新冠病毒肺炎防疫期間濟(jì)南市空氣質(zhì)量特征分析

劉 楊 王兆軍 孫開(kāi)爭(zhēng) 代雪靜 劉建軍 馬姍姍

(山東省濟(jì)南生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，山東 濟(jì)南 250101)

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，城市環(huán)境空氣質(zhì)量引起人們的持續(xù)關(guān)注。濟(jì)南市地處魯中山地與魯北平原的過(guò)渡帶、黃河中下游地區(qū)，地勢(shì)南高北低，呈淺碟型，不利于污染物的擴(kuò)散，空氣污染問(wèn)題已成為制約全市發(fā)展的重要因素[1]。近年來(lái)，濟(jì)南市精準(zhǔn)治霾，綜合施策，嚴(yán)格控制煤炭、工業(yè)、揚(yáng)塵和機(jī)動(dòng)車(chē)排放，空氣質(zhì)量得到了明顯改善。

2020年1月，新型冠狀病毒(COVID-19)疫情在中國(guó)乃至全世界迅速蔓延，為應(yīng)對(duì)疫情，全國(guó)多地實(shí)施了封鎖交通干線、限制人口非必要活動(dòng)、工廠停工和學(xué)校停課等一系列管控措施，這些措施明顯降低了病毒傳播率，同時(shí)大幅減少大氣污染物排放量，總體改善了空氣質(zhì)量，但也有城市或區(qū)域空氣質(zhì)量沒(méi)能改善，疫情防控措施解除后空氣質(zhì)量出現(xiàn)反彈[2-3]。此次疫情為調(diào)查大氣污染受人類活動(dòng)的影響程度、審視現(xiàn)有大氣環(huán)境保護(hù)措施、更好防治大氣污染提供了時(shí)機(jī)。本研究對(duì)濟(jì)南市疫情防控期間空氣質(zhì)量特征及原因進(jìn)行初步分析，探討疫情防控期間一系列管控措施及氣象因素對(duì)空氣質(zhì)量的影響，以期為濟(jì)南市未來(lái)大氣污染治理對(duì)策提供合理建議。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2 研究時(shí)段

2020年1月24日，山東省啟動(dòng)重大突發(fā)公共衛(wèi)生事件Ⅰ級(jí)響應(yīng)，開(kāi)始實(shí)行最嚴(yán)格的科學(xué)防控措施，濟(jì)南市出現(xiàn)首例病例；隨著疫情得到有效控制，社會(huì)逐步恢復(fù)正常，截至2月21日，山東省規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)復(fù)工率達(dá)86%，復(fù)工人數(shù)占職工總數(shù)的59.2%，濟(jì)南市規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)復(fù)工率超過(guò)80%；3月8日0：00起，山東省應(yīng)急響應(yīng)級(jí)別由Ⅰ級(jí)調(diào)整為Ⅱ級(jí)，濟(jì)南市新型冠狀病毒肺炎疫情處置工作領(lǐng)導(dǎo)小組(指揮部)下發(fā)《關(guān)于積極支持個(gè)體工商戶全面復(fù)工復(fù)產(chǎn)的通知》，支持個(gè)體工商戶復(fù)工復(fù)產(chǎn)；3月15日濟(jì)南市供暖結(jié)束。

綜合考慮疫情防控力度、采暖季影響、氣象條件等因素，選取2020年1月1日至3月15日為研究時(shí)段，為濟(jì)南市采暖季，涉及氣象學(xué)意義上的冬、春兩個(gè)季節(jié)。劃分為4個(gè)階段：正常生產(chǎn)階段(1月1—23日)；防疫Ⅰ階段(1月24日至2月20日)；防疫Ⅱ階段(2月21日至3月7日)；防疫Ⅲ階段(3月8—15日)。

1.3 研究方法

污染特征雷達(dá)圖是在常規(guī)污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)數(shù)學(xué)算法得到污染物標(biāo)準(zhǔn)化特征值，通過(guò)比較特征值與上、下限以明確污染類型的一種分析方法，可直觀和快速地分辨大氣污染特征時(shí)空變化。特征值、上限、下限具體計(jì)算見(jiàn)文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]。

結(jié)合濟(jì)南市歷史污染特征，選取粗顆粒物(PM10中扣除PM2.5后的剩余部分)、PM2.5、SO2、NO2、CO為研究指標(biāo)，利用污染特征雷達(dá)圖表征污染特征。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，各污染因子特征值均未超出上下限，污染類型為標(biāo)準(zhǔn)型；僅PM2.5特征值明顯高于上限，污染類型為偏二次型；僅粗顆粒特征值明顯高于上限，污染類型為偏揚(yáng)塵型；PM2.5和SO2特征值明顯高于上限，且分析時(shí)段為春節(jié)期間，表明污染類型為偏煙花型；SO2、NO2、CO特征值明顯高于上限，污染類型為偏鋼鐵型；NO2、CO特征值明顯高于上限，污染類型為偏機(jī)動(dòng)車(chē)型；僅SO2特征值明顯高于上限，污染類型為偏燃煤型[6-7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 空氣質(zhì)量變化特征

由圖1可見(jiàn)，2020年，正常生產(chǎn)階段，AQI呈現(xiàn)明顯的6～7 d為一個(gè)周期的波動(dòng)變化趨勢(shì)，1月4、5、17、23日出現(xiàn)較高值，均達(dá)到重度污染(201～300)。正常生產(chǎn)階段空氣污染表現(xiàn)為發(fā)生頻率高、污染強(qiáng)度大的特點(diǎn)。防疫Ⅰ階段，Ⅰ級(jí)響應(yīng)啟動(dòng)后，AQI顯著下降，由1月23日的205波動(dòng)下降至2月5日的39，空氣質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，之后AQI反彈至2月9日達(dá)到較高值，后持續(xù)下降至2月15日達(dá)到谷值(37)。防疫Ⅱ、Ⅲ階段，AQI再次呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)，但與正常生產(chǎn)階段相比波動(dòng)幅度減小，空氣污染發(fā)生頻率及強(qiáng)度明顯下降。

圖1 研究時(shí)段內(nèi)及2019年農(nóng)歷同期AQI變化Fig.1 Change curve of AQI during study period and the same time on lunar calendar in 2019

防疫Ⅰ階段正值春節(jié)假期，為消除春節(jié)影響，將研究時(shí)段AQI與2019年農(nóng)歷同期進(jìn)行對(duì)比分析。正常生產(chǎn)階段，AQI同比平均上升38.0%，防疫Ⅰ～Ⅲ階段AQI同比平均下降28.3%、29.1%、2.7%，應(yīng)急響應(yīng)后空氣質(zhì)量同比明顯好轉(zhuǎn)。

研究時(shí)段內(nèi)主要污染物質(zhì)量濃度見(jiàn)表1。除O3呈上升趨勢(shì)外，防疫階段空氣中主要污染物濃度比正常生產(chǎn)階段明顯下降，防疫Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段，PM10分別下降47.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、45.6%、30.2%，PM2.5分別下降43.9%、52.3%、52.3%，SO2分別下降34.8%、56.5%、52.2%，NO2分別下降58.9%、48.2%、44.6%，CO分別下降37.5%、50.0%、50.0%。

表1 研究時(shí)段內(nèi)主要污染物質(zhì)量濃度Table 1 Mass concentration of air quality parameters during study period

2019年防疫Ⅰ階段同期(除夕至正月二十七)與正常生產(chǎn)階段同期(臘月初七至二十九)相比，PM10、SO2、NO2、CO平均分別下降8.5%、21.6%、17.9%、6.5%，降幅均低于2020年，PM2.5不降反升，增幅14.1%?？梢?jiàn)防疫Ⅰ階段受春節(jié)和元宵節(jié)假期影響，疊加嚴(yán)格的疫情防控措施，大氣污染物濃度大幅下降，空氣質(zhì)量顯著改善。

2020年濟(jì)南市春運(yùn)遷徙(臘月二十四至二月廿二)，城內(nèi)出行強(qiáng)度及重點(diǎn)排污單位主要污染物日均排放量見(jiàn)表2。與正常生產(chǎn)階段相比，防疫Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段城內(nèi)出行強(qiáng)度分別下降55.0%、26.5%、8.9%。與2019年農(nóng)歷同期相比，正常生產(chǎn)階段城內(nèi)出行強(qiáng)度上升22.6%，防疫Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段分別下降44.6%、24.1%、5.5%。研究時(shí)段內(nèi)防疫Ⅰ階段城內(nèi)出行強(qiáng)度最低，且明顯低于2019年同期，隨著疫情得到有效控制，濟(jì)南市加快恢復(fù)生產(chǎn)生活秩序，各行業(yè)全面復(fù)工復(fù)產(chǎn)，城內(nèi)出行強(qiáng)度以周為單位呈波動(dòng)上升，工作日平均城內(nèi)出行強(qiáng)度較周末高21%，說(shuō)明市民娛樂(lè)活動(dòng)出行仍未完全恢復(fù)。

表2 研究時(shí)段內(nèi)城內(nèi)出行強(qiáng)度及主要污染物日均排放量Table 2 Intra-city travel intensity and average pollution discharge volume during study period

與正常生產(chǎn)階段相比，防疫Ⅰ階段SO2、NOx、煙塵日均排放量分別下降1.6%、9.5%，3.5%，CO日均排放量上升22.5%。由于各類高污染的重化工行業(yè)因存在不可中斷工序、各類燃煤電廠和供熱鍋爐因保障社會(huì)正常運(yùn)行及居民采暖需求，受春節(jié)及疫情防控措施影響較小[8]，導(dǎo)致防疫Ⅰ階段污染物排放量未明顯下降，CO排放量不降反升。防疫Ⅲ階段各項(xiàng)污染物排放量比正常生產(chǎn)階段明顯下降，可能與氣溫逐漸升高、采暖季即將結(jié)束、各大供熱鍋爐燃煤量減少有關(guān)。

可見(jiàn)，疫情期間空氣質(zhì)量大幅改善，受社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度下降、車(chē)流量大幅減少等人為源影響較大，大型工業(yè)企業(yè)污染減排影響較小。

2.2 特征雷達(dá)圖分析

研究時(shí)段內(nèi)特征雷達(dá)圖見(jiàn)圖2。粗顆粒物、PM2.5、SO2、NO2、CO特征值的上限分別為1.46、1.26、1.34、1.27、1.25，下限分別為0.54、0.74、0.66、0.73、0.75。正常生產(chǎn)、防疫Ⅰ、防疫Ⅱ階段各項(xiàng)污染物特征值均未超出上下限，污染類型為標(biāo)準(zhǔn)型，但不同階段污染物特征值呈現(xiàn)不同規(guī)律。正常生產(chǎn)階段，PM2.5、NO2特征值較高，分別為1.05、1.04。防疫Ⅰ階段，PM2.5、SO2特征值較高，分別為1.15、1.17，該階段正處于春節(jié)期間，濟(jì)南市繞城高速內(nèi)及各區(qū)縣城區(qū)范圍內(nèi)均已禁止燃放煙花爆竹，可能與周邊廣大農(nóng)村地區(qū)未實(shí)行禁燃禁放政策或政策落實(shí)不到位有關(guān)。防疫Ⅱ階段，粗顆粒物、NO2特征值較高，分別為1.19、1.03，表明隨著復(fù)工復(fù)產(chǎn)及居民正常生產(chǎn)逐漸恢復(fù)，建筑施工工地開(kāi)工，揚(yáng)塵污染及機(jī)動(dòng)車(chē)污染對(duì)空氣質(zhì)量的影響逐漸突出。防疫Ⅲ階段，粗顆粒物特征值為1.73，高于上限，空氣污染類型為偏揚(yáng)塵型，PM2.5/PM10為0.49，小于0.35，受沙塵影響較嚴(yán)重[9]。

圖2 研究時(shí)段內(nèi)特征雷達(dá)圖Fig.2 Characteristic radar charts during study period

總體看來(lái)，研究時(shí)段內(nèi)濟(jì)南市大氣污染特征未發(fā)生明顯變化，受二次顆粒物生成、機(jī)動(dòng)車(chē)、揚(yáng)塵、燃煤等多重因素影響，為實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量取得根本性改善，需加大力度開(kāi)展各類污染源協(xié)同減排。

2.3 PM2.5組分特征

研究時(shí)段內(nèi)，PM2.5作為首要污染物的天數(shù)占70%以上，重污染日污染類型均為偏二次型，故重點(diǎn)分析PM2.5組分特征，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 研究時(shí)段內(nèi)PM2.5中水溶性離子質(zhì)量濃度、硫氧化速率(SOR)、氮氧化速率(NOR)和OC/ECTable 3 Mass concentrations of water soluble irons in PM2.5，sulfur oxidation rate (SOR)，nitrogen oxidation rate (NOR)and OC/EC during study period

利用OC/EC表征大氣中二次轉(zhuǎn)化效應(yīng)強(qiáng)度，OC/EC大于2時(shí)，表明大氣中二次有機(jī)氣溶膠生成，且該值越大表明二次轉(zhuǎn)化效應(yīng)越強(qiáng)[13]。各階段OC/EC均大于2，防疫Ⅰ階段最大，表明防疫Ⅰ階段二次轉(zhuǎn)化效應(yīng)最高，可能是由于極低的社會(huì)經(jīng)濟(jì)背景使NOx排放量大幅降低，削弱了其對(duì)O3的滴定作用，O3快速累積，大氣環(huán)境的氧化性增強(qiáng)，加劇了大氣二次轉(zhuǎn)化效應(yīng)[14]。

Cl-、K+、Mg2+等成分是煙花爆竹中氧化劑、還原劑等組分燃燒的特征污染物[15]，研究時(shí)段內(nèi)其質(zhì)量濃度在1月24—27日出現(xiàn)最大值，與春節(jié)期間周邊廣大農(nóng)村地區(qū)煙花爆竹燃放有關(guān)。防疫Ⅲ階段Ca2+濃度最高，可能與風(fēng)沙季揚(yáng)塵污染突出有關(guān)。

2.4 氣象因素分析

大氣污染是氣象要素和污染要素共同作用的結(jié)果，氣象擴(kuò)散條件對(duì)大氣污染物濃度有較大的影響。研究時(shí)段內(nèi)風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度和PM2.5變化見(jiàn)圖3。正常生產(chǎn)、防疫Ⅰ、防疫Ⅱ、防疫Ⅲ階段平均氣溫分別為0.6、2.5、6.0、10.1 ℃，平均相對(duì)濕度分別為69.5%、65.3%、62.2%、48.0%，平均風(fēng)速分別為1.6、2.0、2.5、2.8 m/s，平均氣溫和平均風(fēng)速均持續(xù)上升，平均相對(duì)濕度持續(xù)下降。研究時(shí)段跨越氣象學(xué)中的冬春兩個(gè)季節(jié)，氣溫升高有利于大氣熱力條件增強(qiáng)，加劇大氣湍流交換，使得大氣的水平輸送和垂直擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有利于污染物的擴(kuò)散，同時(shí)有利于加速對(duì)流層光化學(xué)反應(yīng)速率，促進(jìn)O3生成，導(dǎo)致防疫Ⅲ階段O3濃度明顯高于其他階段[16]。隨著風(fēng)速增加，揚(yáng)塵對(duì)空氣質(zhì)量的影響逐漸加大，防疫Ⅲ階段污染特征轉(zhuǎn)變?yōu)槠珦P(yáng)塵型。

圖3 研究時(shí)段內(nèi)風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度和PM2.5變化Fig.3 Change of wind speed，temperature，relative humidity and PM2.5 during study period

研究時(shí)段內(nèi)相對(duì)濕度與PM2.5變化趨勢(shì)總體一致，正常生產(chǎn)階段相對(duì)濕度最高，PM2.5中水溶離子濃度、N/S、SOR均最高，表明高濕環(huán)境增強(qiáng)了氣態(tài)污染物向PM2.5的轉(zhuǎn)化能力，有利于NOx和SO2等PM2.5的前體物二次轉(zhuǎn)化和吸濕性增長(zhǎng)[17]。當(dāng)出現(xiàn)不利氣象條件時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)警，合理預(yù)估大氣環(huán)境容量，切實(shí)控制污染排放水平，才能保證較好的空氣質(zhì)量。但1月7日、2月14日、2月24日受降水影響，相對(duì)濕度出現(xiàn)較高值，PM2.5出現(xiàn)較低值，推測(cè)與降水濕清除作用有關(guān)[18]。

3 結(jié) 論

(1)防疫期間疊加春節(jié)假期影響，濟(jì)南市空氣質(zhì)量比正常生產(chǎn)階段及2019年農(nóng)歷同期均明顯改善，除O3外各項(xiàng)污染物濃度均下降，主要受社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)強(qiáng)度下降、車(chē)流量大幅減少等人為源影響。

(2)總體看來(lái)研究時(shí)段內(nèi)濟(jì)南市大氣污染特征未發(fā)生明顯變化，大氣污染受二次顆粒物生成、機(jī)動(dòng)車(chē)、揚(yáng)塵、燃煤等多重因素影響。為實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量取得根本性的改善，需加大力度開(kāi)展各類污染源協(xié)同減排。

(4)研究時(shí)段內(nèi)平均氣溫和風(fēng)速呈上升趨勢(shì)，平均相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì)，有利于污染物擴(kuò)散，同時(shí)促進(jìn)O3生成。相對(duì)濕度與PM2.5變化趨勢(shì)總體一致，高濕環(huán)境增強(qiáng)了氣態(tài)污染物向PM2.5的轉(zhuǎn)化能力，當(dāng)出現(xiàn)不利氣象條件時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)預(yù)警，合理預(yù)估大氣環(huán)境容量，切實(shí)控制污染排放水平，才能保證較好的空氣質(zhì)量。