奧運會期間京津冀地區(qū)pm

奧運會期間京津冀地區(qū)pm

1國內(nèi)對北京空氣源的研究近年來，可吸收的顆粒（pm0和pm.5）逐漸成為北京大氣的主要污染物，對人體健康有重要影響（車鳳翔，1999；俞淑秋等，2002）。針對北京市PM10時空分布特征已進(jìn)行了許多研究(安俊嶺等,2000;趙越等,2004;丁國安等,2005),其成分、來源及造成持續(xù)性污染的氣象因素也逐漸明了(徐敬等,2007;隨珂珂等,2007)。目前,隨著我國重大的污染源治理措施的逐步落實,局地重污染狀況已有所好轉(zhuǎn),但隨著城市擴(kuò)張及經(jīng)濟(jì)發(fā)展,以華北和長江中下游地區(qū)為代表的區(qū)域性環(huán)境污染問題卻更加顯著(任陣海等,2004)。致力于研究周邊排放對北京地區(qū)空氣質(zhì)量的影響,國內(nèi)學(xué)者已進(jìn)行了多項工作:張志剛等(2004)在研究北京、天津、河北等地污染物遠(yuǎn)距離輸送和沉降過程中發(fā)現(xiàn),北京大氣中PM10的20%來自周邊地區(qū);Anetal.(2006)研究表明:京外排放源對京內(nèi)顆粒物濃度有較大貢獻(xiàn),其大小依次為PM2.5>PM10>SOIL(直徑2.5～10μm);孟偉等(2006)發(fā)現(xiàn),在有利于輸送的背景環(huán)流場下,周邊污染源對京內(nèi)可吸入顆粒物貢獻(xiàn)可以比自身還大;馬鋒敏(2007)通過氣流后向軌跡分析發(fā)現(xiàn),北京周邊地區(qū)污染源排放對京內(nèi)污染過程有明顯影響,京南周邊城市污染物流入是造成北京地區(qū)重污染的重要原因。北京奧運會前,為履行空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)承諾,北京采取了一系列措施以改善空氣質(zhì)量,包括重污染和高能耗企業(yè)的關(guān)停及搬遷、主要電廠源的脫硫脫氮處理、建筑工地?fù)P塵污染防治、機動車排放新標(biāo)準(zhǔn)的啟用及奧運期間單雙號限行措施的實行等(Paolo,2007),最終使北京奧運期間空氣質(zhì)量以10個1級天,7個2級天的表現(xiàn)達(dá)到了10年最佳水平。然而,在污染控制措施完全執(zhí)行至奧運會開幕這段時間內(nèi)(2008年7月20日～8月8日),北京卻經(jīng)歷了幾個污染累積過程,出現(xiàn)了污染超標(biāo)的現(xiàn)象。為明確開幕式前后北京及周邊地區(qū)可吸入顆粒物輸送特征,考察氣象條件及污染源減排在奧運期間PM10輸送及空氣質(zhì)量改善中的作用,本研究利用嵌套網(wǎng)格空氣質(zhì)量預(yù)報模式(NestedAirQualityPredictionModelingSystem,NAQPMS)的模擬結(jié)果,運用通量計算的手段對奧運開幕式前后北京及周邊地區(qū)顆粒物輸送進(jìn)行研究,并采用情景分析的方法,考察2006、2008年氣象場變化及污染源減排對北京地區(qū)輸送量的影響。2數(shù)據(jù)和方法2.1模型1:區(qū)域污染源清單本文采用中國科學(xué)院大氣物理研究所自主研發(fā)的NAQPMS模式(王自發(fā)等,2006),對奧運期間北京PM10通量輸送過程進(jìn)行了模擬研究。驅(qū)動空氣質(zhì)量模式所需的氣象場輸入由NCAR/PSU聯(lián)合開發(fā)的第五代中尺度氣象模式MM5提供,同時采用排放源模型SMOKE(SparseMatrixOperatorKernelEmissions)處理污染源清單。模式所用排放源清單由以下3部分組成:(1)東亞區(qū)域空氣質(zhì)量研究廣泛應(yīng)用的TRACE-P(TRAnsportandChemicalEvolutionoverthePacific)(Streetsetal.,2003)排放基礎(chǔ)數(shù)據(jù);(2)INTEX-B(IntercontinentalChemicalTransportExperimentPhaseB)電廠資料及更新至2008年6月的華北電廠源排放清單;(3)由北京市環(huán)境監(jiān)測中心與清華大學(xué)(Haoetal.,2007)提供的,更新至2008年7月的北京、天津等周邊地區(qū)的重點點源及面源清單。奧運賽事期間,本研究還根據(jù)奧運期間污染源控制公告,對北京及周邊省份源清單進(jìn)行了實時削減,以保證模式可以合理模擬奧運期間空氣質(zhì)量狀況。如圖1所示,模擬區(qū)域設(shè)置采用四重嵌套網(wǎng)格,覆蓋東亞、華北、京津冀及北京和近周邊地區(qū),四重嵌套網(wǎng)格水平分辨率分別為81km×81km、27km×27km、9km×9km和3km×3km;垂直方向上分為10層,1.1km以下包含5層。2.2邊界層內(nèi)顆粒物輸送通量的變化以往研究表明(蘇福慶等,2004),北京市外來污染物輸入流場可分為邊界層西南氣流型、東南氣流型和東風(fēng)氣流風(fēng)帶型,3類氣流流經(jīng)地區(qū)恰好涵蓋華北平原3個主要污染源區(qū)。本研究中,結(jié)合了京區(qū)周邊的地形特點,在北京南部、東南部以及東部方向設(shè)置了通量計算邊界,使其與北京西部和北部的山區(qū)形成一個閉合的環(huán),同時在城區(qū)北部與西部設(shè)置了兩條輔助邊界,以計算通量收支情況,具體位置及觀測站點分布如圖2所示。石春娥等(2008)研究發(fā)現(xiàn),氣溶膠的遠(yuǎn)距輸送主要發(fā)生在自由大氣層,區(qū)域輸送主要發(fā)生在邊界層內(nèi)。本研究主要著眼于周邊對北京地區(qū)的污染輸送狀況,重點考察邊界層內(nèi)PM10輸送通量的變化,通量計算過程中所使用的公式為:S=C·L·H·T·V其中,C為PM10濃度,取模式相鄰兩層的濃度均值,L為計算邊界長度,數(shù)值上等于格點分辨率與邊界網(wǎng)格數(shù)的乘積,H為通量計算的垂直高度,T為計算時長,V為邊界網(wǎng)格內(nèi)水平風(fēng)速。公式含義為:在T時間內(nèi),通過截面積L·H的PM10總質(zhì)量。程水源等(1992)用多種方法對北京地區(qū)夏季混合層高度進(jìn)行了計算和統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)城鄉(xiāng)混合層高度均值在600～712m高度范圍內(nèi)浮動;近幾年一些研究結(jié)果(殷達(dá)中和洪忠祥,1999;張鑫等,2006)表明,北京秋季邊界層最大高度可達(dá)到1000m以上。故本研究在通量計算中提取NAQPMS模式最低5層的結(jié)果(約1.1km),對邊界層內(nèi)顆粒物輸送通量進(jìn)行計算。從污染源控制措施完全落實(2008年7月20日)至奧運會結(jié)束(2008年8月24日)這一時段內(nèi),北京空氣質(zhì)量狀況發(fā)生了較大幅度的變化:在減排措施保持不變的情況下,污染物濃度在奧運期間有較大幅度下降,但開幕式前卻出現(xiàn)了PM10超標(biāo)的現(xiàn)象。本研究將以奧運會開幕式當(dāng)天(8月8日)為分界點,使用通量計算方法對北京及近周邊地區(qū)PM10輸送特征進(jìn)行研究,以分析奧運會開幕式前后PM10通量輸送特征和變化。3北京周邊網(wǎng)點污染濃度對比模擬結(jié)果驗證采用區(qū)域API(AirPollutionIndex)對比的方式,將PM10濃度值轉(zhuǎn)換為API后同觀測(主要污染物均為顆粒物)進(jìn)行對比,結(jié)果如圖3?？梢?模式對北京內(nèi)站點污染濃度的刻畫較為準(zhǔn)確,且污染物區(qū)域分布特征明顯,其中,對北京行政區(qū)邊界附近站點以及保定、石家莊等地污染濃度的準(zhǔn)確模擬確保了北京近周邊通量計算的可信度。表1列出了京內(nèi)主要站點PM10模擬的統(tǒng)計檢驗結(jié)果,京內(nèi)4個站點PM10小時濃度相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.5以上,說明模式對2008年北京奧運期間PM10濃度的變化趨勢有著較好的刻畫,基于以上結(jié)果的通量計算分析是合理可信的。3.1奧運期間北京入京通量的特征提取北京南部、東南部以及東部邊界(如圖2中3條藍(lán)色實線所示)通量計算結(jié)果,計算得到的總?cè)刖┩考案鞣较蛲控暙I(xiàn)百分比如圖4所示?？梢?東部貢獻(xiàn)為主時,總?cè)刖┩砍霈F(xiàn)明顯下降,京南成為PM10向外輸送的主要方向;而自南部及東南部地區(qū)的入京通量逐步占據(jù)主導(dǎo)時,常伴隨入京通量峰值的出現(xiàn),而此時東部入京通量很小或為零,PM10出京主要方向為東。統(tǒng)計結(jié)果表明,三方向入京總通量與東部邊界入京通量所占百分比之間存在較為明顯的負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)在開幕式前后分別為-0.45和-0.4。通過對圖4中百分比分布進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),開幕式前后,PM10各方向入京通量的相對比例產(chǎn)生了明顯變化。8月8日前,南部入京通量在總通量中所占比例超過50%的時次約為278h,占研究時間段的61.0%,東南及東部分別占18.0%和9.8%;奧運會期間各方向通量貢獻(xiàn)較為平均,南、東南及東部成為主要輸送方向的比例分別變?yōu)?8.7%、18.6%和31.6%。表2展示了三方向及總?cè)刖┩啃r均值及其在總通量中所占百分比?？梢?各方向通量在數(shù)值上也有較大幅度的改變:相對于開幕前,奧運期間北京入京通量整體呈現(xiàn)下降趨勢,降幅為9.8t·h-1,其中,來自京南PM10通量小時均值下降最為明顯,由開幕前的27.9t·h-1降為15.3t·h-1,百分比也由55.8%降為38.1%;京東入京通量降幅有限,而京東南則有所升高。垂直方向上,通量分布特征分析所得結(jié)果如圖5所示。其中,圖5a為垂直方向上PM10入京通量的變化,可見奧運開幕式后,除邊界層上部外,各層入京通量輸送量均有所減小。圖5b為各層輸送在整層通量中所占比例,與開幕式前相比,奧運期間通量輸送更加集中于上部,貢獻(xiàn)有較大幅度增加,而其余4層存在不同程度的下降。為考察單位高度上的輸送能力,將各層輸送通量所占百分比除以該層高度,得到結(jié)果如圖5c所示。從中可見,開幕式前近地層輸送較強,最高值點位于模式第3層(約175～350m),并隨高度的增加而迅速遞減;而奧運期間,邊界層底部輸送減弱,上部輸送明顯增強,模式第3層與第5層(約600～1100m)均有峰值出現(xiàn),垂直方向波動較小,說明此階段PM10以整層輸送為主。以上分析表明,奧運開幕式前后,北京地區(qū)PM10三方向入京通量在數(shù)值與分布上均有大幅度變化,垂直方向上也體現(xiàn)出不同的輸送特征。由于自7月20日起,北京地區(qū)奧運空氣質(zhì)量保障措施已完全落實,因此奧運開幕式前后輸送通量的顯著變化應(yīng)主要由氣象場改變引起,為進(jìn)一步研究氣象場及污染源減排對奧運期間北京地區(qū)顆粒物輸送及空氣質(zhì)量的影響,本文還使用情景分析的方法對奧運期間北京地區(qū)PM10輸送進(jìn)行了研究。3.2模擬結(jié)果與分析自1998～2008年奧運會結(jié)束,北京市分14個階段對市內(nèi)空氣污染狀況進(jìn)行治理,特別是2007～2008年,采取了包括控制無組織排放、舊鍋爐改造、引入清潔能源、機動車限行等多項措施。為了評估控制措施在奧運空氣質(zhì)量改善過程中的作用,并盡量剔除長時間經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的影響,研究中本應(yīng)采用2007年情況進(jìn)行情景分析,但考慮到8月份“好運北京”測試賽期間機動車限行措施演練對評估污染源減排的不確定性影響,本文選擇2006年同期氣象場及排放清單作為模式輸入,利用NAQPMS模式對不同情景下北京地區(qū)8月份的空氣質(zhì)量狀況進(jìn)行了模擬,具體情景設(shè)置如表3所示:2006年模式排放源在2007年排放源的基礎(chǔ)上計算得到,根據(jù)北京市頒布的《北京第十三階段控制大氣污染措施》內(nèi)容,在假定其污染物排放總量控制目標(biāo)(以百分比形式體現(xiàn))全部實現(xiàn)的前提下,將2007年污染源乘以對應(yīng)的比例因子反算出2006年排放量;由于排放清單的不斷精細(xì)化,部分2007年污染源沒有包括在2006年的排放清單中,對于2006年清單缺少的這一部分將直接用2007年清單對其進(jìn)行賦值。以北京為例,計算出的2006年排放量以及現(xiàn)有2008年清單對比結(jié)果如表4所示:為證明2006年清單的合理性,使用環(huán)保部及北京市環(huán)保局發(fā)布的2006年8月份多城市API指數(shù)均值對情景1的模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證,結(jié)果如圖6、7所示:可見,使用此排放源清單計算出的結(jié)果,污染區(qū)域分布特征較為明顯,且對天津、秦皇島、石家莊、太原等地的污染狀況均有較好的刻畫,能夠較好的反映出周邊地區(qū)PM10的濃度分布特征。為驗證模式對北京城內(nèi)單站點污染物的模擬能力,選取北京大氣物理研究所氣象鐵塔120m和280m觀測數(shù)據(jù)對模擬進(jìn)行了統(tǒng)計檢驗,其結(jié)果如圖7所示,觀測與模擬值的小時濃度相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到了0.84和0.78,可認(rèn)為使用此清單模擬得到的北京2006年P(guān)M10污染狀況是合理可信的。同樣氣象場輸入下,排放源分布的改變會使PM10濃度分布以及區(qū)域輸送形勢發(fā)生改變,圖8為基準(zhǔn)情景與情景2的差值,顯示了奧運期間(8月8～24日)模式D3區(qū)域1.1km以下API與輸送通量日均值的變化情況?？梢?經(jīng)過2年的污染源治理,華北地區(qū)空氣質(zhì)量狀況整體好轉(zhuǎn),其中,以唐山、北京等地的改善效果最為顯著,PM10濃度降幅達(dá)到20μg·m-3。污染源變化使區(qū)域輸送特征有所改變,由圖8中通量輸送流場可見,由于2008年空氣質(zhì)量狀況明顯好轉(zhuǎn),北京、唐山以及石家莊、保定等地相對于2006年而言,更易受周邊輸送影響,其中北京地區(qū)最為明顯,PM10高濃度中心的下降使周邊地區(qū)污染物向城內(nèi)輸送有加劇的趨勢。圖9為基準(zhǔn)情景與情景3模擬結(jié)果的差值,為氣象場改變對空氣質(zhì)量及輸送趨勢的影響。由圖可見,相對于2006年而言,2008年氣象場在一定程度上改變了PM10濃度的分布,華北地區(qū)大部分城市空氣質(zhì)量狀況有所好轉(zhuǎn),PM10濃度減幅為3～7μg·m-3。就北京市而言,在2008年氣象條件下,城區(qū)及東北部污染有所減輕,南部污染加劇。區(qū)域輸送方面,北京2008年通量輸送場在2006年基礎(chǔ)上疊加了來自東北方向的輸送分量,使得北京東北部地區(qū)以及城區(qū)的PM10存在西南方向的輸送趨勢,產(chǎn)生了北京城區(qū)空氣質(zhì)量狀況好轉(zhuǎn)、南部地區(qū)污染加劇的現(xiàn)象。表5展示了4種情景下,按圖2中實線邊界計算出的奧運期間(8月8～24日)北京地區(qū)三方向PM10輸送通量。對比基準(zhǔn)情景與情景2可見,由于排放源的變化,2008年三方向入京通量與凈通量均在2006年基礎(chǔ)上有所下降,降幅范圍分別為:12%～20%、0～12.1%。在固定排放源的情況下,對比基準(zhǔn)情景與情景3可發(fā)現(xiàn),入京通量與凈通量均有較大幅度的下降,其中南部及東南部總?cè)刖┩糠謩e下降了32.7%和61.9%,東部為19.2%,凈通量部分降幅更為明顯,三方向均超過了70%,且在2006年氣象背景下,PM10輸送主要來自北京南部,2008年則以東南部為主。表6為北京城區(qū)總?cè)刖┩颗c凈通量計算結(jié)果(計算邊界設(shè)定如圖2中藍(lán)色虛線與實線所示)。平均狀況下,存留于局地大氣中的污染物量是一定的,PM10凈通量應(yīng)與本地源排放及干濕沉降量守恒,由于平流輸送與湍流擴(kuò)散是城市地區(qū)大氣污染物的主要清除機制,故北京城區(qū)凈通量一般為負(fù)值。從表中可見,氣象場不變時,排放源控制措施使2008年輸送通量在2006年基礎(chǔ)上有明顯下降,但對比基準(zhǔn)情景與情景3,以及情景1與情景2可知,氣象場改變對PM10輸送量,特別是入京凈通量的變化有著決定性的影響。通過上述對2006、2008年的情景分析,發(fā)現(xiàn)污染源控制雖然可以整體減少PM10各方向輸送量,但氣象場的變化在這一過程中起著決定性的作用,2008年氣象場在增加入京通量的同時,也使出京通量大幅度增加,使PM10凈通量在2006年的基礎(chǔ)上有大幅度下降。從改善北京地區(qū)空氣質(zhì)量的角度上來看,相對2006年而言,2008年氣象場使北京城區(qū)及東南部的空氣質(zhì)量狀況有所好轉(zhuǎn),京南地區(qū)污染狀況加劇,而污染源減排在整體改善華北地區(qū)空氣質(zhì)量中的作用則更為明顯。4