2014—2015年寧波市空氣質(zhì)量變化特征及未來(lái)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(qū)氣象局,浙江 寧波 315826;2.寧波市氣象臺(tái),浙江 寧波 315012)

0 引 言

自然過程和人類排放決定城市空氣質(zhì)量。現(xiàn)今,人類行為促使空氣污染源種類及排放強(qiáng)度的增加更給城市空氣質(zhì)量帶來(lái)巨大壓力,已經(jīng)對(duì)城市環(huán)境造成了很大污染,嚴(yán)重影響人們生活質(zhì)量,危機(jī)人體健康[1-3]。國(guó)內(nèi)對(duì)空氣質(zhì)量開展了多方面研究,陳輝等[4]認(rèn)為西安市空氣質(zhì)量呈“U”型分布,季節(jié)特征明顯,夏季和秋季空氣質(zhì)量較好,冬季較差;張劍鳴等[5]認(rèn)為人為活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠大多集中于低于2 km高度的對(duì)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(shì)一致,12月、1月較高,8月最低,NO2和PM10年均值濃度超標(biāo)。區(qū)域氣候模式RegCM3(Regiona Climate Models3)是近百年來(lái)全球氣候在經(jīng)歷以變暖為主要特征的氣候變化研究中,具有較高時(shí)空分辨率、目前應(yīng)用最廣的區(qū)域氣候模式之一[7],模式能夠描述區(qū)域內(nèi)中小尺度地形、地表特征和其他因子對(duì)區(qū)域氣候變化的強(qiáng)迫和影響。

城市的地理位置、地形地貌、氣候條件對(duì)空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響[8]。寧波港口物流、船舶運(yùn)輸、臨港企業(yè)和海洋經(jīng)濟(jì)等方面位于全國(guó)前列,但是近年來(lái),不良空氣質(zhì)量已經(jīng)對(duì)寧波經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、居民的身心健康等造成一定程度的影響。本文應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)2014—2015年寧波空氣質(zhì)量、大氣污染物濃度等進(jìn)行分析,通過區(qū)域氣候模式及數(shù)值方法對(duì)寧波氣象、大氣污染物濃度變化進(jìn)行模擬。在當(dāng)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(kuò)散的背景下,有必要研究分析現(xiàn)階段的空氣質(zhì)量、大氣污染物濃度的變化特征,對(duì)開展清潔空氣行動(dòng),整治大氣環(huán)境污染,建設(shè)生態(tài)文明以及城市健康持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 資料與方法

CO、O3、SO2、NO2濃度、PM10、PM2.5數(shù)據(jù)來(lái)自于寧波市環(huán)保部門。

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)《排放情景特別報(bào)告》中有4個(gè)描寫未來(lái)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(lái)世界是經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)非?？?全球人口數(shù)量峰值出現(xiàn)在本世紀(jì)中葉并隨后下降,新的更高效的技術(shù)被迅速引進(jìn),A1情景族又分為3組情景(A1FI、A1T、A1B),分別描述了能源系統(tǒng)中技術(shù)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(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)非常快,全球人口數(shù)量峰值出現(xiàn)在本世紀(jì)中葉并隨后下降,新的更高效的技術(shù)被迅速引進(jìn),各種能源之間的平衡(在所有能源的供給和終端利用技術(shù)平行發(fā)展的假定下,不過分依賴于某種特定能源)。

參照WHO(世界衛(wèi)生組織)發(fā)布的全球空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(2005年)顆粒物限值(表1),2017年、2020年和2025年分別設(shè)計(jì)為寧波未來(lái)污染物濃度情景數(shù)值模擬的3個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

表1 WHO發(fā)布的全球空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(2005年)顆粒物限值 μg/m3

寧波市空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式系統(tǒng)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(xué)模式(ACTDM)和污染源處理模塊(SOURCE)四個(gè)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(huán)流背景場(chǎng);城市邊界層模式是在大尺度氣象環(huán)流背景場(chǎng)的基礎(chǔ)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(xué)模塊由邊界層模式驅(qū)動(dòng),考慮各類物種的輸送擴(kuò)散過程、各類物種的化學(xué)動(dòng)力學(xué)特性。模式中心點(diǎn)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(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量特征

2014—2015年寧波市空氣質(zhì)量比較穩(wěn)定(表2),起伏小,年均空氣質(zhì)量指數(shù)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(guó)家(GB3095—2012)限值標(biāo)準(zhǔn)相比,SO2、NO2濃度略超出國(guó)家一級(jí)濃度限值,PM10濃度基本為國(guó)家二級(jí)濃度限值上下,但細(xì)顆粒物PM2.5的濃度超出國(guó)家二級(jí)限值達(dá)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(xiàn)出兩頭高、中間低的變化趨勢(shì)(圖1),即冬季高、夏季低的季節(jié)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(fēng)主導(dǎo)風(fēng),易受來(lái)自北方地區(qū)外來(lái)污染物的輸入影響,且大氣層結(jié)普遍較穩(wěn)定,氣象條件不利于污染物的擴(kuò)散;夏季大氣則對(duì)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(zhì)量。

圖1 寧波市氣溶膠濃度月際變化

2014—2015年(共計(jì)678個(gè)有效樣本)7—8月空氣質(zhì)量最好(圖2),優(yōu)良率達(dá)99.5%;中度到重度污染空氣日數(shù)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(zhì)量最差,雖然沒有嚴(yán)重污染空氣,但是也沒有出現(xiàn)空氣質(zhì)量為優(yōu)的日期。

圖2 2014—2015年寧波市各類空氣質(zhì)量等級(jí)月變化

2.2 情景模擬

2.2.1 氣溫和降水

采用高分辨率區(qū)域氣候模式RegCM3、對(duì)A1B情景下的寧波平均氣溫、熱浪指數(shù)、年降水量的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)估,結(jié)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(duì)于1971—2000年氣候平均值),熱浪指數(shù)緩慢增加,年降水量變化不大(圖3)。

2.2.2 空氣質(zhì)量

用寧波市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行以下兩種情景模擬計(jì)算,第一種情景為按現(xiàn)有的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)估在未來(lái)各時(shí)間節(jié)點(diǎn)時(shí),可能出現(xiàn)的空氣質(zhì)量狀況;第二種情景為在未來(lái)各時(shí)間節(jié)點(diǎn)達(dá)到新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)(2017年,在現(xiàn)有基礎(chǔ)上主要空氣質(zhì)量指標(biāo)下降約3%;2020年,達(dá)到2012空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn);2025年,達(dá)到英國(guó)現(xiàn)有空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)),政府需要宏觀調(diào)控的排放系數(shù)。主要對(duì)SO2、NO2、PM10、PM2.5這4類污染物濃度進(jìn)行情景模擬,計(jì)算結(jié)果如下:

第一種情景模擬。如果污染源的排放強(qiáng)度按2014—2015年的增長(zhǎng)率,且不考慮人工治理的情況下,未來(lái)污染物濃度的變化趨勢(shì)(圖4)可見,未來(lái)10 a寧波市各污染物濃度還將呈穩(wěn)步上升趨勢(shì),2017年SO2、NO2的濃度將可能達(dá)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(dá)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(dá)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(shí)間節(jié)點(diǎn)污染物濃度增長(zhǎng)率基本在14%～17%之間。

圖3 RegCM3區(qū)域氣候模式預(yù)估的寧波市平均氣溫(a)、熱浪指數(shù)(b)、年降水量(c)的未來(lái)變化趨勢(shì)

圖4 2017年、2020年、2025年寧波市情景數(shù)值模擬的污染物濃度

圖5 2017年寧波市情景數(shù)值模擬的各季污染物濃度

第二種情景模擬。達(dá)到新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),需要宏觀調(diào)控的相關(guān)經(jīng)濟(jì)指數(shù)。氣象條件與污染物濃度關(guān)系非常密切,而寧波市各季節(jié)的天氣影響系統(tǒng)完全不同,因此,對(duì)達(dá)到空氣質(zhì)量新指標(biāo)對(duì)污染物排放要求或減排系數(shù)控制,進(jìn)行分季節(jié)模擬。首先是排放總量減少時(shí),污染物濃度可能出現(xiàn)的范圍。如果2017年污染物總量排放在現(xiàn)有基礎(chǔ)上減少約3%,情景模擬結(jié)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(jié)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(dá)到新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí),需要宏觀控制的排放總量,以PM2.5濃度為例,如果達(dá)到第一類標(biāo)準(zhǔn),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(shù)需要控制在0.88;如果達(dá)到第二類標(biāo)準(zhǔn),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(shù)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(shù)情景模擬

3 結(jié) 語(yǔ)

1)2014—2015年寧波市空氣質(zhì)量年變化不明顯,年均AQI為69,SO2、NO2濃度略超出國(guó)家一級(jí)濃度限值,PM10濃度基本為國(guó)家二級(jí)濃度限值上下,細(xì)顆粒物PM2.5的濃度超出國(guó)家二級(jí)限值達(dá)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(xiàn)冬季高、夏季低的季節(jié)特征。這與冬季我市易受來(lái)自北方外來(lái)輸入和大氣層結(jié)較穩(wěn)定,夏季大氣對(duì)流較旺盛有關(guān)。

2)RegCM3的A1B情景預(yù)估表明,未來(lái)30多年寧波氣溫年均增幅約0.06℃,城市的熱浪指數(shù)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(huán)流背景下,按現(xiàn)有的經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式,未來(lái)10 a寧波市各污染物濃度還將呈穩(wěn)步上升趨勢(shì),至2025年SO2、NO2的濃度將可能達(dá)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(shí)間節(jié)點(diǎn)污染物濃度增長(zhǎng)率基本在14%～17%之間。如需要達(dá)到新空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),則要減少排放總量或控制減排系數(shù),PM2.5各季節(jié)濃度值分別在40～90 μg/m3時(shí),寧波排放總量系數(shù)需要控制在0.88,如PM2.5濃度在20～45 μg/m3時(shí),則排放總量系數(shù)需要控制在0.4。

4)英國(guó)是曾受嚴(yán)重空氣污染困擾的國(guó)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(jīng)過50余年的不懈努力,英國(guó)空氣質(zhì)量現(xiàn)狀已基本達(dá)到2010年制定的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(2010—2020年),即PM2.5年均濃度已低于標(biāo)準(zhǔn)限值25 μg/m3。近幾年來(lái)寧波市SO2、NO2濃度的下降與政府全面落實(shí)排放總量削減目標(biāo)責(zé)任制、加大揚(yáng)塵污染控制行動(dòng)以及一系列對(duì)工業(yè)污染排放實(shí)行嚴(yán)格控制措施密切相關(guān)。但是,寧波經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展、人口日益集中、城市明顯擴(kuò)大,燃料消耗量的劇增,以及汽車保有量的增長(zhǎng)(2015年10月已達(dá)237萬(wàn)輛)等人為原因造成污染仍然十分嚴(yán)重,特別是顆粒物濃度的上升已抑制城市發(fā)展的進(jìn)程。

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