APEC會議期間北京地區(qū)大氣污染物的分析研究

孫嵩燾

(民航華北空管局氣象中心，北京 100621)

APEC會議期間北京地區(qū)大氣污染物的分析研究

孫嵩燾

(民航華北空管局氣象中心，北京 100621)

該文利用北京市通州區(qū)環(huán)保局、北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心自動檢測網(wǎng)絡(luò)站點數(shù)據(jù)及NCEP(1°×1°)再分析資料，分析了2014年北京APEC會議期間各污染物濃度值的變化，分析表明：管控期內(nèi)PM2.5、NO3濃度下降明顯。PM2.5、NO2呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，O3、SO2呈現(xiàn)單峰態(tài)。同時，北京市人口稠密區(qū)夜間PM2.5污染較為嚴(yán)重，仍需控制NO2的排放量。并探究管控措施實施效果，為今后重大活動空氣質(zhì)量保障提供參考。

北京；大氣污染物；空氣質(zhì)量；APEC

1 引言

1.1 研究背景與監(jiān)測方法

APEC會議于2014年11月5—11日在北京召開。從6月份開始北京開始實施一系列保障措施。自11月起，京津冀地區(qū)城市開始實施最高一級重污染應(yīng)急減排措施。2 000多家企業(yè)停產(chǎn)、1 000多家企業(yè)限產(chǎn)、停工。此外11月7—12日期間，北京市部分單位放假6 d，機動車單雙號限行[1]。這些嚴(yán)格的控制措施，有效降低了污染物排放。保障了會議期間空氣質(zhì)量。

根據(jù)北京市環(huán)保局發(fā)布的APEC空氣質(zhì)量保障措施效果評估結(jié)果顯示，APEC期間全市PM2.5平均濃度為43 μg·m-3，如未采取相應(yīng)措施， PM2.5濃度預(yù)計將會達到69.5μg·m-3，比實際濃度增長61.6%[1]。綜合來看，全市分別削減二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒物(PM10)、細(xì)顆粒物(PM2.5)和揮發(fā)性有機物(VOCs)排放約39.2%、49.6%、66.6%、61.6%和33.6%，平均削減50%左右[1]。

分析本次APEC期間的管控措施，為今后重大國際活動空氣質(zhì)量保障，乃至對治理大氣污染有著重要的參考意義。文中通州新城站點數(shù)據(jù)來源于通州區(qū)環(huán)保局，其它站點數(shù)據(jù)來源為地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站(http://www.gscloud.cn/)，該網(wǎng)站數(shù)據(jù)來源于北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心的自動檢測網(wǎng)絡(luò)。以下為本次所涉及到的35個站點。

①城區(qū)環(huán)境評價點(東四，天壇，官園，萬壽西宮，奧體中心，農(nóng)展館，萬柳，北部新區(qū)，植物園，豐臺花園，云崗，古城)；

②郊區(qū)環(huán)境評價點(房山，大興，亦莊，通州，順義，昌平，門頭溝，平谷，懷柔，密云，延慶)；

③對照點及區(qū)域點(定陵，八達嶺，密云水庫，東高村，永樂店，榆垡，琉璃河)；

④交通污染監(jiān)控點(前門，永定門內(nèi)，西直門北，南三環(huán)，東四環(huán))

在分析工作中采用4類站點平均，即用城區(qū)環(huán)境評價點平均值代表城區(qū)情況；用郊區(qū)環(huán)境評價點平均值代表郊區(qū)情況；用對照點及區(qū)域點平均值代表區(qū)域傳送情況；用交通污染監(jiān)控點平均值代表交通點情況。隨著北京市城建不斷擴張，特別是東南部新城區(qū)的開發(fā)，北京不僅僅受到自身排放源影響，區(qū)域傳送的貢獻也不可小覷，本文選取了定陵、八達嶺、密云水庫、東高村、永樂店、榆垡、琉璃河站點。加密了東部、東南部以及北部山區(qū)的站點密度。為了探究區(qū)域傳送對北京的影響，選取定陵、八達嶺作為站點西北向站點，東高村作為東向站點，永樂店作為東南向站點，榆垡作為南向站點，琉璃河作為西南向站點，密云水庫作為東北向站點。同時，作為城市清潔對照點，定陵有其不可替代的作用，也將單獨分析。

1.2 研究期間天氣情況

本次研究選取的時間范圍為2014年11月7—10日，利用NECP(1°×1°)再分析資料分析研究期間污染物擴散條件。

圖1 2014年11月7日、8日 18UTC 地面氣壓場與風(fēng)場Fig.1 Surface Pressure and Wind at 18UTC on 7 to 8 November

圖2 2014年11月9日、10日 18UTC 700 hPa風(fēng)場Fig.2 700hpa T-Td and Wind at 18UTC on 9 to 10 November

從圖1來看，11月7日北京受弱高壓控制，11月8日形勢場進一步轉(zhuǎn)弱，到夜間逐漸轉(zhuǎn)為弱高壓后部控制，地面以較弱的偏南風(fēng)為主，擴散條件較為不利。由圖2可以看到，9日18UTC北京地區(qū)轉(zhuǎn)為受槽前偏南氣流控制，轉(zhuǎn)為受均壓場控制，地面形勢場進一步轉(zhuǎn)弱。10日白天北京地區(qū)轉(zhuǎn)為受低壓系統(tǒng)控制，白天以偏南風(fēng)為主，不利于污染物的擴散(圖略)。隨著10日夜間冷空氣的到來，11日北京地區(qū)污染物擴散條件逐漸轉(zhuǎn)好。

總體來看，7日北京地區(qū)擴散條件一般。隨著地面氣壓場減弱，8日夜間開始擴散條件轉(zhuǎn)差。9日、10日不利于污染物擴散。10日后半夜隨著冷空氣的到來，擴散條件轉(zhuǎn)好。本研究選取的時間段為7—10日，整體擴散條件一般偏差。

2 分析與研究

2.1 APEC期間大氣污染物的總體特征

圖3、圖4反應(yīng)了通州新城站點4種大氣污染物在10月20日—12月10日期間各污染物隨時間的變化。可以看到，在11月3—12日管控措施下，各種污染物濃度均有明顯的下降。相比于城區(qū)，位于東南部的通州新城位于城區(qū)下風(fēng)向，本身濃度也會比城區(qū)偏高。在東南風(fēng)的影響下，臨近的河北香河、廊坊地區(qū)的污染物也會影響到通州地區(qū)。在APEC期間，得益于調(diào)控措施，盡管在4日、10日出現(xiàn)了不利于污染物擴散的天氣，但整體來看通州新城在APEC期間各項污染物仍有明顯的下降。APEC期間，PM2.5濃度為81.7 μg·m-3，SO2、CO、NO2濃度分別為15.6 μg·m-3、1.2 mg·m-3、48 μg·m-3。除PM2.5為國家標(biāo)準(zhǔn)的1.09倍外，其他各項污染物均沒有超過國家一級濃度限值。而2013年11月通州新城地區(qū)PM2.5濃度為133.1 μg·m-3，去年同時期PM2.5濃度為102.6 μg·m-3，分別下降了38.7%、20.4%。盡管依然超過國家二級濃度限值，但對比來看APEC期間管控措施對降低通州地區(qū)PM2.5濃度起了十分顯著的作用。對比與當(dāng)月平均濃度28.1 μg·m-3、1.9 mg·m-3、64.0 μg·m-3，SO2、CO、NO2分別下降44.5%、36.8%、25%。APEC期間機動車限行、工廠停工等措施使得SO2、CO、NO2均有不同程度的下降。

圖3 2014年10月20日—12月10日通州新城SO2(a)、PM2.5(b)濃度隨時間變化圖Fig.3 Diurnal variation of SO2、PM2.5 Concentrations of Tongzhou New District from Oct. 20 th, 2014 to Dec.10 th, 2014

圖5顯示了APEC管控前后通州新城3種污染物濃度對比。將觀測時段劃分為：①APEC管控前，即10月10日—11月2日；②管控期間，即3—12日；③管控后，即11月13日—12月10日。從圖中可以看到，管控期間PM2.5、NO2濃度有了明顯的下降，而在結(jié)束調(diào)控期后，兩者又有了明顯的回升。依據(jù)之前對北京PM2.5的源解析結(jié)果，北京PM2.5主要來源均為燃煤、機動車、工業(yè)和餐飲，所占份額分別為30%、22%、12%、13%[2]。而在APEC管控期間燃煤和工業(yè)企業(yè)停限產(chǎn)，削減PM2.5排放495噸[2]。汽車禁限行等措施使得APEC期間機動車路上行駛數(shù)量下降，機動車污染物排放總量明顯下降。同時由于放假調(diào)休措施，全市常住人口由于旅游等因素減少10%[1]。多種管控措施下，使得通州新區(qū)PM2.5濃度較管控前的144.6μg·m-3下降到81.7μg·m-3，降低了43.4%。同時，限行措施也降低了NO2濃度，由管控前的77.9μg·m-3下降到48μg·m-3，降低了38.4%。

圖4 2014年10月20日—12月10日通州新城NO2(a)、CO(b)濃度隨時間變化圖Fig.4 Diurnal variation of NO2、CO Concentrations of Tongzhou New District from Oct. 20 th, 2014 to Dec.10 th, 2014

相比于管控前SO2濃度17.8 μg·m-3，在APEC管控期間SO2濃度為15.6 μg·m-3,僅下降12.4%。相比于其它3種污染物，SO2的消弱作用并不明顯。在APEC管控結(jié)束后，SO2濃度增加為37.0 μg·m-3。較管控期間提升57.8%。APEC期間SO2削減量不大與北京市近幾年來優(yōu)化自身工業(yè)、能源結(jié)構(gòu)有關(guān)[1]。

APEC結(jié)束后SO2快速增長主要原因為北京冬季供暖季開始，北京于11月15日開始進入冬季集中供暖期，造成SO2濃度較之前有較大增加，同時停工工廠開始恢復(fù)生產(chǎn)，也造成SO2濃度增加。

圖5 APEC管控前后通州新城3種污染物濃度對比Fig.5 Three Kinds of Pollutants in Tongzhou New District before and after the management control for APEC

各項污染物濃度的下降也反映出AQI指數(shù)的下降。如圖6所示，隨著管控期間各項污染濃度的下降，AQI指數(shù)在APEC會議期間也呈現(xiàn)下降趨勢。而在停止管控措施后，AQI指數(shù)有了較為明顯的回升。這正說明APEC會議期間各項管控措施有力的削減了各項污染物濃度。

圖6 2014年10月20日—12月10日北京市AQI隨時間變化圖Fig.6 Diurnal variation of Air Quality Index (AQI) of Beijing from Oct. 20 th, 2014 to Dec.10 th

2.2 APEC期間大氣污染物的日變化特征

因11、12日數(shù)據(jù)出現(xiàn)大量缺測，本文選取11月7—10日時間段分析APEC期間大氣污染物的日變化特征。

圖7為在APEC管控期間PM2.5濃度一天內(nèi)變化圖。可以看到，在白天北京市PM2.5呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。在08時，受到出行早高峰的開始，車流量的上升，交通污染監(jiān)控點首先達到峰值，PM2.5濃度為67.3 μg·m-3，而其它3類觀測點尚未達到其相對應(yīng)的波峰值。對比王占山[3]等人2013年研究可以發(fā)現(xiàn)：APEC期間交通污染點PM2.5濃度較2013年交通點平均濃度降低近30 μg·m-3，也符合國家二級濃度限值標(biāo)準(zhǔn)，表明管控期間限號限行措施很大程度上減少了PM2.5的排放量。09時城區(qū)及郊區(qū)站點也達到了峰值。區(qū)域站點在10時達到峰值，濃度為81.5 μg·m-3，遠(yuǎn)高于其它3類站點。與圖8對比，可以看到在管控期間內(nèi)白天區(qū)域點濃度要高于其他3類站點。根據(jù)氣象資料顯示，研究期間內(nèi) 10時左右北京市均以東南風(fēng)、西南風(fēng)為主，因而從東南、南、西南3個方向形成污染物的輸送，成為上午時段PM2.5濃度升高的主要原因。最大濃度超過國家標(biāo)準(zhǔn)8.7%。白天第2個峰值出現(xiàn)在15時左右，各類站點均符合國家二級標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 2014年11月7—10日PM2.5日變化圖(a)及10時各方位區(qū)域點濃度(b)Fig.7 Diurnal concentrations variation of PM2.5 from Nov. 7 th to 10 th and Regional PM2.5 Concentrations in all Directions at 10am

圖8 2013年4類站點PM2.5濃度日變化圖[3]Fig.8 Diurnal concentrations variation of PM2.5 in four types of monitoring stations in 2013

18時后各類站點PM2.5濃度開始上升。總體來看，白天區(qū)域點濃度>城區(qū)站點濃度>郊區(qū)站點濃度。而到了夜間，郊區(qū)站點濃度>城區(qū)站點濃度>區(qū)域點濃度。夜間濃度高于白天主要是因為在夜間邊界層高度降低,對流擴散作用減弱, 造成污染物累積。與定陵清潔對照點的對比發(fā)現(xiàn)，在清潔對照點夜間處于較低水平污染物濃度的情況下，夜晚郊區(qū)PM2.5濃度較高，污染比較嚴(yán)重，尤其是位于北京盛行風(fēng)下風(fēng)向的東南部郊區(qū)，即北京市開發(fā)區(qū)、通州新區(qū)，隨著東南部地區(qū)近年來不斷發(fā)展，常住人口不斷增加，加之不利的地理位置，北京東南部郊區(qū)的PM2.5污染已經(jīng)十分嚴(yán)重。同時在夜間23時，城區(qū)、郊區(qū)PM2.5濃度值分別達到76.7 μg·m-3、86.3 μg·m-3，均超過國家二級濃度限值。表明在夜間人口稠密區(qū)PM2.5更容易積累或二次生成。

同時通過交通污染監(jiān)控點的走勢可以發(fā)現(xiàn)，在夜晚交通量下降的情況下，交通污染監(jiān)控點的濃度不降反升，這說明機動車直接排放并非是導(dǎo)致PM2.5升高的主要原因，機動車排放的氣態(tài)污染物進行化學(xué)反應(yīng)生成的二次粒子是PM2.5升高的主要因素。

由圖9可以看到，在APEC管控期間內(nèi)北京的O3濃度日變化呈現(xiàn)明顯的單峰值現(xiàn)象。在16時，4類站點均達到其峰值。城區(qū)、郊區(qū)、區(qū)域點、交通污染監(jiān)控點的濃度為70.1 μg·m-3、66 μg·m-3、66.1 μg·m-3、39.3 μg·m-3。在18時日落后濃度迅速下降。主要原因在于臭氧的生成與NOx、VOCs以及CO的光化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，白天隨著太陽輻射的增加，NO2等前體物濃度不斷增加，O3的濃度開始上升。隨著前體物的增加以及太陽輻射的增加，在16時O3濃度達到峰值。隨著夜晚太陽輻射減弱，且夜晚臭氧濃度被高濃度的NO所消耗，在夜晚O3濃度下降，并維持較低水平。

圖9 2014年11月7—10日O3隨時間變化圖Fig.9 The hourly change of O3 concentrations on 7 to 10 November

通過城區(qū)、郊區(qū)與定陵清潔對照點比較可以發(fā)現(xiàn)，在夜間至凌晨時段，定陵對照點的臭氧濃度要遠(yuǎn)高于城區(qū)郊區(qū)站點。同時，在白天的峰值也小于城區(qū)、郊區(qū)。在白天，由于NO2等前體污染物的濃度小于城郊區(qū)，近似的太陽輻射條件下峰值小于城郊區(qū)。而夜晚，定陵點缺乏局地源，NO的濃度相對較低，無法很好的起到對O3的消除作用，因而定陵對照點濃度要于其他站點。

從圖10可以看到，在APEC管控期內(nèi)，SO2濃度呈現(xiàn)為明顯的單峰態(tài)。隨著白天交通量的增加，以及工業(yè)高架源的排放，各站點SO2濃度開始增加，在14時達到峰值。14時是一天中大氣垂直方向混合最強的時間，此時達到極值說明SO2的排放與工業(yè)源高架排放有關(guān)。隨著夜晚交通流量的減少，以及工業(yè)排放減少等影響，SO2濃度也對應(yīng)降低?？梢钥吹酱蟛糠謺r間作為城市清潔對照點的定陵SO2濃度都高于同期的城區(qū)、郊區(qū)站點，甚至高于交通污染監(jiān)控點。且均小于國家一級濃度限值50 μg·m-3，表明在APEC期間，限制高架源排放的措施大大降低了北京市SO2排放量。使得APEC期間城郊區(qū)SO2濃度要好于清潔對照點。

圖10 2014年11月7—10日SO2隨時間變化圖Fig.10 The hourly change of SO2 concentrations on 7 to 10 November

從圖11可以看到，NO2在一天中有2個峰值。在09時左右達到第1個峰值，主要是由于交通量的增加，進而地面NO2濃度增加所致。隨后由于參與生成臭氧的光反應(yīng)，4類站點濃度均開始降低，與O3濃度呈現(xiàn)鮮明的反相關(guān)性。隨著夜晚，光反應(yīng)趨于停止，18時濃度開始逐漸回升。與21時達到第2個峰值。夜間NO2始終處于較高的濃度水平，主要是由于夜間NO2光解反應(yīng)停滯,同時NO和O3反應(yīng)產(chǎn)生NO2。整體而言，交通監(jiān)控點濃度>城區(qū)環(huán)境評價點>郊區(qū)環(huán)境評價點>對照點及區(qū)域點。與城市清潔對照點對比來看，城市、郊區(qū)、交通對照點的濃度依舊偏高。以城區(qū)為例，在21時峰值時濃度達到75.2 μg·m-3，是國家二級濃度限值的0.94倍。在各種管控措施下峰值濃度依舊迫近二級濃度限制。而交通污染監(jiān)控點峰值是二級濃度限值的1.07倍。盡管APEC期間采取了大量限行措施，但北京市人口稠密區(qū)的NO2濃度依舊遠(yuǎn)高于城市清潔對照點，NO2污染依舊值得關(guān)注。

圖11 2014年11月7—10日NO2隨時間變化圖Fig.11 The hourly change of NO2 concentrations on 7 to 10 November

3 總結(jié)與建議

①APEC期間，在相對一般的污染物擴散條件下，北京市主要大氣污染物濃度均有不同程度的下降。以污染較為嚴(yán)重的通州新區(qū)為例，與2013年11月相比，PM2.5、SO2、NO2分別下降了38.7%、12.4%、38.3%。APEC期間的管控措施對于PM2.5、NO2的削減起到了很好的作用，主要得益于機動車限行、調(diào)休放假等措施，降低了污染物的排放量。

②APEC管控期間PM2.5呈現(xiàn)雙峰現(xiàn)象，白天的峰值出現(xiàn)在08—10時以及15時。主要原因為交通流量的增加導(dǎo)致污染物排放量的增加。白天區(qū)域點濃度>城區(qū)站點濃度>郊區(qū)站點濃度。而到了夜間，郊區(qū)站點濃度>城區(qū)站點濃度>區(qū)域點濃度。夜間濃度高于白天主要是因為在夜間邊界層高度降低,對流擴散作用減弱, 造成污染物累積。夜晚郊區(qū)PM2.5濃度較高，污染比較嚴(yán)重。在夜間人口稠密區(qū)PM2.5更容易積累或二次生成。此外，機動車直接排放并非是導(dǎo)致PM2.5升高的主要原因，機動車排放的氣態(tài)污染物進行化學(xué)反應(yīng)生成的二次粒子是PM2.5升高的主要因素。

③在APEC管控期間內(nèi)，北京的O3濃度日變化呈現(xiàn)明顯的單峰值現(xiàn)象。在16時，4類站點均達到其峰值。城區(qū)、郊區(qū)、區(qū)域點、交通污染監(jiān)控點的濃度為70.1 μg·m-3、66 μg·m-3、66.1 μg·m-3、39.3 μg·m-3。在18時日落后濃度迅速下降。夜間定陵對照點濃度高于城郊區(qū)站點。

④在APEC管控期內(nèi)，SO2濃度呈現(xiàn)為明顯的單峰態(tài)。主要排放源為高架源排放。與清潔對照點相比，北京市SO2污染水平控制的較為理想。

⑤在APEC管控期間內(nèi)，NO2在一日中有2個峰值。09時的峰值是因為交通量的增加，由于光反應(yīng)的停止，以及NO與O3的反應(yīng)生成NO2，21時出現(xiàn)第2個峰值。在污染物峰值期間，達到國家二級濃度限值標(biāo)準(zhǔn)上限值。與城市清潔對照點相比，北京市整體NO2濃度依舊偏高，NO2污染問題仍需得到重視。整體而言，交通監(jiān)控點濃度>城區(qū)環(huán)境評價點>郊區(qū)環(huán)境評價點>對照點及區(qū)域點。

討論與建議：

①通過加強油品品質(zhì)，以及控制機動車增加等措施，控制削減NO2的排放量。

②完善區(qū)域合作機制，加強北京東南部、南部河北地區(qū)污染治理工作。

③削減機動車污染物的排放同時，加強對二次前體污染物的控制。減少復(fù)合型污染，降低PM2.5濃度。

④加強北京東南部、南部新城區(qū)的大氣污染防控管控力度。

[1]澎湃新聞網(wǎng)(上海).“APEC藍”官方評估結(jié)果出爐:調(diào)休放假貢獻率12.4%[EB/OL].(2014-12-17)[2015-04-15].http://news.163.com/14/1217/17/ADMETQJM00014SEH.html.

[2] 白春禮.中國科學(xué)院大氣灰霾研究進展及展望 [J].中國科學(xué)院院刊，2014，4：275-281.

[3] 王占山,李云婷,陳添.2013年北京市PM2.5的時空分布[J].地理學(xué)報，2015，70(1)：110-120.

[4] 劉興春.北京市大氣中顆粒物變化趨勢分析研究 [D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2013.

[5] 吳兌.近十年中國灰霾天氣研究綜述[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，32(2)：257-269.

[6] 侯振奎,栗敬仁,王斌.2013年1月份我國中東部地區(qū)嚴(yán)重霧霾的成因分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41(30)：12 095-12 097.

[7] 孟燕軍,程叢蘭.影響北京大氣污染物變化的地面天氣形勢分析[J].氣象，2002，28(4)：42-47.

[8] 唐孝炎.大氣環(huán)境化學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2010.

Research about the air pollutants in Beijing area during APEC

SUN Songtao

(Meteorological Center of North China Regional ATMB，Beijing 100621,China)

The changes of the concentration of various pollutants during the 2014 APEC meeting held in Beijing was analyzed in a bid to find out the effectiveness of the management and control measures over pollutant discharge as well as provide the air quality guarantee during future important activities with reference. Data from the auto-detecting sites of Beijing Municipal Environmental Protection Bureau and Tongzhou District Environmental Protection Bureau, as well as NCEP(1°×1°) re-analysis data were used in the paper. According to the researching report during the APEC, PM2.5, NO3had an apparent decrease. The curves of PM2.5, NO2were of bimodal distribution, but the curves of O3, SO2were single kurtosis. Meanwhile, PM2.5pollution in densely populated areas was more serious at night; we still need to control the emission of NO2.

Beijing; air pollutants; air quality; APEC

1003-6598(2017)02-0032-08

2017-01-02

孫嵩燾(1993—)，男，助工，主要從事氣象預(yù)報研究，E-mail:sst100061@126.com。

X51

A