武漢地區(qū)疫情管控期間空氣質(zhì)量變化及改善措施研究

陳楠 張周祥 李濤 祝波 許可 操文祥 丁青青 蘭博 王莉莉 李贏杰 蔡鵬 陶明輝

1 湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站，武漢 430070

2 湖北省大氣復(fù)合污染研究中心，武漢 430078

3 潛江市環(huán)境科學研究院，湖北潛江 433100

4 中國科學院大氣物理研究所，北京 100029

5 武漢雷特科技有限公司，武漢 430223

6 中國地質(zhì)大學（武漢），武漢 430074

1 引言

大氣污染是我國政府和社會廣泛關(guān)注的重大環(huán)境問題。近幾十年來，由于快速發(fā)展的城市化和工業(yè)化活動造成的人為污染排放急劇增加（Zheng et al.,2018），我國主要城市存在嚴重的空氣污染問題，并且具有一次排放和二次轉(zhuǎn)化均占比較高的典型復(fù)合污染特征（朱彤等,2010）。高濃度的細顆粒物（PM2.5）不僅在我國中東部地區(qū)經(jīng)常引發(fā)大范圍的霧霾天氣（Tao et al.,2013），導致較低能見度妨礙日常生活，并且對人體健康具有顯著危害（陳楠等,2016）；為應(yīng)對日益嚴重的顆粒物污染問題，我國2013年9月制定并實施《大氣污染防治行動計劃》，空氣質(zhì)量取得顯著改善，PM2.5濃度持續(xù)下降（姚雪峰等,2018）；但是隨著機動車數(shù)量的快速增長，氮氧化物（NOx）和揮發(fā)性有機物（Volatile Organic Compounds,VOCs）造成的以臭氧（O3）為代表的光化學污染問題日益突出；在光照條件較好、溫度較高的夏秋季節(jié)，在京津冀、長三角以及珠三角地區(qū)存在普遍的區(qū)域性臭氧污染（蔣美青等,2018）；同時，雖然我國重點城市的PM2.5濃度年均值基本都降到了75 μg/m3以下，但在靜穩(wěn)天氣較多、對流擴散較弱的冬季，仍然存在較重的PM2.5污染。

我國空氣質(zhì)量問題研究主要集中在經(jīng)濟發(fā)達、人口密集的京津冀、長三角、珠三角地區(qū)；相比之下，目前華中地區(qū)尤其是湖北的大氣污染研究較少；湖北省空氣質(zhì)量處在污染較重的華北與較輕的華南之間（陳楠等,2017），近十幾年來，省內(nèi)空氣質(zhì)量受減排政策和經(jīng)濟活動影響，大氣污染排放的時空分布具有較大變化（Tao et al.,2016），區(qū)域內(nèi)差異顯著（Li et al.,2020）；2015 年后，湖北地區(qū)的顆粒物濃度高值主要集中在省內(nèi)中部地區(qū)（陳楠等,2018），而 NOx和 O3污染主要集中在東部的武漢地區(qū)；同時，湖北地區(qū)地形和氣象條件復(fù)雜，三面環(huán)山、空氣濕度較高、逆溫天氣普遍，并受區(qū)域污染高空傳輸影響（陳楠等,2019; Tao et al.,2020）。

武漢作為湖北省唯一的人口過千萬的特大城市，機動車保有量2019年超過330萬，并且具有較多鋼鐵、化工等大型工業(yè)排放源；2020年1月下旬因疫情武漢地區(qū)實行了嚴格的交通限制，城區(qū)機動車排放受到最大限度削減；已有觀測顯示，與1月管控前相比，2020年2月中國東部的大氣成分發(fā)生了顯著變化（樂旭等,2020; Zheng et al.,2020）。本文基于該地區(qū)空氣質(zhì)量常規(guī)站網(wǎng)和湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站大氣超級站監(jiān)測，研究了2020年1～4月期間武漢地區(qū)主要的大氣污染物變化，評估疫情管控措施對大氣污染物排放的影響，并且探討武漢地區(qū)未來空氣質(zhì)量的改善途徑。

2 數(shù)據(jù)資料

自2013年《大氣污染防治行動計劃》實施以來，湖北及武漢地區(qū)逐步建立了空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和完善的大氣超級站（圖1）。本文使用武漢市常規(guī)空氣質(zhì)量國控站點監(jiān)測的PM2.5、PM10、NO2、SO2和CO的小時濃度數(shù)據(jù)，以及O3日最大8小時滑動平均第90百分位濃度平均值數(shù)據(jù)，對比分析2020年1月23日管控前后、3月11日武漢開始復(fù)工以及4月8日武漢城區(qū)開放通行后主要大氣污染物的變化，并且與2019年同期大氣污染物濃度進行比對，評估管控措施變化對武漢地區(qū)空氣質(zhì)量的影響；同時，基于湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心站大氣超級站的VOCs和顆粒物組分監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同大氣污染物排放的變化；其中PM2.5的水溶性組分使用瑞士萬通公司生產(chǎn)的MARGA 1S，有機碳（OC）與元素碳（EC）使用美國SUNSET 公司的RT-4，重金屬元素由江蘇天瑞儀器股份有限公司生產(chǎn)EHM-X200測量，VOCs使用武漢天虹公司生產(chǎn)的TH-300B大氣揮發(fā)性有機物快速連續(xù)自動監(jiān)測系統(tǒng)測量。大氣超級站PM2.5中的礦物塵、海鹽、有機物和痕量金屬元素的化學組分重構(gòu)計算如表1所示。

歐洲空間局2017年發(fā)射的哨兵五號衛(wèi)星上搭載的 TROPOMI（TROPOspheric Monitoring Instrument）傳感器可在紫外到短波紅外進行高光譜觀測，基于氣體吸收探測大氣中NO2、SO2、CO等痕量污染氣體濃度（https://s5phub.copernicus.eu [2020-05-01]）。TROPOMI的空間分辨率高達 7 km×3.5 km，對小的污染點源具有較強的敏感性（Griffin et al.,2019），可用來評估城市尺度的人為排放。此外，為了考慮氣象條件對污染物濃度變化的影響，分析了大氣超級站的紫外太陽輻射、風速、溫度和相對濕度的小時數(shù)據(jù)。

表1 湖北大氣超級站化學組分重構(gòu)計算Table 1 Calculation method of the reconstitution of chemical components at the Hubei superstation

圖1 武漢的（a）地理位置及（b）空氣質(zhì)量監(jiān)測站點分布Fig.1 (a) Geographical location and (b) distribution of air quality monitoring stations of Wuhan

3 結(jié)果與分析

3.1 氣象條件

與2019年同期相比，2020年1～4月武漢地區(qū)的氣象條件具有較大變化（圖2）；尤其是2月，紫外太陽輻射是去年同期的2～4倍，2020年2月武漢的地面溫度顯著高于2019年2月同期，地面平均溫度比去年同期增長了5～10°C；并且在高溫、強日照的天氣下，相對濕度同比下降了約20%～50%；2月上半月風速變化不大，在2月15日具有強風（約8 m/s）天氣，并且下旬風速（約4 m/s）高于去年同期。相比之下，2020年1月、3月、4月的風速雖然與2019年同期相比具有不同的變化過程，但是總體處在相近水平。

3.2 光化學污染

2013年我國《大氣污染防治行動計劃》實施以來，湖北地區(qū)的大氣污染排放發(fā)生了較大變化，顆粒物濃度顯著下降，但是隨著機動車數(shù)量的快速增長，武漢地區(qū)的NOx濃度有所升高（Li et al.,2020）。武漢地區(qū) 2020年 1月 23日前的 NO2濃度與2019年同期相比變化不大（圖3）。2020年1月23日武漢地區(qū)實行交通管制，20～26日期間NO2濃度從 76 μg/m3下降至 11 μg/m3。2019 年春節(jié)假期期間（2月5～11日）和2020年春節(jié)假期期間（1月25～31日）武漢地區(qū)的NO2濃度均為當年1～4月時期的最低值。雖然武漢中心城區(qū)在2020年1月26日起禁止機動車出行，但武漢的NO2在1月底具有顯著的增長過程，主要由濕度較大、風速較小的持續(xù)靜穩(wěn)氣象條件引起（圖2）。2020年1月23日至4月8日，武漢地區(qū)NO2平均濃度（22 μg/m3）遠低于 2019 年同期（47 μg/m3），同比下降53.2%，尤其是期間沒有出現(xiàn)2019年2～3 月內(nèi) NO2積聚過程（最高 83 μg/m3）。4 月8日武漢城區(qū)開放通行后，NO2濃度快速上升，但是仍低于2019年同期水平，表明受疫情防控影響，武漢城區(qū)機動車出行低于同期。

圖2 2019 年與 2020 年 1～4 月武漢（a）UV-A 通道輻射、（b）溫度、（c）濕度、（d）風速變化Fig.2 Variations of (a) UV-A radiation,(b) temperature,(c) relative humidity,and (d) wind speed in Wuhan from Jan to Apr in 2019 and 2020

圖3 2019 年與 2020 年 1～4 月武漢城區(qū) NO2濃度變化Fig.3 Changes of NO2 concentration in Wuhan City from Jan to Apr in 2019 and 2020

武漢地區(qū)的VOCs濃度變化與NO2具有顯著的一致性（圖4），但是下降幅度低于管控期間NO2的下降幅度，2020年管控期間武漢的VOCs相對于2019年同期下降幅度為25.1%，與機動車源貢獻的VOCs占比低于機動車貢獻的NOx占比有關(guān)。在2020年1月交通管制前，武漢地區(qū)的總的VOCs濃度與去年同期相近，變化范圍在40～80 ppb（1 ppb=10?9）之間，并且與 NO2一樣具有明顯的積聚過程；其中烷烴在武漢VOCs所占比例最大，平均濃度下降23.8%，光化學活性較?。℉ui et al.,2020），而具有較大臭氧生成潛勢的烯烴平均濃度下降了44.1%，但是芳香烴并沒有顯著變化；與城區(qū)交通開放后大幅上升的NO2不同，VOCs濃度反而有所下降，說明武漢地區(qū)交通排放恢復(fù)對VOCs的貢獻有限，交通管制后的VOCs下降與主要與相關(guān)排放企業(yè)的停工或減產(chǎn)有關(guān)。

雖然在2020年管控期間O3的前體物NOx和VOCs都具有明顯下降，但是武漢地區(qū)管控期間O3濃度不僅沒有下降，反而升高了16.5%（圖5）；尤其是2020年1月23日至2月29日O3濃度（ 101 μg/m3） 比 2019 年 同 期 （ 73 μg/m3） 高38.4%，并且1月23日以前、3月1日至4月8日期間O3濃度也略高于去年同期；4月8日城區(qū)開放后O3濃度與去年同期相近，變化不大；在2019年和2020年的1～4月，隨近地面溫度和紫外太陽輻射的逐漸增長（圖2），O3生成速率增加，并且濃度穩(wěn)步增長；盡管2020年2月NOx和VOCs排放下降，但顯著高于去年同期的近地面溫度和紫外輻射可大幅增加 O3生成速率（Wang et al.,2019）；同時，由于城區(qū)機動車禁行造成的NO大幅下降也會減弱夜間臭氧的滴定效應(yīng)，增強O3白天時段的持續(xù)積聚；O3生成中NOx和VOCs濃度的非線性關(guān)系具有重要影響，須考慮NOx和VOCs活性種類的協(xié)同減排。

圖4 （a）2019 年與（b）2020 年 1～4 月武漢城區(qū)揮發(fā)性有機物（VOCs）濃度變化Fig.4 Changes of Volatile Organic Compounds (VOCs) concentration in Wuhan City from Jan to Apr in (a) 2019 and (b) 2020

圖5 2019年與2020年1～4月武漢城區(qū)O3日最大小時濃度均值變化Fig.5 Changes of O3 concentration in Wuhan City from Jan to Apr in 2019 and 2020

3.3 顆粒物污染

管控期間機動車禁行政策為評估武漢地區(qū)機動車排放對PM2.5的實際貢獻提供了客觀參考。與O3相反，由于溫度較低時對流擴散作用較弱，PM2.5濃度冬季最高，并且隨著溫度升高PM2.5濃度逐漸降低（圖6）。PM2.5濃度的變化趨勢與NO2、VOCs一致，與2019年同期PM2.5平均濃度（59 μg/m3）相比，2020年管控期間武漢的PM2.5平均濃度（38 μg/m3）降低了35.6%；需要注意的是在管控前PM2.5相比去年同期也有大幅下降，這主要與顆粒物的持續(xù)減排以及氣象條件有關(guān)（Li et al.,2020）；與 NO2和 VOCs濃度明顯下降不同，2020年管控期間PM2.5濃度同比下降的時段主要集中在3月中旬前，并且除2月中下旬風速較大的時間段外（圖2），顆粒物的下降幅度較小，表明冬季機動車禁行對武漢地區(qū)顆粒物下降的實際貢獻有限；尤其是隨著3月中旬白天最高氣溫上升到20°C以上，NOx轉(zhuǎn)化為顆粒物的程度減弱，PM2.5濃度與去年同期相近；說明雖然疫情期間嚴格的交通管控最大限度減少了機動車排放，但工業(yè)生產(chǎn)等主要污染排放仍存在（Zhang et al.,2015）。

圖6 同圖3，但為 PM2.5Fig.6 Same as Fig.3,but for PM2.5

圖7 同圖3，但為 SO2Fig.7 Same as Fig.3,but for SO2

圖9 （a）2019 年與（b）2020 年 1~4 月武漢地區(qū) PM2.5 組分濃度變化Fig.9 Changes of PM2.5 component concentration in Wuhan City from Jan to Apr in (a) 2019 and (b) 2020

人為SO2排放主要源于工業(yè)燃煤，是顆粒物的重要來源。我國2006年開始實行脫硫政策后，武漢地區(qū)的SO2濃度持續(xù)下降，目前處在較低的濃度水平（Li et al.,2020）。2020 年 1 月 22～28日（春節(jié)），武漢地區(qū)的SO2維持在5 μg/m3，并在 1月 31日上漲至 11 μg/m3（圖7）；與大幅下降的NO2濃度不同，2020年 2月 SO2濃度與2019年相比變化不大，并且在3月、4月略高于去年同期，管控期間SO2濃度由去年同期的9 μg/m3下降到8 μg/m3，說明疫情期間與SO2排放關(guān)聯(lián)的工業(yè)活動排放并未明顯減少；同時，PM2.5濃度與去年同期氣象條件相近的3月同比變化不大，說明管控期間武漢地區(qū)除機動車排放大幅下降外，主要大氣污染源的排放仍處在與往常相近水平。

衛(wèi)星遙感可從區(qū)域尺度反映大氣污染排放量的空間變化。TROPOMI的對流層NO2柱濃度顯示（圖8），2019年冬季武漢城區(qū)及周邊鄂州等地存在顯著的NO2高值區(qū)，并與地面濃度一致，在春季隨著溫度升高逐漸降低；2020年1月武漢地區(qū)的NO2濃度明顯低于去年同期；與2019年2～3月的NO2濃度相比，2020年管控期間武漢城區(qū)NO2高值區(qū)（＞1.5×1016mol/cm2），主要分布在武漢的工業(yè)區(qū)，城區(qū)其他區(qū)域大幅下降；自3月11日起復(fù)工開始，武漢城區(qū)的NO2開始升高，并且在4月8日后恢復(fù)至接近去年同期水平。

PM2.5組分變化顯示了不同排放源貢獻的變化（圖9）。與已有研究一致（Zhang et al.,2015），武漢地區(qū)在溫度較低的冬季，硝酸鹽在顆粒物中占有較大比重，其次為硫酸鹽和有機氣溶膠；2020年1月23日后，武漢地區(qū)的NO2濃度下降超過50%，但是武漢地區(qū)的硝酸鹽在1月下旬和2月初濃度仍在20 μg/m3左右，同比下降不明顯，在2月6日后，硝酸鹽的濃度下降到10 μg/m3內(nèi)；3月中旬后，武漢城區(qū)的硝酸鹽濃度顯著上升，之后隨著春季溫度上升有所下降，但是和2019年同期濃度相近，說明在NO2大幅下降的背景下，武漢地區(qū)HONO、VOCs、O3等氧化前體物對硝酸鹽的轉(zhuǎn)化并未受到明顯限制，期間NO2的直接下降對硝酸鹽生成轉(zhuǎn)化影響較小（Wang et al.,2014）；相比之下，在靜穩(wěn)天氣下，2020年1月中下旬的硫酸鹽濃度也在20 μg/m3左右，遠高于2019年相同時段，并且在管控期硫酸鹽濃度和2019年相比并未有明顯變化；此外，武漢地區(qū)PM2.5其他組分的濃度在疫情期間的變化不大，表明PM2.5中硫酸鹽及其他組分的生成并未受到管控后交通排放減少的影響，其前體物的排放并未有明顯的變化。因此，為了降低武漢地區(qū)的PM2.5濃度，需在控制一次排放源的基礎(chǔ)上，對重點顆粒物組分生成的關(guān)鍵前體物進行針對性協(xié)同減排。

4 結(jié)論與討論

作為華中地區(qū)最大的城市，武漢地區(qū)面臨著復(fù)雜的大氣污染問題。因為疫情防控，2020年1月23日起武漢施行了前所未有的機動車管控措施，并且逐步擴大到整個湖北省地區(qū)，進而對整個地區(qū)的人為活動產(chǎn)生了重大影響。本文基于地面站點和衛(wèi)星觀測評估了疫情管控措施對武漢地區(qū)主要大氣污染物濃度的影響，并以此為基礎(chǔ)探討了管控期間PM2.5和O3污染的主要變化過程。研究發(fā)現(xiàn)，交通管控期間武漢地區(qū)的NO2濃度較2019年同期下降53.2%、VOCs減少25.1%，但是管控期間O3增長了16.5%，SO2變化并不明顯，PM2.5的濃度下降35.6%；4月8日，武漢城區(qū)交通恢復(fù)后NO2濃度迅速回升到接近2019年同期水平。這表明管控期間機動車排放大幅削減，但工業(yè)活動及其他排放減少的幅度有限。

盡管疫情管控期間NOx和VOCs排放顯著下降，在地面溫度和紫外輻射顯著高于去年同期的2月，O3濃度高于去年同期；同時，氣象條件與去年相近的3月，O3濃度仍與去年同期相近，NO大幅下降會減弱夜間O3的消耗，造成O3積聚，基于NOx和VOCs活性種類濃度的非線性關(guān)系開展協(xié)同減排是控制O3濃度的關(guān)鍵；同時，在NO2大幅下降的背景下PM2.5在非大風期間變化并不明顯，組分中硝酸鹽的濃度在3月顯著升高，說明影響硝酸鹽生成受大氣氧化性能力的影響，這與VOCs對O3生成的貢獻密切相關(guān)，因此，降低武漢地區(qū)PM2.5濃度應(yīng)在一次排放源基礎(chǔ)上，重點控制硝酸鹽、硫酸鹽、有機氣溶膠等關(guān)鍵組分的前體物。本次管控期間機動車禁行為研究武漢地區(qū)的大氣污染來源提供了重要參考，表明改善武漢空氣質(zhì)量須加強重點污染源的整體管控，并且注重科學協(xié)同減排。