首屆聯(lián)合國世界地理信息大會(huì)的空氣質(zhì)量應(yīng)急管理研究*

路明 沈沉 李洪權(quán) 施金海 嵇浩翔

(1.德清縣氣象局，浙江 德清 313200；2.湖州市氣象臺(tái)，浙江 湖州 313000；3.德清縣環(huán)境保護(hù)局，浙江 德清 313200)

0 引 言

浙江省湖州市德清縣素有“名山之勝，魚米之鄉(xiāng)，絲綢之府，竹茶之地，文化之邦”的美譽(yù)。首屆聯(lián)合國世界地理信息大會(huì)于2018年11月19日在德清召開。隨著工業(yè)化的發(fā)展與人口數(shù)量的增多，我國各城市的大氣污染問題越來越嚴(yán)重。為了保障地信大會(huì)召開的空氣質(zhì)量，我們學(xué)習(xí)了關(guān)于APEC、互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)、G20等國際會(huì)議空氣質(zhì)量保障的相關(guān)研究[1-5]，發(fā)現(xiàn)單純地按空間距離來劃分保障區(qū)域及其管控措施具有一定的局限性，而如何在對(duì)生產(chǎn)生活影響最小的情況下保障空氣質(zhì)量，同時(shí)又能起到保障大會(huì)召開期間空氣質(zhì)量最好的效果，是應(yīng)在分析氣象大數(shù)據(jù)以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上制定針對(duì)符合德清大氣污染規(guī)律的措施。

國內(nèi)外學(xué)者利用了如軌跡模型[6]、BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型[7、8]等方法研究大氣污染規(guī)律及成因。然而，也有許多學(xué)者結(jié)合了氣象要素，從大氣循環(huán)[9]、逆溫層結(jié)構(gòu)、高濕天氣條件[10]、降雨[11、12]、高溫[13]、風(fēng)[14]等方面進(jìn)行分析。李宗楷等表明降水的重要性在于云內(nèi)的吸附過程和降水沖刷，降水強(qiáng)度大，清洗系數(shù)就大，大氣污染物濃度隨降水強(qiáng)度增大而迅速減少[15]。

由前人的研究可以發(fā)現(xiàn)，影響本地PM2.5等大氣污染物的擴(kuò)散和傳播的主要因素是適當(dāng)?shù)奶鞖鈼l件背景和外源輸送作用[16]。因此，結(jié)合氣象要素研究德清大氣污染物的規(guī)律和成因，為政府部門制定適當(dāng)?shù)拇髿猸h(huán)境保護(hù)政策與采取針對(duì)性的治理措施從而順利召開聯(lián)合國地理信息大會(huì)，有非常重要的意義。

1 資料與研究方法

1.1 資 料

PM2.5、PM10日最大值來自德清縣環(huán)境保護(hù)局與德清縣氣象局聯(lián)合發(fā)布的實(shí)況監(jiān)測數(shù)據(jù)。氣象實(shí)況觀測資料來自縣氣象局，包括塔山國家一般氣象觀測站(58454)日降水量、逐時(shí)極大風(fēng)向風(fēng)速等。HYSPLIT模式采用的氣象資料是在FNL全球分析資料基礎(chǔ)上，經(jīng)過美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室(ARL)處理后轉(zhuǎn)化成模式所需格式。

1.2 HYSPLIT模式

氣團(tuán)后向軌跡采用HYSPLIT-4.9模式繪制，該模式是ARL與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的后向軌跡模式，具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式，已被廣泛應(yīng)用于研究大氣污染物的輸送、擴(kuò)散與沉降[17]。

1.3 PM2.5和PM10標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)中PM2.5日均值一、二級(jí)限值分別為35、75；年均值一、二級(jí)限值分別為15、35。PM10日均值一、二級(jí)限值分別為50、150；年均值一、二級(jí)限值分別為40、70。

2 結(jié)果與討論

2.1 德清縣氣候特征

11月中下旬德清處于秋末時(shí)節(jié)，氣象條件總體較好，晴朗天氣較多，氣溫較適宜。根據(jù)1973—2017年氣象歷史資料分析，歷年平均雨量42.7 mm，降雨日數(shù)平均為6.7 d；平均氣溫10.7 ℃，歷史極端最高氣溫28.7 ℃(1998年)，極端最低氣溫-3.5 ℃(1993年)，平均最高氣溫20.6 ℃，平均最低氣溫2.3 ℃。同時(shí)，由于冷空氣活動(dòng)趨于頻繁，在這期間，易出現(xiàn)連陰雨、大霧、大風(fēng)、霾等不利天氣。

2.2 降水概率

本縣近10 a里，每年11月中下旬都會(huì)出現(xiàn)1～2次的連陰雨(連續(xù)3 d或以上日降雨量≥0.1 mm)。許多研究表明日雨量為中雨及以上時(shí)對(duì)凈化空氣，改善空氣質(zhì)量有顯著效果[18-20]，統(tǒng)計(jì)近45 a 11月11日—30日中雨及以上的逐日降水概率(圖1)，該段時(shí)間均未出現(xiàn)暴雨，可見出現(xiàn)可改善空氣質(zhì)量的降雨總概率均不高于20%，因此該時(shí)段的天氣條件不太利于大氣污染物的沉降。

圖1 德清縣近45 a(1973—2017年)11月中下旬降水概率統(tǒng)計(jì)

2.3 風(fēng)速、風(fēng)向頻率與污染物關(guān)系

圖2為2008—2017年7月、11月的風(fēng)玫瑰圖。7月風(fēng)向SSW的頻率為17.6%，風(fēng)向S的頻率為13.25%，東南風(fēng)基本為海上的清潔暖濕空氣，7月各氣象要素均有利于污染物擴(kuò)散；11月風(fēng)向NW頻率為12.85%，風(fēng)向NNW頻率為11.52%。考慮到污染源分布，PM2.5濃度在西北風(fēng)影響下濃度較高，偏東風(fēng)時(shí)濃度最低，因此11月份本地PM2.5濃度將有所增加[21、22]。

從2017年主要污染物PM2.5月平均變化(圖略)，明顯看出7月、8月為PM2.5濃度最低的兩個(gè)月，11月、12月PM2.5濃度快速增加，11月均值達(dá)到了46；12月均值為65，與風(fēng)向頻率結(jié)論一致。

2.4 近10 a大氣污染物變化特征

對(duì)2008—2017年11月11—30日期間霾天氣影響天數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，霾日總共出現(xiàn)了70 d，單日出現(xiàn)霾的氣候概率為35.0%。近10 a中有4 a霾日超過10 d，但近3 a霾日在2～3 d，呈顯著減少的趨勢。通過箱線圖對(duì)比2013—2017年11月中下旬PM2.5、PM10日均值(圖3)可見自2015年來通過不懈的治理，本縣的空氣質(zhì)量有顯著改善，并且近3 a的該時(shí)段均維持在二級(jí)濃度限值以內(nèi)。

圖2 2008年—2017年(a)7月、(b)11月風(fēng)玫瑰圖(風(fēng)頻每圈間隔為3%，風(fēng)速每圈間隔為0.6 m/s)

圖3 2013—2017年11月中下旬(a)PM2.5、(b)PM10日均值箱線圖

2.5 HYSPLIT模式后向軌跡計(jì)算

利用HYSPLIT模式選取200、1000、2000 m高度對(duì)本地進(jìn)行污染較為嚴(yán)重的2013、2014年的72 h的氣團(tuán)后向軌跡計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)本地的輸入性污染物均來自于北方地區(qū)(圖4)。李正等也研究表明杭州的污染氣團(tuán)主要來自局地輸送、西北(如京津冀和山東)、西南(如湖南、江西和安徽)地區(qū)[23]。

圖4 (a)2014年，(b)2013年11月19日8:00德清縣氣流后向軌跡圖

分析2014年11月19日08時(shí)本地大氣污染來源問題(圖4a)，發(fā)現(xiàn)從16日08時(shí)起，2000 m氣團(tuán)于俄羅斯境內(nèi)開始，途經(jīng)蒙古、華北重工業(yè)基地一直吹向本地；1000 m氣流于內(nèi)蒙古出發(fā)，沿西北向途經(jīng)河南、安徽等省進(jìn)入本地；200 m則途經(jīng)京津唐工業(yè)基地、山東、江蘇等地且風(fēng)速較慢，更容易攜帶污染物。由此可見，輸入性污染物主要來自北方地區(qū)，結(jié)合不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件，從而更容易造成大氣污染過程的發(fā)生。2013年(圖4b)1000 m和2000 m氣團(tuán)路徑幾乎一致，表明整層氣團(tuán)較為穩(wěn)定并更易攜帶污染物進(jìn)入本地；200 m氣團(tuán)源于京津冀工業(yè)基地，后進(jìn)入黃海，由上海拐入本地。由此可見，西北地區(qū)的輸入性污染物對(duì)本地空氣質(zhì)量起主要影響作用。

2.6 保障區(qū)域劃分

污染系數(shù)是用來表示污染程度的大小的物理量，其與受污染的時(shí)間和污染物濃度有關(guān)。它的計(jì)算公式如下：污染系數(shù)=風(fēng)向頻率/平均風(fēng)速?？諝馕廴鞠禂?shù)綜合了風(fēng)向和風(fēng)速的作用，代表了某方位下風(fēng)向空氣污染的程度。某方位下風(fēng)受污染的時(shí)間與該方位風(fēng)向頻率成正比，而污染濃度與該方位的平均風(fēng)速成反比。污染系數(shù)在廠址選擇和企業(yè)內(nèi)部布局中是一項(xiàng)重要的依據(jù)。故而，相對(duì)污染受體，污染源應(yīng)設(shè)在污染系數(shù)最小的方位的上側(cè)。該項(xiàng)研究對(duì)于開展大會(huì)期間空氣質(zhì)量應(yīng)急保障也具有很大的指導(dǎo)意義。

圖5 2008—2017年7月、11月各風(fēng)向下的污染系數(shù)

根據(jù)2008—2017年近10 a的7月、11月的風(fēng)頻、風(fēng)速數(shù)據(jù)，計(jì)算出這兩個(gè)月的污染系數(shù)(圖5)，則11月的污染系數(shù)大值區(qū)集中在偏北、偏西北風(fēng)向下，最大值為風(fēng)向WNW下的7.63；而7月的污染系數(shù)曲線與11月的有明顯差異，大值區(qū)集中在偏南、偏西南方向，最大值為風(fēng)向SSW下的8。因此大會(huì)保障區(qū)域的設(shè)置應(yīng)當(dāng)充分考慮污染系數(shù)。

前期的環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域如圖6a所示，以地信會(huì)議場館為中心，分別以30、50和100 km為半徑，劃定環(huán)境質(zhì)量保障核心區(qū)、嚴(yán)控區(qū)、管控區(qū)。然而此區(qū)域未能充分考慮污染物輸入這個(gè)重要因素，該時(shí)間段南向風(fēng)概率以及污染系數(shù)均較低，西北風(fēng)概率及污染系數(shù)為高值。在考慮近10 a偏北風(fēng)風(fēng)速最大值為8.2 ～11.2 m/s，以及至少12 h空氣污染應(yīng)急管理時(shí)間后，可以考慮將保障區(qū)域調(diào)整為：以德清為焦點(diǎn)，長軸為60、100、200 km的橢圓形(圖6b)。

3 應(yīng)急管控措施

由以上分析可見，僅監(jiān)控本地污染物來采取管控措施是滯后的，應(yīng)擴(kuò)大監(jiān)控范圍，尤其是監(jiān)控風(fēng)向上游城市，并根據(jù)新調(diào)整的保障區(qū)域，提前調(diào)研上游城市的主要污染點(diǎn)(企業(yè))進(jìn)行重點(diǎn)布控。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3095-2012)和《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)，按照上游城市空氣監(jiān)測結(jié)果和本地環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測結(jié)果，實(shí)行分級(jí)別、分強(qiáng)度的管控措施。

圖6 德清縣環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域

由于采用應(yīng)急管控措施后空氣質(zhì)量改善效果顯著，其后環(huán)境應(yīng)急措施被頻繁運(yùn)用于我國舉辦的各項(xiàng)國際或國內(nèi)盛會(huì)期間，例如在2010年上海世博會(huì)、2014年北京APEC會(huì)議、2015年大閱兵、2016年G20會(huì)議期間等，舉辦城市均采取了重點(diǎn)污染企業(yè)停限產(chǎn)、建筑工地停工等臨時(shí)管控措施，使盛會(huì)期間空氣質(zhì)量顯著改善，呈現(xiàn)出以“APEC藍(lán)”為典型代表的“盛會(huì)藍(lán)天”景象[24-25]。重大活動(dòng)大氣環(huán)境應(yīng)急管理在短期內(nèi)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的工業(yè)污染源、移動(dòng)污染源和面源提出了高強(qiáng)度、超常規(guī)的減排要求，雖然政策實(shí)施的時(shí)間短，但是影響面大。由于會(huì)前、會(huì)后與會(huì)中的管制壓力存在較大差異，這些污染企業(yè)可能在管制壓力較小的階段以高于常規(guī)水平的強(qiáng)度進(jìn)行生產(chǎn)、物流與污染排放，導(dǎo)致空氣質(zhì)量顯著下降，產(chǎn)生嚴(yán)重的補(bǔ)償效應(yīng)[26]。除了可能發(fā)生于盛會(huì)前后，企業(yè)的補(bǔ)償性排污行為還可能發(fā)生在盛會(huì)期間環(huán)境管理壓力有所減弱的夜間。

會(huì)議期間應(yīng)急減排措施卓有成效地證實(shí)大氣污染可防可控，區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控和嚴(yán)格依法治污是實(shí)現(xiàn)污染減排的有效方法。但是，會(huì)議期間的應(yīng)急減排畢竟是臨時(shí)行動(dòng)，短期強(qiáng)硬的防控措施要求高頻率、高覆蓋的環(huán)境監(jiān)管和高強(qiáng)度的環(huán)境執(zhí)法，污染反彈力度大，補(bǔ)償效應(yīng)難以全面防范和控制，必然導(dǎo)致環(huán)境管理成果不具有可持續(xù)性。要實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量的持續(xù)改善，需建立長效機(jī)制，把“應(yīng)急減排”變?yōu)椤俺B(tài)減排”，把“高壓執(zhí)法”變?yōu)椤俺B(tài)執(zhí)法”。因此，在轉(zhuǎn)變以高消耗、高投入、低產(chǎn)出的發(fā)展方式，從源頭上減排的同時(shí)，更要依靠區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控，建立協(xié)作機(jī)制，從區(qū)域總量上控制污染排放。這些工作要求長期投入和常規(guī)管理，形成長效的法規(guī)、規(guī)范、工作程序和資源投入，才能夯實(shí)環(huán)境管理成果。

4 結(jié) 語

本文結(jié)合降水概率、風(fēng)頻風(fēng)速和污染系數(shù)等氣象要素分析了德清近些年來11月中下旬的空氣質(zhì)量變化規(guī)律以及輸入性污染物的擴(kuò)散規(guī)律，并為地信大會(huì)環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域的劃分進(jìn)行了調(diào)整。本項(xiàng)研究結(jié)論呈交政府主要負(fù)責(zé)人和大會(huì)籌委會(huì)后被采納為本次大會(huì)的空氣保障方案。本文得出以下結(jié)論：

1)德清11月中下旬中雨以上概率較小，不利于大氣污染物沉降；11月以西北風(fēng)為主，易造成本地大氣輸入性污染；該時(shí)段霾天氣出現(xiàn)的概率較高。因此為了保證地信大會(huì)召開期間的空氣質(zhì)量，應(yīng)作出合適的應(yīng)急管理方案。

2)自2015年來德清PM2.5、PM10濃度均有明顯下降并控制在二級(jí)濃度限值內(nèi)。

3)根據(jù)污染較為嚴(yán)重的2013、2014年分析表明，本地的PM2.5、PM10濃度增大是因?yàn)槲鞅睔饬鲗⑼獾匚廴疚飩鬏斀?jīng)過本地，在不利的天氣形勢下，氣流下沉、大氣擴(kuò)散能力差、沉降作用不明顯，最終造成大氣污染事件的發(fā)生。

4)根據(jù)天氣條件以及污染系數(shù)的分布特點(diǎn)，在原有的環(huán)境質(zhì)量保障大氣保障區(qū)域方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行修訂，建議相關(guān)部門可根據(jù)修訂后的應(yīng)急預(yù)案針對(duì)不同污染程度和氣象狀況，采取在時(shí)間長度、地理范圍、參與主體范圍和減排強(qiáng)度上的由“輕”到“重”、由“少”到“多”的差別化應(yīng)急措施。