壓等其他氣象要素并沒有明顯有利于其他時段.整體來看,閱兵期間大氣擴散條件比前后相鄰時段相比略有利.

圖2顯示了3個階段中氣象要素和5項污染物濃度變化,可以看出,除O3外,其他4項污染物閱兵期間濃度均明顯低于前后相鄰時段,由于S3中溫度明顯低于S2,導致其O3濃度降低,主要是氣象因素導致的.S2中SO2、NO2、O3、PM10和PM2.5平均濃度分別為2.7、24.2、63.2、27.2和19.5 μg/m3,與S1和S3中平均濃度相比分別降低了26.0%、31.3%、24.5%、59.0%和59.4%,PM2.5的降幅最大,體現了一次源排放和前體物排放同時減排的疊加作用.

表1 各階段氣象要素水平Table 1 meteorological factors in the three stages

圖2 2015年8月5日至9月15日北京市氣象數據及各污染物濃度Fig.2 Meteorological data and concentrations of air pollutants in Beijing during August 5 – September 15, 2015

2.2 各污染物與近兩年的比較

圖3顯示了近3年閱兵時段5項污染物平均濃度.對 SO2來說,南部的榆垡站的降幅最小,與2013年和2014年平均濃度相比降低了27.3%,城區的官園站降幅最大,達到60.0%.從各站點濃度水平來看,也是城區站最高,體現了夏季SO2區域排放源較少的特征.對 NO2來說,榆垡站和密云水庫站濃度水平較低,2015年閱兵期間濃度出現輕微反彈,其他3個站點NO2濃度均表現出明顯下降,官園站降幅最大,與2013年和2014年平均濃度相比降低了42.9%.對O3來說,榆垡站濃度略有反彈,其他站點濃度降幅也低于其他4項污染物的降幅,其中密云水庫站濃度降幅最大,為46.5%.PM10和PM2.5的整體降幅明顯高于其他3項污染物,所有站點均達到 50%以上,PM10降幅最大的為昌平站,達到66.4%,PM2.5降幅最大的為密云水庫站,達到73.0%.

圖3 閱兵期間與近2年同時期污染物平均濃度Fig.3 Average concentrations of air pollutants during the military parade period of 2014 and the same time period of the last two years

2.3 閱兵期間污染物日變化規律分析

官園站位于北京市城區市委黨校內,受區域傳輸以及交通污染排放等特殊因素的影響相對較小,更能代表北京市的平均水平.圖4顯示了閱兵期間和夏季非閱兵期間(2015-06-01～2015-08-19)官園監測站的各污染物日變化規律的對比.SO2日變化呈單峰型曲線,峰值出現在上午10:00～11:00,與 SO2全年的日變化規律一致[9].閱兵期間日變化濃度明顯低于非閱兵時段,降幅最大的出現在上午的峰值時段.NO2日變化呈雙峰型分布,第1個峰值出現在交通早高峰時段,主要是由機動車排放引起的; 第2個峰值出現在夜間00:00左右,由交通晚高峰的排放疊加夜間邊界層高度降低的“擠壓效應”共同導致的[10].閱兵期間后半夜和白天時段 NO2濃度明顯低于非閱兵時段,前半夜2個時段的NO2濃度接近.O3日變化呈單峰型曲線,白天閱兵時段濃度明顯低于非閱兵時段,夜間 2個時段的濃度較為接近.PM10和 PM2.5的日變化規律呈波浪型曲線,閱兵期間濃度明顯低于非閱兵期間,濃度降幅在白天時段更為明顯.

值得注意的是,APEC活動期間,由于減排措施的實施,導致北京市 O3濃度出現上升,而本次活動保障期間,并未出現 O3濃度上升的現象,可能的原因將在下文開展討論.

2.4 PM2.5化學組分分析

圖5和圖6展示了閱兵期間和夏季非閱兵期間的 PM2.5化學組分濃度水平和占比.從絕對濃度來看,非閱兵期間組分濃度最高的前4位依次是 SO42-(11.8μg/m3)、 NO3-(10.6μg/m3)、OC(10.3μg/m3)和 NH4+(6.8μg/m3),閱兵期間前 4位依次是 OC(6.1μg/m3)、NH4+(3.8μg/m3)、SO42-(3.4μg/m3)和 NO3-(2.5μg/m3),排序發生了明顯的變化.從4大主要組分濃度降幅來看,從大到小依次為 NO3-(76.2%)、 SO42-(70.7%)、NH4+(44.1%)和 OC(40.6%),NO3-和 SO42-的巨大降幅反映了閱兵期間機動車和工業排放管控措施的環境效益.從各組分占比來看,非閱兵期間SO42-、NO3-和OC占比比較接近,均為25%左右;閱兵期間 OC占比達到 34.6%,明顯高于其他組分,NH4+占比上升了 35.4%,SO42-和 NO3-占比分別下降了29.1%和42.7%.

圖4 5項常規污染物在2015年閱兵期間和夏季非閱兵期間的日變化曲線Fig.4 Diurnal variation curves of five pollutants during the military parade period and the other time period in summer in 2015

圖5 2015年閱兵期間和夏季非閱兵時段PM2.5化學組分濃度Fig.5 Average concentrations of chemical compositions of PM2.5during the military parade period and the other time period in summer in 2015

OC中包括一次有機碳(POC)和二次有機碳(SOC),目前對于SOC復雜的大氣形成過程、凝結/分配機制尚缺乏全面認識,還不具備公認的對SOC直接測量的分析手段.除利用煙霧箱在特定的條件下直接模擬其生成外,大氣環境中的SOC濃度一般采用間接方法進行估算,如OC與EC濃度比值法、有機分子示蹤法以及數值模型預測法

[11].其中OC與EC濃度比值法最為簡單直接,在識別和評估SOC污染中應用廣泛.OC/EC比值法認為,污染源之間排放的顆粒物中OC與EC濃度比值是一個相對穩定的特征值,它與排放源種類有關,當大氣顆粒物中OC/EC比值超過此值時,表示有SOC形成.根據這一理論,Castro等[12]提出SOC的計算方法:式中: TOC代表總有機碳,(OC/EC)min表示最低OC/EC比值,本研究根據此公式計算了 OC中SOC的比例,在夏季非閱兵期間和閱兵期間的比例分別為 72.3%和 57.6%,即使采取了大規模的減排措施后,OC中二次生成的組分仍超過50%,VOCs向 OC的二次轉化可能是閱兵期間OC濃度仍相對較高的原因.

圖6 2015年閱兵期間和夏季非閱兵時段PM2.5化學組分占比Fig.6 Proportions of chemical compositions of PM2.5during the military parade period and the other time period in summer in 2015

2.5 減排措施的“凈環境效益”測算

由于北京市正在實施《北京市 2013～2017年清潔空氣行動計劃》等大氣污染物排放量控制措施,因此近 2年的大氣污染物排放量基數并不相同,氣象條件也不可能完全一致.因此,閱兵期間污染物濃度與往年同期的對比可以在一定程度上反映減排措施的環境效益,但并不能反映出其“凈環境效益”.參照 Zhang等[5]和 Wang等[13]的評估方法,對閱兵期間的天氣系統進行分類,然后與相鄰的時間段內相似天氣系統下的污染物濃度進行對比,兩者的差值被認為閱兵減排措施的“凈環境效益”.由于夏季污染物濃度水平相對較低,天氣系統對污染物濃度變化的影響相對較大,所以必須嚴格篩選臨近時間段內十分相似的天氣系統.選定時間段及其對應的污染物濃度見表 2,可以看出,閱兵期間的減排措施使得 SO2、O3、NO2、PM10和PM2.5濃度分別降低了50.0%、0.7%、42.1%、45.7%和48.6%.

表2 相似天氣形勢下污染物濃度對比Table 2 Comparison of concentrations of air pollutants in similar weather periods

2.6 與APEC期間對比分析以及O3濃度降低原因討論

作者[14]曾對2014年APEC會議期間空氣質量進行分析,發現與近5年同期相比,O3濃度上升了 101.8%.而閱兵期間,O3濃度出現明顯下降,甚至在去掉氣象條件的影響后,測算的O3濃度仍略低于相似氣象條件下的濃度.APEC會議在秋末舉辦,而閱兵活動在夏末秋初舉辦,氣象條件差異較大,對 O3生成的影響作用也不同[15-17].本研究僅從前體物濃度水平的角度,對APEC期間和閱兵活動期間O3濃度變化進行分析.圖7顯示了兩大活動期間各污染物濃度水平,由于氣象條件有利于 O3生成,所以閱兵期間 O3濃度明顯高于APEC期間,其他污染物濃度均為閱兵期間明顯低于APEC期間.

當NO2濃度水平較低時,影響O3生成的主要是NO2濃度,此時為NOx控制區; 當NO2濃度水平較高且不能被完全消耗時,影響O3生成的主要是VOCs濃度,此時過高的NO2濃度反而限制O3生成,此時為VOCs控制區[18-19].之前的研究[20-21]多表明,北京市城區和近郊區O3生成為VOCs控制區,那么造成APEC期間O3濃度升高而閱兵期間 O3濃度降低的可能原因是:(1)若兩大活動中O3控制區都沒變,則APEC期間區域VOCs減排量明顯小于 NOx減排量,而閱兵活動期間區域VOCs減排量明顯高于NOx減排量; (2)閱兵期間O3生成已經變為NOx控制區,則NO2濃度降低會帶來O3濃度降低,而APEC期間仍為VOCs控制區,則NO2濃度降低導致O3濃度升高,那么北京市劃分O3前體物控制區的NO2閾值將介于閱兵期間平均NO2濃度(29.6 μg/m3)和APEC期間平均NO2濃度(53.4 μg/m3)之間,這一閾值對于指導北京市以及區域的O3前體物控制政策具有重要的意義.由于本研究并未同步觀測 VOCs,另外國家并未公布重大活動保障期間具體減排方案以及實施力度,所以這兩個原因也無從驗證.不過由此可得出 O3污染控制措施的建議為:加大區域VOCs減排力度,使其減排量遠大于NOx減排量,或者加大區域 NOx減排力度,但必須保證區域NO2濃度降至能改變O3生成前體物控制區的閾值以下.

圖7 APEC期間和閱兵期間各污染物濃度水平Fig.7 Concentration levels of air pollutants during the APEC period and the military parade period

Liu等[22]使用衛星反演了APEC和閱兵期間O3及前體物濃度,研究發現,閱兵期間京津冀區域O3生成為NOx控制區,而APEC期間為NOx和VOCs混合控制區,閱兵期間由于污染控制得當,沒有來自周邊的區域輸送,本地減排使NO2下降達到了控制的閾值,從而使得O3濃度也同時下降,而APEC期間對周邊區域的控制以及NO2濃度的下降并未達到有效控制的閾值,該研究結果與筆者分析的第二種原因相似.類似于APEC和閱兵這種能夠在京津冀及周邊七省市區采取大規模減排措施的重大活動在國內較為罕見,因此提供了絕佳的分析污染物減排量和環境濃度變化之間非線性關系的實驗機會,對今后污染物控制措施的制訂也具有重要的指導意義.

3 結論

3.1 從氣象條件來看,閱兵期間大氣擴散條件比前后相鄰時段相比略有利.閱兵期間 SO2、NO2、O3、PM10和PM2.5平均濃度分別為2.7、24.2、63.2、27.2和19.5 μg/m3,與閱兵前后時段相比分別降低了26.0%、31.3%、24.5%、59.0%和 59.4%,與近2年同比多數站點污染物濃度也明顯降低.

3.2 從日變化來看,閱兵期間SO2日變化濃度明顯低于非閱兵時段,降幅最大的出現在上午的峰值時段.閱兵期間后半夜和白天時段NO2濃度明顯低于非閱兵時段,前半夜2個時段的NO2濃度接近.閱兵期間白天時段O3濃度明顯低于非閱兵時段,夜間 2個時段的濃度較為接近.閱兵期間PM10和 PM2.5日變化濃度明顯低于非閱兵期間,濃度降幅在白天時段更為明顯.

3.3 從 PM2.5化學組分來看,非閱兵期間組分濃度最高的前 4位依次是 SO42-(11.8μg/m3)、NO3-(10.6μg/m3)、OC(10.3μg/m3)和 NH4+(6.8μg/ m3),閱兵期間前 4位依次是 OC(6.1μg/m3)、NH4+(3.8μg/m3)、SO42-(3.4μg/m3)和 NO3-(2.5μg/ m3).從組分占比來看,非閱兵期間SO42-占比最高,閱兵期間OC占比最高.

3.4 通過與相鄰時段中相似天氣形勢下污染物濃度的對比測算了減排措施的“凈環境效益”,發現閱兵期間的減排措施使得SO2、O3、NO2、PM10和PM2.5濃度分別降低了50.0%、0.7%、42.1%、45.7%和48.6%,并對APEC期間和閱兵期間O3濃度變化不同的原因進行了討論.

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Analysis on air quality in Beijing during the military parade period in 2015.

WANG Zhan-shan1, LI Yun-ting1, ZHANG Da-wei1*, CHEN Tian2, WEI Qiang1, SUN Tong-hui1, WANG Bu-ying1, PAN Jin-xiu1, CUI Ji-xian3, PI Shuai1(1. Beijing Key Laboratory of Airborne Particulate Matter Monitoring Technology, Beijing Municipal Environmental Monitoring Center, Beijing 100048, China；2.Beijing Environmental Protection Bureau, Beijing 100044, China；3.College of Environmental and Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China). China Environmental Science, 2017,37(5)：1628～1636

During the military parade period in 2015, air quality in Beijing was analyzed to investigate the impact of regional-scale air pollutant control strategies on Beijing. Ground-observed meteorological data, regulated air pollutant concentrations, and chemical compositions of PM2.5were analyzed. The results showed that the average wind speed of north wind, temperature, relatively humidity and ground-level atmospheric pressure during the military parade period were at the same level with the adjacent period, whereas, frequency of north wind was obviously higher. In general, atmospheric dispersion conditions during the military parade period was more favorable than the adjacent period. The average concentrations of SO2, NO2, O3, PM10and PM2.5were 2.7, 24.2, 63.2, 27.2 and 19.5μg/m3, respectively, which decreased by 26.0%, 31.3%, 24.5%, 59.0% and 59.4% compared with the adjacent period, respectively. The decrease of PM2.5was the largest, indicating the combination effect of reduction of primate emission and precursor emission. OC concentration (6.1μg/m3) was the highest in PM2.5chemical composition, followed by NH4+(3.8μg/m3)、SO42-(3.4μg/m3) and NO3-(2.5μg/m3). Notably, secondary OC accounted for 57.6% of total OC even with the implementation of emission reduction measures. The net effectiveness of the emission reduction measures was calculated through comparisons of concentrations of air pollutants under similar meteorological conditions. Through the implementation of emission reduction measures, concentrations of SO2, O3, NO2, PM10, and PM2.5decreased by 50.0%, 0.7%, 42.1%, 45.7% and 48.6%, respectively. In addition, the mechanisms of the different variations of O3during the APEC period and the militaryparade period were discussed.

military parade；reduction measures；air quality；PM2.5；chemical compositions；O3

X51

A

1000-6923(2017)05-1628-09

王占山(1987-),男,山東濰坊人,工程師,碩士,主要從事大氣環境研究與模擬及空氣質量預報預警研究.發表論文40余篇.

2016-10-12

環保公益性行業科研專項(201409005);國家科技支撐計劃課題(2014BAC23B03);北京市優秀人才培養資助

* 責任作者, 研究員, zhangdawei@bjmemc.com.cn