空氣質量保障措施的量化評估
——以杭州G20峰會為例

唐甲潔，陳敏東，高慶先，馬占云，李迎新

1.江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制重點實驗室，南京信息工程大學環(huán)境科學與工程學院 2.中國環(huán)境科學研究院

隨著我國經濟社會的飛速發(fā)展，工業(yè)化進程的突飛猛進，汽車保有量的不斷增加，生態(tài)環(huán)境承受著日益增長的壓力，以細粒子為主要成分的大氣灰霾污染和以臭氧為代表的光化學煙霧污染成為我國京津冀[1]、長三角[2]和珠三角[3]等城市群面臨的主要大氣環(huán)境問題?？諝赓|量的優(yōu)劣密切影響著人們的身體健康[4-5]和日常生活[6]，公眾對空氣質量的重視程度越來越高[7-8]。

近些年，我國許多特大城市陸續(xù)舉辦了多個具有國際影響力的大型活動和賽事，重大活動舉辦期間采取的具體環(huán)保措施決定著期間的空氣質量，如北京夏季奧林匹克運動會[9-11]、南京青年奧林匹克運動會[12-14]、北京亞太經濟合作組織(APEC)會議[15-18]、2015年北京閱兵[19-21]、深圳大學生運動會[22]和杭州國際經濟合作論壇(G20峰會)[23-26]等活動，均采取了工業(yè)點源限排、機動車限行等臨時強化減排措施和區(qū)域聯防聯控，措施實施期間空氣質量明顯改善。環(huán)境空氣質量除受到污染物排放影響外，氣象條件也與其有著很密切的關系，如高慶先等[27]研究發(fā)現在2014年APEC北京峰會強化措施實施前期，由于受到強勁的偏北氣流影響，整個華北地區(qū)空氣質量得到顯著改善；陳敏等[28]發(fā)現因為氣象條件不利，大氣環(huán)流的輸送擴散導致上海世界博覽會期間發(fā)生3次污染事件。

浙江省作為城市化快速發(fā)展地區(qū)，近年來組織開展了多個大型國際會議，2016年9月4—5日在杭州國際博覽中心舉辦G20峰會，部分學者針對G20峰會期間空氣質量變化進行觀測與研究，如毛敏娟等[26]利用觀測資料對比2015年9月、2016年8月與2016年9月浙江省空氣質量指數(AQI)及PM2.5濃度月均值，得出2016年9月污染物濃度最小的結論。筆者整理了G20峰會的管控措施與減排方案，運用統計學中時間序列法先橫向對比分析峰會保障措施實施前期、期間、后期杭州市11個站點PM2.5、PM10、O3、CO、SO2和NO2濃度變化特征，再縱向與2015年和2017年措施實施同期污染物情況做對比，并分析各類污染物在浙江省范圍內的空間分布特征，得出G20峰會保障措施的實施對空氣質量的影響。利用WRFSMOKECMAQ模型系統模擬并分析保障措施實施期間不同減排情景下PM2.5和O3濃度演變，通過不同減排情景的設置量化各類管控措施減排效果，揭示多種減排措施的實施對大氣污染物濃度及分布的影響，以期為改善重大活動期間空氣質量提供科學指導與技術支持。

1 研究方法與數據來源

1.1 杭州G20峰會保障措施

為保障杭州G20峰會期間空氣質量，浙江省及周邊城市于2016年上半年陸續(xù)發(fā)布各類環(huán)境質量保障方案，明確會期保障階段為2016年8月24日—9月6日，以杭州G20峰會主場館為中心，環(huán)境保護區(qū)域按半徑為50、100和300 km為參考，劃定3個區(qū)域，即核心區(qū)、嚴控區(qū)、管控區(qū)(圖1)，政府發(fā)布的多個空氣質量管控措施方案對不同保障區(qū)域有不同要求。

圖1 G20峰會浙江省環(huán)境保障區(qū)域Fig.1 Environmental guarantee area in Zhejiang Province during G20 Summit

通過對G20峰會保障期內針對各類污染源實施的減排管控措施進行歸納整理，將其劃分為工業(yè)源管控、電廠源管控、揚塵源管控、道路移動源管控，表1為各種排放源的具體管控措施。由表1可以看出，各項管控措施的實施能夠確保在核心區(qū)、嚴控區(qū)和管控區(qū)的一次污染排放量大大減少，這為會議期間空氣質量的改善奠定了堅實的基礎。

表1 G20峰會期間浙江省針對不同污染源管控措施

1.2 數據來源

各項污染物的數據來自中國環(huán)境監(jiān)測總站“全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺(http:l06.37.208.233:20035)”所發(fā)布的小時平均濃度數據和日平均濃度數據，從中選取浙江省11個市47個站點2015年、2016年和2017年8月10日—9月20日的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3濃度數據。

大氣污染物的數值模擬過程包括模擬區(qū)域模擬時段氣象背景的建立、大氣污染源清單的建立和空氣質量模擬。選用由美國環(huán)境預測中心(NCEP)等開發(fā)的中尺度天氣預報模式(Weather Research and Forecasting Model, WRF Model)作為氣象模式；由原MCNC(現由北卡羅來納大學接管)環(huán)境模型中心開發(fā)的目前應用廣泛的排放源處理模型SMOKE (Sparse Matrix Operator Kernel Emissions)作為大氣排放源清單處理模型；美國國家環(huán)境保護局及相關研究機構開發(fā)的適于處理多種污染物復合污染等復雜問題的第三代空氣質量模型CMAQ作為空氣質量模型，搭建了WRFSMOKECMAQ空氣質量模型系統。采用上海環(huán)境科學研究院開發(fā)的2014年自下而上的排放清單作為排放場，利用WRFSMOKECMAQ模型系統模擬計算G20峰會保障時期PM2.5和O3濃度。

2 結果與討論

2.1 保障措施對空氣質量的影響

2.1.1保障措施實施前期、期間和后期

為了研究G20峰會保障措施的實施對杭州市空氣質量的影響，參照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質量標準》[29]的污染物濃度限值，分析保障措施實施前期、期間(2016年8月24日—9月6日)和后期共42 d內杭州市濱江、朝暉五區(qū)、西溪、和睦小學、下沙、浙江農林大學、云棲、千島湖、城廂鎮(zhèn)、臨平鎮(zhèn)以及臥龍橋11個監(jiān)測站點PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3逐時濃度變化，結果如圖2所示。從圖2可以看出，整個研究期間各項污染物濃度演變呈起伏波動狀，PM2.5和PM10在措施實施期間出現過3次明顯的濃度驟增過程。

保障措施實施前期，8月10—13日各站點PM2.5濃度穩(wěn)定在20 μgm3左右，PM10濃度穩(wěn)定在40 μgm3左右，PM2.5與PM10濃度偏低且日夜差值較低；8月14日起濃度有升高趨勢；17、20、21日有PM2.5和PM10濃度高值。措施實施期間，8月29日出現第1次PM2.5和PM10濃度驟增過程；9月3日凌晨出現第2次濃度驟增；峰會召開期間，9月4日凌晨出現第3次濃度驟增，除3次PM2.5和PM10濃度驟增外，保障措施實施期內其他時間PM2.5和PM10濃度低并保持平穩(wěn)，日夜差值小。措施實施后期，9月7—14日與18日PM2.5與PM10濃度偏高，日夜差值大?？梢姡Ｕ洗胧┑膶嵤┯行Э刂屏薖M2.5與PM10。

3個時期O3濃度呈明顯的單峰型。措施實施前期，8月14日起，除千島湖站點外，其余10個站點O3濃度日變化幅度增大。措施實施期間，8月26日起O3濃度日變化幅度明顯降低，8月29日相對于PM2.5和PM10濃度的驟增，O3濃度驟減，9月5、6日O3濃度有降低過程，除千島湖站點外，其余站點濃度均符合O3一小時平均一級濃度限值。措施實施后期，9月8、9、12日多個站點午間O3濃度驟升。措施實施期間除個別時期某些站點NO2、CO或SO2濃度有不同程度驟增外，其余時期NO2、CO和SO2濃度明顯比措施實施前期與后期日夜差值小且濃度低，保障措施的實施使得NO2、CO和SO2濃度有一定程度的降低。

表2為措施實施前期、期間、后期各類污染物平均濃度。由表2可見，NO2濃度表現為后期>前期>期間，PM2.5、SO2和CO濃度表現為后期>期間>前期，PM10濃度表現為期間>后期>前期；保障措施對NO2的減排效果最為明顯，管控措施結束后，NO2出現反彈。與其余污染物相比較，O3較為反常，措施實施期間濃度遠超前期與后期。

表2 杭州市保障措施實施前期、期間、 后期各項污染物平均濃度

Table 2 Average concentration of pollutants in the early, middle and later periods of implementation of guarantee measures in Hangzhou μgm3

階段PM2.5PM10NO2SO2COO3實施前期27.4042.1320.538.1360083.39實施期間30.9547.1917.429.23640108.72實施后期31.3545.9629.009.6969070.20

一個地區(qū)的氣候條件和地形地貌對空氣質量有著顯著的影響，污染物濃度與當時的天氣背景有著密切的聯系。從氣象角度分析，措施實施前期，杭州受副熱帶高壓影響，出現了持續(xù)的晴熱高溫天氣，這使得白天邊界層高度抬升，湍流增強，有利于污染物在垂直方向上的擴散[30]，前期杭州地區(qū)主導風向為偏東風和東北東風，氣流相對潔凈，污染傳輸相對較少，因此觀測到的保障措施實施前期PM2.5、SO2、CO和PM10平均濃度均小于后期和期間，前期PM2.5與PM10濃度更易達到一級標準。在措施實施期間，受到靜穩(wěn)天氣和外來傳輸的影響，PM2.5、SO2、CO和PM10濃度平均值較實施前期有所上升[30]。措施實施后期，9月9—10日受靜穩(wěn)天氣和污染源恢復常態(tài)的影響，杭州各污染物濃度(除O3和PM10外)出現了整個研究時段的最大值,9月15—16日，受臺風“莫蘭蒂”影響，杭州PM2.5、PM10和O3濃度出現了整個研究階段最低值。

減排措施一方面使得NOx等前體物濃度下降，抑制O3生成；另一方面大氣中污染物濃度下降，有利于太陽輻射增強，從而促進O3生成。保障措施實施期間，即使O3前體物濃度很低，但在強太陽輻射等氣象條件驅動下[31]，近地面仍會呈現O3濃度高的現象。在措施實施后期，在臺風影響下，降水增多，輻射條件較差，不利于O3的生成和累積。

2.1.2不同保障區(qū)域在保障措施實施期間與2015年和2017年同期對比

表3為核心區(qū)、嚴控區(qū)和管控區(qū)在保障措施實施期間各類污染物濃度與2015年和2017年同期的對比。由表3可見，與2015年相比，2016年核心區(qū)NO2、SO2、PM2.5、CO和PM10濃度降幅分別為56.72%、51.59%、46.88%、31.52%和12.69%；嚴控區(qū)上述污染物濃度降幅減小，但依舊明顯；管控區(qū)只有PM2.5、SO2和NO2濃度降幅為正且降幅絕對值小，總體來說，大部分污染物濃度2016年的降幅均呈現核心區(qū)>嚴控區(qū)>管控區(qū)的特征，這表明核心區(qū)較為嚴格的管控措施更能提高空氣質量。2016年核心區(qū)NO2、PM2.5、CO和PM10濃度明顯低于2017年；嚴控區(qū)只有PM10和CO濃度低于2017年，且降幅絕對值低；管控區(qū)2016—2017年污染物降幅都為正值，說明2017年這些污染物濃度降低，這與杭州近年來在環(huán)保方面加大監(jiān)管力度，積極提高空氣質量有著密不可分的關系。O3濃度變化規(guī)律與其他污染物濃度變化呈負相關。

表3 不同保障區(qū)域措施實施期間同期3年污染物平均濃度與差值

Table 3 Average concentration and difference of pollutants in the same period of three years during the implementation of measures in different guarantee areas μgm3

表3 不同保障區(qū)域措施實施期間同期3年污染物平均濃度與差值

控制分區(qū)時間PM2.5PM10SO2NO2COO3核心區(qū)2015年57.9379.3718.9736.0292097.972016年30.7769.309.3915.59630110.122017年38.6879.078.3420.4275078.412015—2016年降幅∕%46.8812.6951.5956.7231.52-12.402016—2017年降幅∕%-25.71-14.1011.18-30.98-19.0528.80嚴控區(qū)2015年52.9872.5818.9529.9488098.332016年39.0658.0312.6627.74710105.992017年40.1157.298.4723.9274072.812015—2016年降幅∕%26.2720.0533.177.3519.32-7.79 2016—2017年降幅∕%-2.691.2833.1213.77-4.2331.30管控區(qū)2015年33.5149.69 8.8420.6073080.832016年31.0750.798.4516.53800101.582017年29.8647.376.9514.8559069.562015—2016年降幅∕%7.28-2.214.4119.76-9.59-25.67 2016—2017年降幅∕%3.896.7317.7511.3126.2531.52

2.2 G20峰會保障措施實施期間浙江省污染物模擬研究

2.2.1減排情景設置

根據杭州G20峰會保障措施具體實施情況，針對重點管控的工業(yè)、電廠、道路移動和揚塵4類污染源設置6種減排情景(表4)，各污染源具體減排措施如表5所示。利用WRFSMOKECMAQ模型模擬6種減排情景下浙江省PM2.5和O3濃度，分析不同污染源管控措施的實施對空氣質量的影響。

表4 6種減排情景

表5 工業(yè)源、電廠源、揚塵源和道路移動源減排情景設置

2.2.2保障措施實施期間PM2.5模擬結果

模擬6種減排情景下保障措施實施期間浙江省PM2.5濃度分布，在情景1沒有實施任何保障措施情況下，浙江省PM2.5濃度為20～50 μgm3，核心區(qū)內杭州市中心有PM2.5濃度高值區(qū)，最高值超過40 μgm3，以杭州市中心向外擴散PM2.5濃度呈降低趨勢，北至湖州市、嘉興市中部，南至杭州中部，PM2.5濃度大于35 μgm3，超過日平均濃度一級限值；嚴控區(qū)內衢州市西部常山縣和金華市南部也有PM2.5濃度高值區(qū)，最高值超過35 μgm3；管控區(qū)內溫州市中部與臺州市中部近海處PM2.5濃度有2個高值區(qū)，PM2.5濃度最高值超過40 μgm3，溫州市高值區(qū)范圍較大，這跟近海區(qū)商業(yè)繁華有關，麗水市南部慶元縣有一處高值區(qū)，此外，溫州市、麗水市和臺州市出現零散PM2.5濃度高值點，超過PM2.5日平均濃度一級限值。情景2時核心區(qū)內杭州市中心PM2.5濃度高值區(qū)范圍縮小，PM2.5濃度控制在35 μgm3內；嚴控區(qū)衢州市和金華市的PM2.5濃度高值區(qū)不明顯；管控區(qū)PM2.5濃度高值區(qū)PM2.5濃度略微下降。情景2下核心區(qū)與嚴控區(qū)PM2.5濃度整體比管控區(qū)低，核心區(qū)與嚴控區(qū)嚴格的管控措施對PM2.5排放起到有效的抑制作用。情景3的PM2.5分布情況與情景2相似，情景4～情景6除杭州市中心PM2.5濃度有輕微下降外，PM2.5濃度分布狀況與情景1相似。

圖3為模擬得到的保障措施實施期間實行各類減排措施與無減排措施時PM2.5濃度差值。由圖3(a)可知，對工業(yè)、電廠、揚塵和道路移動源均做減排時，浙江省包括浙江省周邊PM2.5濃度均降低，浙江省核心區(qū)與嚴控區(qū)PM2.5濃度降幅明顯，大部分地區(qū)降幅達3 μgm3以上，杭州市中心、衢州市常山縣和金華市南部PM2.5濃度高值區(qū)中心降幅最強，PM2.5濃度降低10 μgm3，寧波市東部PM2.5濃度降幅達7 μgm3，管控區(qū)降幅低，大部分地區(qū)降幅為2 μgm3，溫州市與臺州市中部近海岸PM2.5濃度高值區(qū)降幅達7 μgm3。由圖3(b)可以看出，模擬對工業(yè)源進行管控措施時，核心區(qū)與嚴控區(qū)PM2.5濃度均降低，核心區(qū)與嚴控區(qū)除寧波市外其他地區(qū)降幅達4 μgm3以上，杭州市中心、衢州市常山縣和金華市南部PM2.5濃度降幅可達12 μgm3，對工業(yè)源做管控措施時，核心區(qū)與嚴控區(qū)PM2.5濃度降幅比情景2降幅更為明顯。管控區(qū)南部浙江省邊界線處，有極少部分地區(qū)PM2.5濃度增高，其余地區(qū)PM2.5濃度降幅與情景2相差不大，工業(yè)污染源管控措施對核心區(qū)與嚴控區(qū)降低PM2.5濃度有很大的作用。由圖3(c)和圖3(e)可知，模擬對電廠源或揚塵源實施管控措施時，核心區(qū)與嚴控區(qū)大部分區(qū)域PM2.5濃度只降低1～3 μgm3，管控區(qū)臺州市和舟山市大部分地區(qū)PM2.5濃度降低1～2 μgm3，麗水市和溫州市PM2.5濃度升高，溫州市南部甚至升高2 μgm3以上，對電廠源或揚塵源實行管控措施只能略微抑制核心區(qū)與管控區(qū)PM2.5的排放。由圖3(d)可以看出，模擬對道路移動源減排后整個浙江省PM2.5濃度只降低1～2 μgm3。

圖3 浙江省在保障措施實施期間各減排情景與無減排PM2.5濃度差值Fig.3 Distribution of PM2.5 concentration difference between emission reduction scenarios and non-emission reduction during the implementation of guarantee measures in Zhejiang Province

模擬G20峰會保障措施實施期間平均O3濃度分布，在不實施減排措施時，核心區(qū)O3濃度為25～60 μgm3，核心區(qū)O3濃度高值區(qū)范圍廣，嚴控區(qū)O3濃度降低，管控區(qū)O3濃度最低。與模擬得出的PM2.5濃度分布相反，杭州市中心、衢州市中部、金華市南部、溫州市中部近海岸和臺州市中部近海岸PM2.5濃度高值區(qū)對應O3濃度低值區(qū)，這與分析污染物濃度歷史資料時觀測到的PM2.5與O3濃度呈負相關的現象相似。情景2～情景6模擬出的O3分布狀況與情景1分布狀況基本一致，O3濃度只有小范圍變化。

保障措施實施期間浙江省O3濃度差值見圖4。由圖4(a)可知，對4種污染源均采取減排措施時，浙江省內核心區(qū)與嚴控區(qū)O3濃度升高1～7 μgm3，杭州市O3濃度升幅明顯，管控區(qū)O3濃度降低1～2 μgm3。核心區(qū)與嚴控區(qū)較強的管控措施執(zhí)行力度反而使得O3濃度升高。圖4(b)顯示，模擬對工業(yè)源實施減排措施時，核心區(qū)內杭州市東部與紹興市O3被抑制，O3濃度降低1～5 μgm3，杭州市西部O3濃度升高1～3 μgm3；嚴控區(qū)湖州市、嘉興市和寧波市O3濃度降低，衢州市和金華市大部分地區(qū)O3濃度略有升高；管控區(qū)麗水市和溫州市O3濃度升高1～3 μgm3，對工業(yè)源的減排使得浙江省核心區(qū)與管控區(qū)東部地區(qū)O3濃度降低，抑制O3污染空氣質量。模擬對電廠源或揚塵源實施減排措施時〔圖4(c)和圖4(e)〕，O3濃度升值區(qū)域和降值區(qū)域與對工業(yè)源減排后相似，但O3濃度升值區(qū)升幅高，升高1～3 μgm3，降值區(qū)降幅低，降低1～3 μgm3，浙江省東北部O3濃度降幅小，西南部O3濃度升幅大，對電廠源或揚塵源減排只能略微抑制核心區(qū)與嚴控區(qū)部分地區(qū)O3排放。由圖4(d)可知，模擬對道路移動源減排時核心區(qū)O3濃度升幅最高，升高1～6 μgm3，嚴控區(qū)O3濃度升高1～4 μgm3，管控區(qū)麗水市與溫州市部分地區(qū)O3濃度降低。

圖4 浙江省在保障措施實施期間各減排情景與無減排O3濃度差值Fig.4 Distribution of O3 concentration difference between emission reduction scenarios and non-emission reduction during the implementation of guarantee measures in Zhejiang Province

總結模擬結果，對工業(yè)源做管控措施能有效抑制PM2.5和O3排放，對電廠源或揚塵源實行管控措施只能略微抑制PM2.5和O3排放。為有效抑制PM2.5和O3排放，應著眼于治理工業(yè)污染，如停產未安裝廢氣收集裝置以及廢氣沒達標的企業(yè)和強化煤炭質量控制等，同時在不影響民生的前提下，對電廠污染及城市揚塵污染進行治理，如實施超低排放的燃煤電廠優(yōu)先發(fā)電，發(fā)展清潔能源，加強城市道路清掃和灑水的頻次和強度，建筑工地和拆遷工地實施封閉管理，推進“綠色混凝土攪拌站”建設和控制餐飲油煙等。對道路移動源實施管控措施對于PM2.5排放影響不大，但使核心區(qū)與嚴控區(qū)O3濃度升高明顯，因此如何對道路移動源做管控實施使PM2.5與O3得到共同抑制還需做進一步探討。

3 結論

(1)2016年G20峰會保障措施實施期間，大部分時間各站點污染物濃度明顯比前期和后期峰谷差值小，濃度較穩(wěn)定。措施實施前期、期間、后期各類污染物平均濃度相比較，NO2濃度表現為后期>前期>期間，保障措施對NO2的減排效果非常明顯；PM2.5、SO2和CO濃度表現為后期>期間>前期，PM10濃度表現為期間>后期>前期；O3較為反常，期間濃度遠超前期與后期。

(2)與2015年相比，2016年大部分污染物濃度降幅均表現為核心區(qū)>嚴控區(qū)>管控區(qū)；2017年保障措施實施同期，核心區(qū)NO2、PM2.5、CO和PM10濃度較2016年增高，2016年G20峰會保障期間管控措施有效提高了核心區(qū)與嚴控區(qū)空氣質量。O3濃度變化與其他污染物濃度呈負相關。

(3)模擬對工業(yè)、電廠、揚塵和道路移動源均做減排時，核心區(qū)與嚴控區(qū)PM2.5濃度降幅明顯，PM2.5濃度高值區(qū)PM2.5濃度降幅大；工業(yè)源管控措施對核心區(qū)與嚴控區(qū)降低PM2.5濃度有很大的作用；模擬對電廠源或揚塵源實施管控措施時，核心區(qū)與嚴控區(qū)大部分區(qū)域PM2.5濃度略微降低，管控區(qū)麗水市和溫州市PM2.5濃度升高；模擬對道路移動源減排時，整個浙江省PM2.5濃度只降低1～2 μgm3。

(4)模擬對4種污染源均采取減排措施，核心區(qū)與嚴控區(qū)較強的管控措施執(zhí)行力度反而使得O3濃度升高；對工業(yè)源的減排使浙江省核心區(qū)與管控區(qū)東部地區(qū)O3濃度降低；對電廠源或揚塵源減排只能略微抑制核心區(qū)與嚴控區(qū)部分地區(qū)O3排放；對道路移動源減排時，核心區(qū)和嚴控區(qū)O3濃度升高。為有效抑制PM2.5和O3排放，應著眼于治理工業(yè)污染，同時在不影響民生的前提下，對電廠污染及城市揚塵污染進行治理。