新冠疫情嚴控期間南京市空氣質(zhì)量

王愛平,朱 彬,秦 瑋,秦艷紅,楊 雪,劉曉慧 (.江蘇省環(huán)境監(jiān)測中心,江蘇 南京 009；.南京信息工程大學,氣象災害預報預警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 0044)

2020年春節(jié)前后在湖北武漢爆發(fā)了一次非典型肺炎(冠狀病毒病,COVID-19),為避免疫情擴散,政府采取了嚴格的人員隔離措施,1月25日作為此次疫情管控的轉(zhuǎn)折點,全國大部分地區(qū)經(jīng)濟活動(工廠、工地、交通、餐飲)處于暫停狀態(tài).截至2020年2月12日,全國至少有207個城市(包括26個省會城市和副省級城市)宣布了出行禁令.這些全國采取的應急措施對人類活動和經(jīng)濟帶來了嚴重影響和沖擊[1].與近些年重大賽事會議期間的臨時管控措施相比,管控程度在時間和空間上為歷史最嚴管控,可以系統(tǒng)地研究嚴格管控措施對空氣質(zhì)量的影響程度,近些年一些學者研究了重大賽事或會議期間臨時管控措施對城市空氣質(zhì)量的影響.對北京 APEC會議[2]、南京亞青會[3]和青奧會[4-5]、G20峰會[6-7]和青島上合峰會[8]等大型賽事期間空氣質(zhì)量變化特征分析發(fā)現(xiàn),實施管控措施對緩解空氣污染效果顯著.對疫情期間大氣污染物變化特征進行研究,發(fā)現(xiàn)全國[9]NO2和PM2.5分別下降12.9,18.9μg/m3.Le等[10]結(jié)合地面觀測和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究北方城市空氣質(zhì)量變化,估算管控措施對某些污染物濃度減排高達 90%,但疫情期間高濕氣象條件及并未顯著降低的電廠石化行業(yè)排放,導致北方城市仍然嚴重灰霾事件的主要原因.另外,通過模式模擬疫情減排效果,使用CMAQ模型[11]評估3種不同減排方案下對空氣質(zhì)量影響,發(fā)現(xiàn)北京、上海、廣州和武漢 PM2.5濃度均不同程度下降,但極端不利氣象條件仍然會導致在減排措施下出現(xiàn)不可避免的北京重度污染天氣.使用NAQPMS模擬[12]疫情期間“2+26”城市空氣質(zhì)量,發(fā)現(xiàn)減排促使區(qū)域性重污染過程減少了 2次,PM2.5均值降低約 6～26μg/m3.

本文分析了疫情停工期間南京空氣質(zhì)量狀況,時間上選取近5a疫情停工期間(1月25日～2月10日)環(huán)境空氣質(zhì)量和氣象數(shù)據(jù),分析污染物水平和氣象條件,比較了南京和長三角區(qū)域內(nèi)其他省會城市的大氣污染濃度.為測算本次疫情停工措施的凈環(huán)境效益,將相鄰非減排時段類似天氣形勢下的各項污染物進行對比,進一步剔除輸送對污染物的影響,篩選靜穩(wěn)天氣背景下大氣污染物濃度,以探討停工減排措施對本地污染物濃度的影響.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

借鑒相關研究[6-8],空氣質(zhì)量 6項污染物 PM2.5,PM10,SO2,NO2,CO和 O3數(shù)據(jù)選取生態(tài)環(huán)境部官網(wǎng)發(fā)布的“全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺”(http://106.37.208.233:20035/).6項污染物的來源廣泛,其中 O3為氮氧化物和揮發(fā)性有機物光化學反應的二次污染物.顆粒物 PM2.5和 PM10來源既有燃煤、機動車尾氣和道路揚塵等的一次直接排放,同時有大氣中二氧化硫、氮氧化物和揮發(fā)性有機物,經(jīng)過復雜反應轉(zhuǎn)化生成的二次細顆粒物.SO2來源包括含硫燃料的燃燒,涉及的工業(yè)企業(yè)主要為火電、建陶等行業(yè),散煤燃燒也是 SO2主要來源.NO2來源較廣,主要來自高溫燃燒過程的釋放,比如機動車尾氣、燃料燃燒廢氣的排放,排放NO2的工業(yè)和企業(yè)主要為陶瓷、火電、玻璃等行業(yè).

根據(jù)2020年初新型冠狀病毒疫情發(fā)展過程,選取疫情前后相近時長進行分析,將2020年1月10日～2月10日期間的數(shù)據(jù)分為2個時期,以1月25日農(nóng)歷春節(jié)作為疫情嚴控的轉(zhuǎn)折點,1月10日～24日共15d為疫情停工前期,1月25日～2月10日17d為疫情嚴控期,期間全國各地實施“不得復工”的最嚴管控措施.時間上選取 5a同期南京各項污染物濃度數(shù)據(jù).空間上收集了長三角區(qū)域內(nèi)周邊幾個省會城市污染物數(shù)據(jù),包括上海、杭州、合肥.本文中所用的氣象數(shù)據(jù)來源于江蘇省氣象臺,包括:氣溫、相對濕度、氣壓和風速.

為保障本文所用數(shù)據(jù)質(zhì)量的可靠性,將生態(tài)環(huán)境部官網(wǎng)發(fā)布的各地實時數(shù)據(jù)與審核后數(shù)據(jù)進行對比.審核數(shù)據(jù)來自生態(tài)環(huán)境部官網(wǎng)對外公布的全國城市空氣質(zhì)量月均值(網(wǎng)址為:http://www.mee.gov.cn/hjzl/dqhj/cskqzlzkyb/),考慮到本文重點研究時段為跨度為1～2月,由表1可見,除1月份長三角部分省會城市 PM2.5、PM10和 NO2月均值相差1～2μg/m3外,2月份4個城市6項污染物的實時數(shù)據(jù)和審核數(shù)據(jù)均相同,因此本文選取的實時數(shù)據(jù)可以表征疫情嚴控期間各城市之間空氣質(zhì)量變化特征.審核數(shù)據(jù)顯示部分城市 PM2.5和PM10濃度出現(xiàn)“倒掛”現(xiàn)象[13],這可能會影響疫情前后2種粒徑同比變化幅度.

表1 環(huán)境空氣質(zhì)量實時發(fā)布數(shù)據(jù)和審核數(shù)據(jù)對比Table 1 Comparison of real-time air quality data and audit data

1.2 研究方法

基于時間序列分析方法,將疫情最嚴管控期 6項污染物濃度與 2016～2020年同一時段進行對比,以探討嚴控期間南京市空氣質(zhì)量變化.另外將停工前后 2個時段相似天氣形勢下的污染物濃度對比,以測算疫情減排措施的“凈環(huán)境效應”.空間上對比長三角區(qū)域內(nèi)省會城市的空氣質(zhì)量變化,以探討不同城市的減排效果.

2 結(jié)果與討論

2.1 疫情停工期間氣象條件和污染物濃度

選取近5a疫情停工期(1月25日～2月10日)南京日均氣象要素進行對比(圖1).從溫度來看,2020年日均溫度水平為近5a同期最高水平,達6℃,尤其是1月30日～2月6日期間溫度均高于往年.2020年大氣壓也維持在較高水平,分析疫情停工 15d內(nèi)近地面天氣系統(tǒng),分析發(fā)現(xiàn)1月27日～2月5日和2月6～9日共13d,南京持續(xù)受高壓中心或弱均壓場控制,風速較小,對應的大氣擴散條件較差.從濕度和風速來分析,2020年濕度和風速分別為75.6%和2.5m/s,處于近5a平均水平.由累計降水量可知,2020年降水量36.8mm,與2019年同期相比下降24.3%,降水對大氣污染物有濕清除作用,因此降水減少不利于 2020年初疫情期間污染物清除.整體來看,與近 5a相比,2020年疫情嚴控期間氣壓和溫度較高,降水量同比下降,濕度、風速未表現(xiàn)出顯著差異,大氣擴散條件整體較差.

圖1 2016～2020年嚴控時段南京氣象要素對比Fig.1 Comparison of meteorological factors in Nanjing between 2016 and 2020 during COVID-19 lockdown period

如圖2,2016～2018年南京6項污染物濃度值每年波動變化較大.2018年之后各項污染物(O3除外)逐年下降,2020年南京疫情停工時段 PM2.5, PM10,SO2,NO2,CO濃度為近5a最低,分別為36,44,5,22μg/m3和1.1mg/m3,O3濃度最高為111μg/m3.進一步將疫情停工期與整個冬季進行比較,發(fā)現(xiàn)疫情期間PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO低于冬季26.5%、36.2%、28.6%、47.6%和15.4%,而O3較冬季高8.8%,可見嚴格的管控措施使得空氣質(zhì)量改善幅度更加明顯,但O3濃度會進一步抬升.O3“不降反升”趨勢與其他研究結(jié)果類似.趙輝等[7]研究2016年G20峰會保障期間杭州O3濃度,發(fā)現(xiàn)同比上升19.8%.Li等[14]基于WRF- CAMx模型對疫情管控期間長三角地區(qū)空氣污染物模擬表明,管控期間SO2、NOx、PM2.5和VOCs排放量顯著降低,而 O3濃度卻表現(xiàn)出顯著增加趨勢.因此O3污染是污染管控難點,需進一步考慮能源和產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略的重組及區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控.

圖2 2016～2020年嚴控時段南京市污染物濃度對比Fig.2 Comparison of air pollutants in Nanjing between 2016 and 2020 during COVID-19 lockdown period

2.2 疫情嚴控前和疫情嚴控期污染物對比

比較2020年1月10日～2月25日南京疫情嚴控前(1月10～24日)、疫情嚴控期(1月25日～2月10日)2個時段的6項污染物濃度和氣象要素逐時變化情況,同時給出2019年同期小時濃度值,如圖3所示.1月10～24日疫情停工前15d南京受冷空氣影響有 3次持續(xù)時間較長的雨雪天氣過程,有效降水日多達 8d,累計降水量為 37.9mm,大氣濕清除能力強,地面主導風向以偏北風為主,整體風速較大,大氣擴散條件較好.1月25日～2月10日疫情停工17d期間,南京降水過程有2次,有效降水日6d.因此疫情嚴控期間大氣擴散能力總體差于疫情停工前.

顆粒物PM2.5和PM10逐時變化谷峰值大體一致(圖3),疫情嚴控后濃度維持較低水平.PM2.5濃度由疫情嚴控前 70μg/m3改善為 43μg/m3,下降了 27μg/m3,降幅達 38.6%.PM10下降 38μg/m3,降幅達 41.8%,與2019年同期降幅相比,疫情嚴控導致 PM2.5和 PM10降幅分別增加了10.4%和8.7%.PM2.5/PM10是表征一個區(qū)域顆粒物污染來源的主要指標,其比值越高反應顆粒物受二次生成的影響越大,比值越低其受揚塵影響越大[15].疫情停工之前和停工時段PM2.5/PM10分別為 0.77、0.82,尤其是在疫情停工期間南京的細粒子PM2.5對PM10的貢獻占比高達8成以上,主要是由于農(nóng)歷春節(jié)與疫情嚴控的疊加效應,使工地揚塵污染源受到絕對控制,導致粗粒子占比明顯下降.

圖3 南京疫情嚴控前后風速、降水和6項污染物濃度Fig.3 Wind direction, wind speed, precipitation and hourly concentrations of the six air pollutants before and during COVID-19 lockdown period in Nanjing

氣態(tài)污染物NO2、SO2和CO在疫情停工之后分別下降了22,1μg/m3和0.4mg/m3,降幅達50.1%、16.7%和 26.7%,O3濃度不降反升 23μg/m3,升幅達26.1%.NO2降幅最大,與疫情嚴控期間南京交通源和工業(yè)源排放的NOx排放量下降有關.CO的下降同樣與機動車出行率顯著減少密切相關[16].SO2濃度由疫情前 6μg/m3改善為 5μg/m3變化不明顯,因為SO2主要來源與燃煤廢氣的排放有關,疫情期間與群眾生活必需相關的燃煤電廠仍然正常運行.與北方燃煤取暖城市相比,山東德州和濟寧兩市在管控期間SO2濃度甚至高于疫情管控前[17].南京市O3濃度由疫情前88μg/m3升高為111μg/m3,疫情嚴控期間O3濃度顯著上升與NOx和VOCs減排不成比例有關.我國大部分城市由于機動車保有量大,NOx的排放較高,O3生成處于 VOCs控制區(qū).例如,Tie等[18]研究發(fā)現(xiàn)長三角區(qū)域代表城市上海的 O3生成機制為VOCs控制.當城市處于 VOCs控制區(qū),O3濃度隨VOCs濃度上升而上升,隨NOx濃度上升而下降.

自2018年7月以來,南京逐步落實大氣污染物排放量控制措施,因此2016～2020年,每年的大氣污染物排放量基數(shù)略有差異,氣象條件也不可能完全一致,疫情停工期間污染物濃度與近5a同期對比可以在一定程度上反應疫情停工期間減排措施的環(huán)境效益,但并不能反映出“凈環(huán)境效益”,參照Zhang等[19]的評估方法,首先對疫情停工期間天氣系統(tǒng)進行分類,與相鄰時段類似天氣系統(tǒng)各項污染物進行對比,兩者差值可以認為是疫情嚴控措施的“凈環(huán)境效益”.另外,為更好體現(xiàn)本地嚴控減排的效果,排除外來污染輸送的可能,本文篩選靜穩(wěn)天氣背景下污染物濃度,可以更好代表本地排放水平.

2020年1月17～20日和2月1～4日期間,南京天氣形勢相似(圖 4),近地面長期受弱氣壓場控制,風速為靜小風,無降雨濕清除過程.另外,對比表 2相似天氣過程期間對應的氣象要素和污染物濃度,疫情嚴控的“凈環(huán)境效益”表現(xiàn)為 PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO分別下降了41.7%、45.3%、14.3%、43.5%、18.2%,O3濃度上升了 4.8%.與其他研究相比,疫情期間南京市空氣質(zhì)量改善幅度高于中國東部大部分城市.Bao等[20]研究表明疫情期間(1月1日～3月 21日)京津冀周邊 44城市 5類污染物PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO分別降低5.93%、13.66%、6.76%、24.67%和 4.58%;Li等[14]統(tǒng)計了1月24日至2月25日長三角五項污染物降幅分別為 31.8%、33.7%、20.4%、45.1%和 20.9%;山東省[17]1月24日～2月7日五項污染物降幅分別為41.24%、45.86%、17.71%、58%和 31.4%;華東地區(qū)[21]1月23日～2月9日NOx降幅約為50%.以上不同研究選取的疫情影響時段和空間各有差異,總體來看長三角區(qū)域空氣質(zhì)量改善情況好于京津冀區(qū)域,這與其所在地污染減排程度和氣象條件變化差異有關.

表2 南京疫情嚴控前后相似天氣形勢下污染物和氣象要素對比Table 2 Comparison of air pollutants and meteorological factors in similar weather periods before and during COVID-19 lockdown period in Nanjing

圖4 南京疫情嚴控前后相似天氣形勢地面天氣圖對比Fig.4 Comparison of ground pressure in similar weather periods before and during COVID-19 lockdown period

3.3 污染物空間變化

由圖5可看出,長三角區(qū)域內(nèi)4個省會城市O3濃度在空間上均表現(xiàn)出顯著上升,PM10和 SO2在空間上均同比下降.上海市PM2.5和CO在疫情期間不降反升,其他城市均下降.需關注的是上海市 PM2.5和PM10存在同比升降的顯著差異,可能與顆粒物之間的“倒掛”有關.2020年疫情嚴控期間,南京 SO2濃度由2019年長三角區(qū)域最高值8μg/m3改善為區(qū)域最低值 5μg/m3,可見疫情管控對南京燃煤廢氣等污染排放影響顯著.南京 NO2濃度和改善幅度差于杭州,區(qū)域排名第2,PM2.5、PM10、CO同比降幅排名第3,整體來看疫情期間南京市空氣質(zhì)量改善情況在長三角區(qū)域排名中等水平.

圖5 南京及周邊城市疫情嚴控期間污染物濃度及其與2019年的同比變化情況Fig.5 Comparison of pollutants in Nanjing and its surrounding cities before and during the COVID-19 lockdown period and the corresponding period in 2019

3.4 疫情停工期間污染物日變化規(guī)律

如圖 6所示,顆粒物 PM2.5和 PM10濃度日變化曲線的趨勢大致相同,呈單峰分布,峰值出現(xiàn)在11:00,午后隨著邊界層的抬升在16:00達谷值.疫情嚴控期間顆粒物濃度為近5a最低,對比2016～2019年同期,在無管控停工措施背景下,顆粒物濃度日變化多為雙峰分布,夜間峰值甚至高于白天時段,白天受上班交通早高峰影響 9:00～11:00達峰值,午后濃度下降,下班高峰導致顆粒物濃度在 18:00開始回升,夜間22:00～次日02:00再次累積達日變化第二個峰值.在疫情嚴控時段,沒有上下班交通高峰的影響,盡管夜間邊界層降低不利于污染物擴散,但較少的污染源使夜間濃度仍處于較低水平,因此南京在清潔背景下顆粒物的日變化為單峰分布,可見疫情停工能改變顆粒物的日變化形態(tài).

圖6 2016～2020年疫情時段南京6項污染物的日變化趨勢Fig.6 Diurnal variation of six air pollutants from 2016 to 2020 during the COVID-19 lockdown period in Nanjing

SO2日變化為單峰型,白天高于夜間,峰值出現(xiàn)在11:00～13:00.2020年受疫情影響SO2日變化平緩且明顯低于非管控年份.SO2主要來源為燃煤企業(yè)的高架源[22],午后垂直對流發(fā)展,將日出前部分存在高空逆溫層中的 SO2輸送到地面,導致中午前后出現(xiàn)峰值,而夜間濃度較低可能是受濕沉降的清除作用[23].

NO2日變化呈單谷雙峰型,峰值出現(xiàn)在 08:00～09:00和21:00～22:00.這與早晚交通高峰和邊界層結(jié)構(gòu)變化有關,09:00之后邊界層抬升,同時隨著太陽輻射的增加,NO2作為 O3前體物參與光化學作用不斷消耗,在15:00達谷值.

CO變化為單峰型,峰值出現(xiàn)在09:00.CO主要來源是化石燃料的不完全燃燒,受自由基濃度控制,與其他 3項氣態(tài)污染物相比壽命較長,一般在數(shù)星期到數(shù)月之間[24],可代表本地一次排放和長距離傳輸,日變化主要受邊界層發(fā)展的影響,冬季早晨大氣常處于逆溫狀態(tài),不利于污染物擴散,造成 9:00出現(xiàn)峰值.

O3變化呈單峰型,白天高夜間低,午后 15:00～17:00時段達峰值.值得注意的是 2016、2017和2020年 O3在白天峰值濃度相近,但受疫情停工影響,2020年夜間O3濃度明顯高于往年,這主要與O3夜間消耗反應有關,因為夜間無光化學反應過程,所以 O3生成被阻斷,但 NO對 O3的“滴定”反應(O3+NO→NO2+O2)卻一直在進行[25],受疫情停工影響,交通污染源等排放的NO濃度下降,大氣中對O3的“滴定”消耗反應受限制,導致 2020年夜間時段 O3濃度高于往年水平.因此,晝夜不同時段影響南京市O3的主要反應機制不同,白天O3濃度受制于VOCs和 NOx的減排比例,夜間交通源的大幅削減使 NO對O3的滴定反應受限.

綜上所述,受疫情停工影響,南京市顆粒物(PM2.5和 PM10)日變化由雙峰型變?yōu)閱畏逍?夜間未出現(xiàn)次峰值,SO2、NO2和CO日變化濃度為歷年最低值,谷峰型則無明顯差異.O3在白天濃度峰值與往年相近,但夜間濃度明顯高于往年同期,南京市O3在晝夜不同時段的主要反應機制不同,白天 O3濃度受制于 VOCs和 NOx的減排比例,夜間交通源的大幅消減使NO對O3的滴定反應受限.

3 結(jié)論

3.1 與近5a相比,疫情嚴控期間大氣擴散條件整體較差,但受疫情停工影響,主要污染物達近5a最低水平.僅O3濃度不降反升.疫情停工期間本地減排措施的“凈環(huán)境效益”,與疫情嚴控前相比,管控使得PM2.5、PM10、SO2、NO2和CO分別下降了41.7%、45.3%、14.3%、43.5%、18.2%,O3濃度上升了4.8%.

3.2 與長三角區(qū)域其他省會城市相比,南京市空氣質(zhì)量改善情況區(qū)域排名中等水平.SO2濃度和同比降幅區(qū)域內(nèi)排名第1,NO2濃度和改善幅度差于杭州市,區(qū)域排名第2,PM2.5、PM10、CO同比降幅排名第3,其他污染物改善情況處于中等水平.

3.3 疫情嚴控期間,南京市顆粒物(PM2.5和 PM10)日變化由雙峰型變?yōu)閱畏逍?夜間未出現(xiàn)次峰值,氣態(tài)污染物(SO2、NO2、O3和CO)谷峰類型則無明顯差異.O3在白天濃度峰值與往年相近,但夜間濃度明顯高于往年同期,原因是交通源的大幅消減使 NO對 O3的滴定反應受限,而白天 O3濃度峰值取決于VOCs和NOx的減排比例.