2014—2015年寧波市空氣質量變化特征及未來情景模擬*

俞科愛 陳有利 張晶晶 徐迪峰 黃鶴樓 陳迪輝

(1.北侖區氣象局,浙江 寧波 315826;2.寧波市氣象臺,浙江 寧波 315012)

0 引 言

自然過程和人類排放決定城市空氣質量。現今,人類行為促使空氣污染源種類及排放強度的增加更給城市空氣質量帶來巨大壓力,已經對城市環境造成了很大污染,嚴重影響人們生活質量,危機人體健康[1-3]。國內對空氣質量開展了多方面研究,陳輝等[4]認為西安市空氣質量呈“U”型分布,季節特征明顯,夏季和秋季空氣質量較好,冬季較差;張劍鳴等[5]認為人為活動產生的氣溶膠大多集中于低于2 km高度的對流層低層,顆粒物是造成能見度下降的主要因素;張艷珍等[6]研究表明蘇州市大氣污染物濃度月際變化趨勢一致,12月、1月較高,8月最低,NO2和PM10年均值濃度超標。區域氣候模式RegCM3(Regiona Climate Models3)是近百年來全球氣候在經歷以變暖為主要特征的氣候變化研究中,具有較高時空分辨率、目前應用最廣的區域氣候模式之一[7],模式能夠描述區域內中小尺度地形、地表特征和其他因子對區域氣候變化的強迫和影響。

城市的地理位置、地形地貌、氣候條件對空氣質量產生影響[8]。寧波港口物流、船舶運輸、臨港企業和海洋經濟等方面位于全國前列,但是近年來,不良空氣質量已經對寧波經濟的持續發展、居民的身心健康等造成一定程度的影響。本文應用統計學方法對2014—2015年寧波空氣質量、大氣污染物濃度等進行分析,通過區域氣候模式及數值方法對寧波氣象、大氣污染物濃度變化進行模擬。在當下全球氣候變暖、極端天氣事件增多、氣象條件已不利于大氣污染物濃度擴散的背景下,有必要研究分析現階段的空氣質量、大氣污染物濃度的變化特征,對開展清潔空氣行動,整治大氣環境污染,建設生態文明以及城市健康持續發展具有重要意義。

1 資料與方法

CO、O3、SO2、NO2濃度、PM10、PM2.5數據來自于寧波市環保部門。

聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)《排放情景特別報告》中有4個描寫未來世界的情景族,即A1、A2、B1和B2情景。其中,A1情景族描述的未來世界是經濟增長非常快,全球人口數量峰值出現在本世紀中葉并隨后下降,新的更高效的技術被迅速引進,A1情景族又分為3組情景(A1FI、A1T、A1B),分別描述了能源系統中技術變化的不同方向,A1B是各種能源之間的平衡。即A1B情景是指經濟增長非常快,全球人口數量峰值出現在本世紀中葉并隨后下降,新的更高效的技術被迅速引進,各種能源之間的平衡(在所有能源的供給和終端利用技術平行發展的假定下,不過分依賴于某種特定能源)。

參照WHO(世界衛生組織)發布的全球空氣質量標準(2005年)顆粒物限值(表1),2017年、2020年和2025年分別設計為寧波未來污染物濃度情景數值模擬的3個時間節點。

表1 WHO發布的全球空氣質量標準(2005年)顆粒物限值 μg/m3

寧波市空氣質量預報模式系統主要由中尺度氣象模式(WRF)、城市邊界層模式(UBLM)、大氣污染輸送化學模式(ACTDM)和污染源處理模塊(SOURCE)四個部分組成。中尺度氣象模式為其它模塊提供大尺度的氣象環流背景場;城市邊界層模式是在大尺度氣象環流背景場的基礎上,考慮城市邊界層各類特性而獲得的城市尺度各類氣象要素;大氣化學模塊由邊界層模式驅動,考慮各類物種的輸送擴散過程、各類物種的化學動力學特性。模式中心點為29.72°N,121.57°E,范圍135×150 km,水平分辨率為5 km,垂直方向分為12層,總高度約3.4 km。

2 結果與分析

2.1 空氣質量特征

2014—2015年寧波市空氣質量比較穩定(表2),起伏小,年均空氣質量指數AQI為69,CO、SO2、NO2、O3、PM10、PM2.5的濃度分別為0.91 mg/m3、22.1 μg/m3、42 μg/m3、63.7 μg/m3、70.4 μg/m3、45.1 μg/m3,與國家(GB3095—2012)限值標準相比,SO2、NO2濃度略超出國家一級濃度限值,PM10濃度基本為國家二級濃度限值上下,但細顆粒物PM2.5的濃度超出國家二級限值達10 μg/m3。

表2 2014—2015年寧波市氣溶膠濃度、AQI

除O3濃度外,寧波其它氣溶膠濃度的月變化都呈現出兩頭高、中間低的變化趨勢(圖1),即冬季高、夏季低的季節特征,特別是NO2、PM10、PM2.5的濃度曲線“U”型變化最為明顯。主要原因是冬季,我市為偏北風主導風,易受來自北方地區外來污染物的輸入影響,且大氣層結普遍較穩定,氣象條件不利于污染物的擴散;夏季大氣則對流較旺盛,氣象條件有利污染物濃度和稀釋,從而改善空氣質量。

圖1 寧波市氣溶膠濃度月際變化

2014—2015年(共計678個有效樣本)7—8月空氣質量最好(圖2),優良率達99.5%;中度到重度污染空氣日數年均16 d,首要污染物均為PM10或PM2.5,其中冬季(12月、1—2月)占78.1%,又以12月空氣質量最差,雖然沒有嚴重污染空氣,但是也沒有出現空氣質量為優的日期。

圖2 2014—2015年寧波市各類空氣質量等級月變化

2.2 情景模擬

2.2.1 氣溫和降水

采用高分辨率區域氣候模式RegCM3、對A1B情景下的寧波平均氣溫、熱浪指數、年降水量的變化趨勢進行預估,結果表明至2020、2030、2050年,寧波平均氣溫將分別增溫0.82 ℃、1.62 ℃、2.26 ℃(相對于1971—2000年氣候平均值),熱浪指數緩慢增加,年降水量變化不大(圖3)。

2.2.2 空氣質量

用寧波市空氣質量數值預報系統進行以下兩種情景模擬計算,第一種情景為按現有的發展趨勢預估在未來各時間節點時,可能出現的空氣質量狀況;第二種情景為在未來各時間節點達到新空氣質量標準時(2017年,在現有基礎上主要空氣質量指標下降約3%;2020年,達到2012空氣質量新標準;2025年,達到英國現有空氣質量標準),政府需要宏觀調控的排放系數。主要對SO2、NO2、PM10、PM2.5這4類污染物濃度進行情景模擬,計算結果如下:

第一種情景模擬。如果污染源的排放強度按2014—2015年的增長率,且不考慮人工治理的情況下,未來污染物濃度的變化趨勢(圖4)可見,未來10 a寧波市各污染物濃度還將呈穩步上升趨勢,2017年SO2、NO2的濃度將可能達到超過50 μg/m3,PM10濃度接近150 μg/m3,PM2.5濃度已將超過100 μg/m3;2020年SO2、NO2的濃度將可能達到接近60 μg/m3,PM10和PM2.5超過或接近150 μg/m3;2025年SO2、NO2的濃度將可能達到71～100 μg/m3,PM10將可能在200 μg/m3上下,PM2.5已將超過150 μg/m3。各時間節點污染物濃度增長率基本在14%～17%之間。

圖3 RegCM3區域氣候模式預估的寧波市平均氣溫(a)、熱浪指數(b)、年降水量(c)的未來變化趨勢

圖4 2017年、2020年、2025年寧波市情景數值模擬的污染物濃度

圖5 2017年寧波市情景數值模擬的各季污染物濃度

第二種情景模擬。達到新空氣質量標準,需要宏觀調控的相關經濟指數。氣象條件與污染物濃度關系非常密切,而寧波市各季節的天氣影響系統完全不同,因此,對達到空氣質量新指標對污染物排放要求或減排系數控制,進行分季節模擬。首先是排放總量減少時,污染物濃度可能出現的范圍。如果2017年污染物總量排放在現有基礎上減少約3%,情景模擬結果(圖5)為2017年寧波市SO2、NO2、PM10、PM2.5平均濃度可能分別為24.7、34.8、84.3、63.9 μg/m3,各季節濃度值一般分別在15～40、15～45、50～120、40～90 μg/m3之間,其中,春夏季在污染物濃度的低值附近,秋冬季則在高值附近。其次是達到新空氣質量標準時,需要宏觀控制的排放總量,以PM2.5濃度為例,如果達到第一類標準,即春夏季PM2.5濃度需控制在60 μg/m3上下、秋冬季不超過80～95 μg/m3,寧波排放總量系數需要控制在0.88;如果達到第二類標準,即春夏季PM2.5濃度在20 μg/m3上下、秋冬季不超過40～45 μg/m3),那么,排放總量系數需要控制在0.4(圖6)。

圖6 寧波市PM2.5濃度與污染排放系數情景模擬

3 結 語

1)2014—2015年寧波市空氣質量年變化不明顯,年均AQI為69,SO2、NO2濃度略超出國家一級濃度限值,PM10濃度基本為國家二級濃度限值上下,細顆粒物PM2.5的濃度超出國家二級限值達10 μg/m3。中度到重度污染空氣年均16 d,首要污染物均為PM10或PM2.5,其中冬季占78.1%。除O3濃度外,其它氣溶膠濃度呈現冬季高、夏季低的季節特征。這與冬季我市易受來自北方外來輸入和大氣層結較穩定,夏季大氣對流較旺盛有關。

2)RegCM3的A1B情景預估表明,未來30多年寧波氣溫年均增幅約0.06℃,城市的熱浪指數也將緩慢增加,但年降水量變化不大。

3)在氣候仍呈緩慢變暖的環流背景下,按現有的經濟發展模式,未來10 a寧波市各污染物濃度還將呈穩步上升趨勢,至2025年SO2、NO2的濃度將可能達到71～100 μg/m3,PM10濃度將可能在200 μg/m3上下,PM2.5濃度已將超過150 μg/m3,各時間節點污染物濃度增長率基本在14%～17%之間。如需要達到新空氣質量標準,則要減少排放總量或控制減排系數,PM2.5各季節濃度值分別在40～90 μg/m3時,寧波排放總量系數需要控制在0.88,如PM2.5濃度在20～45 μg/m3時,則排放總量系數需要控制在0.4。

4)英國是曾受嚴重空氣污染困擾的國家之一,在采取了《倫敦城法案》、《清潔空氣法》等一系列整治措施,經過50余年的不懈努力,英國空氣質量現狀已基本達到2010年制定的空氣質量標準(2010—2020年),即PM2.5年均濃度已低于標準限值25 μg/m3。近幾年來寧波市SO2、NO2濃度的下降與政府全面落實排放總量削減目標責任制、加大揚塵污染控制行動以及一系列對工業污染排放實行嚴格控制措施密切相關。但是,寧波經濟迅猛發展、人口日益集中、城市明顯擴大,燃料消耗量的劇增,以及汽車保有量的增長(2015年10月已達237萬輛)等人為原因造成污染仍然十分嚴重,特別是顆粒物濃度的上升已抑制城市發展的進程。

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