從大運會期間濃度變化來分析污染物削減措施效果

楊 琳，楊紅龍，林楚雄，陳嘉曄，李仕平

1.深圳市氣象局，廣東 深圳 518040 2.深圳市環境監測中心站，廣東 深圳 518049

污染物對人體健康產生危害，顆粒越小對人體健康的危害越大[1]，而且細顆粒物能飄到較遠的地方，因此影響范圍較大[2-3]。吳兌等[4]研究認為，近年來空氣污染已從煤煙型向混合型發展，主要污染物為PM10中的PM2.5。黃曉鋒[5]認為，深圳市PM2.5的31%來源于機動車，24%來源于工業源，18%來源于火電廠，其中機動車尾氣主要來源于本地排放。孫志強等[6]研究發現，北京大氣中粒子濃度受周邊影響嚴重，而NOx有向周邊擴散的潛勢，尤其是對于PM2.5和O3等區域性污染物，難以從北京市獨自的減排措施收到理想的效果。但是深圳的各項污染物，尤其是對PM2.5的氣象條件影響、人為因素貢獻等尚未見具體和有針對性的分析。第26屆世界大學生運動會(簡稱大運會)于2011年8月12—23日在深圳舉行，期間深圳藍天白云，空氣質量持續優等，SO2、NO2、PM10、PM2.5均達到環境空氣質量一級標準，分析各項減排控制措施的具體效果，對于有針對性地采取環境保護措施和未來的污染防治有積極意義。

由于污染天氣的形成主要與有利的天氣形勢、本地污染源的排放/擴散、外來污染源3個方面作用有關，因此在相似的天氣形勢下，可認為污染濃度的不同是與污染源的變化有關，在短期內污染源變化不大的情況下，差異則在于排放不同，也即是污染控制的結果[7-11]。氣象學上相似方法是除了數值預報以外，最為有效的預報和分析方法，如果氣象條件相似，可大致認為天氣背景對污染物的擴散或稀釋作用也類似，對污染的生/消作用相當。因此，文章通過對相似氣象條件下，各種不同地點、不同時間污染物濃度的對比分析，剔除了氣象條件的客觀影響因素，具體分析大運期間人為控制的效果，從中得出一些有價值的結論。基于深圳市2008—2011年主要污染物NO2、PM10和2011年PM2.5濃度資料，常規氣象要素資料、天氣形勢資料等，通過大運期間與氣象條件相似時期、各典型時期、深圳各監測站點、以及與周邊城市的比較，分析大運期間“藍天白云”的原因，目的在于具體解析各類減排或限行措施的效果，為長期建設“綠色深圳”和宜居城市，在環境治理、污染控制措施方面提供有價值的科學依據。

1 大運期間氣象條件對污染濃度影響評估

1.1 深圳大運會期間天氣形勢和氣象要素特征

深圳位于113°46′～114°37′E、22°27′～22°52′N，總面積1 952.84 km2，地勢東南高西北低，海岸線全長230 km。8月的深圳常受海洋氣團的影響，普遍吹偏南風，雨水豐沛，午后對流旺盛，能見度偏好，但同時空氣濕度大，風力偏弱，靜風較多。2011年大運會期間雖以晴熱天氣為主，但多局地性短時強降水和雷暴，月平均風速1.9 m/s，月主導風向為西南，SW、SSW、SSE風頻率最高，占據了33 %，ENE、SE、S風次之，靜風頻率占據了34.5%，因此上風方海洋氣流占主導，擴散條件較好，月初和大運期間在持續的偏南風影響下，氣象條件有利于污染物的擴散，能見度極佳，平均達到26.2 km，是1988年以來8月平均能見度的最高值。大運期間出現罕見持續晴好天氣，空氣質量全為優，能見度高。25日轉吹弱北風，受“南瑪都”外圍下沉氣流影響，能見度明顯下降，并出現間歇性灰霾天氣，部分時段能見度低于10 km。根據氣象條件的不同劃分優劣等級見表1。

表1 2011年8月主要影響氣象因子和對應污染物濃度均值

1.2 2011年8月氣象條件和對應污染物濃度的關系

2011年8月NO2、PM10和PM2.5平均質量濃度分別為38.03、34.71、17.82 μg/m3。按照2011年8月天氣形勢進行分段，參照孫向明等[12]的天氣形勢分型，列出各時間段內NO2、PM10和PM2.5濃度以及各主要影響氣象因子，如表1所示。僅從氣象條件來推斷污染情況的優劣等級，將該推斷等級與實際NO2、PM10和PM2.5濃度值相比，可以看出，推斷等級與實際污染值基本相符，但中等污染條件的大運會期間12—23日污染濃度卻是最低的。由此可得出，除氣象條件外，控制措施也起到成效。

2 NO2、PM10、PM2.5的一般變化規律

2.1 月變化特點

圖1是2008—2010年全市平均NO2、PM10以及2011年竹子林國家基本站PM2.5濃度月變化曲線(PM2.5只有2011年竹子林站的資料)。由圖1可看出：NO2、PM10、PM2.5污染濃度具有明顯的季節變化規律，NO2、PM10濃度秋、冬季及春季的3月相對較高。PM2.5污染濃度1—3月和12月較高，即冬、春季高。6—8月NO2、PM10、PM2.5污染濃度均最低。這是因為，秋、冬季往往存在靜穩的氣象條件，不利于污染物的擴散，造成污染積聚，且深圳冬季盛行東北、偏北風，有利于北部中山、東莞、惠州等地污染的擴散。夏季對流旺盛，擴散條件好，有利于污染物的擴散清除，且東南、偏南風居多，常受來自海洋上氣流的影響，帶來海洋上潔凈的空氣。春季的3月多低溫陰雨天氣，空氣濕度大，有時會出現“回南天”，伴隨的是輕霧或霧的現象明顯，霧霾天氣的增多，也是污染物濃度較高的原因。

圖1 2008—2010年NO2、PM10和2011年PM2.5逐月變化

圖2是2011年深圳市4個不同行政區的監測點PM2.5與PM10質量濃度比(PM2.5/PM10)月變化曲線，可以看出，PM2.5/PM10的逐月變化呈明顯的季節性，與NO2、PM10、PM2.5濃度的月季變化基本呈現一致的趨勢，秋、冬季是高值期，夏季是低值期。2011年PM2.5/PM10變化幅度較大，日均值為0.4～0.99。PM2.5/PM10年平均石巖為0.83，竹子林和龍崗均為0.72，西涌為0.68。石巖﹥龍崗﹥竹子林﹥西涌，石巖、龍崗、竹子林和西涌4站分別位于深圳市的寶安區、龍崗區、福田區和鹽田區。寶安區位于深圳西北部，工業密集，且與東莞接壤，龍崗區位于深圳東北部，中小型作坊密集，與惠州接壤，福田區是中心區，交通流量最大，鹽田區位于東部沿海，接近大氣本底狀況。

從圖2還可看出，除石巖站外，其余3站2011年8月PM2.5/PM10明顯下降。值得一提的是根據距離比賽場館的遠近，大運期間采取的環境控制措施劃分成3類區域，而石巖一帶幾乎無賽場，因此相對來說，不如南山和龍崗區場館集中的地帶措施更嚴格。由此得出：2011年8月NO2、PM10、PM2.5濃度不是全年最低的，PM2.5/PM10卻是全年最小的。由于4個區域代表站的PM2.5/PM10年均值均在60 %以上，說明8月 PM2.5的下降比率更大，可以認為控制措施對PM2.5的作用更明顯。6—8月PM2.5/PM10的4個區域代表站的曲線幾乎完全重合，說明比值在夏季較穩定。

圖2 2011年各監測點PM2.5/PM10逐月變化

2.2 日變化規律

根據以往的研究，在無大的天氣系統影響、無明顯降水發生、無大風現象時，除風向、風速、本地海陸風轉換的時間、大氣層結的穩定度等氣象因素，污染排放時間和人類活動也同時對日變化產生作用，影響較復雜。從氣象條件來看：夜間地溫降低，大氣層結較為穩定，風力也較小，大氣中的污染物容易造成堆積；而白天溫度升高，對流條件是一天中最好的，尤其是中午時段是海風開始強盛的時候，相對有利于污染的擴散[7-11]。

污染濃度的變化還與人類活動密切相關，6：00—7：00人類生產生活開始活躍，日間8：00—20：00是工廠生產排放最多的時段。8：00—9：00是上班高峰時期，車流量增多，中午車流量相對減少，而18：00—20：00是下班高峰時期，車流量最大。氣象因素和人類活動的影響共同決定了污染水平的高低(圖略)。

3 NO2、PM10、PM2.5以及PM2.5/PM10大運期間變化特點

由于6—8月氣象條件具有相似特征，因此以此作為歷史背景時期，采取對比分析的方法，比較大運期間和2008—2010年6—8月的NO2、PM10、PM2.5濃度值，結果見圖3，發現大運期間各濃度值均下降。此外，對比2008—2011年6—8月，大運期間有如下特點：大運期間NO2、PM10、PM2.5濃度均明顯下降，尤其在白天的8：00—16：00下降幅度更大，其中PM10下降幅度最大。2011年PM2.5在夜間到凌晨是上升階段，由于PM2.5在大氣中壽命長、傳輸距離遠，有累積過程；而大運期間這個累積過程消失，由此也可看出PM2.5得到了控制。大運期間控制措施使NO2、PM10、PM2.5污染濃度下降，白天時段下降幅度更大，對PM2.5作用更明顯。

圖3 NO2、PM10、PM2.5(單位均為μg/m3)逐時變化情況

4 大運會期間減排措施效果細化分析

為確保大運會期間深圳市環境空氣質量水平達到國際賽事的要求，廣東省提前采取了一系列區域綜合減排措施，形成以深圳為主、周邊配合的聯防聯控。大運會前期(2011年7月10日至8月11日)，黃標車部分路段禁行，38萬輛機動車自愿限行，劃分區域單雙號限行，深圳、惠州、東莞劃定機動車限制行駛區域，投放部分新能源汽車等；停止土石方工程施工，圍蔽施工，不同控制區采取相應的停工措施，燃油或油氣混燒9E機組關停等。大運會期間(2011年8月12—23日)，31萬輛黃標車禁行，48萬輛機動車自愿限行，單雙號限行，深圳、惠州、東莞劃定機動車限制行駛區域，投放最后問量2011輛新能源汽車等；停止土石方工程施工，210個建筑工地停工，停運高污染鍋爐134臺、停產生產線32條，燃油或油氣混燒9E機組關停，電廠、垃圾廠嚴格監控等。

4.1 大運前后不同時段污染物濃度的變化

從2011年7月1日至9月30日NO2、PM10、PM2.5濃度的逐日變化可以看出大運期間數值最低。

為了更精確地解析大運期間污染物濃度變化的原因，通過查找2008—2010年8月高空和地面天氣形勢圖，并通過對該時間段內風、溫度、降水、氣壓等氣象要素資料的分析，尋找大運會期間的氣象條件相似日，分別為2008年6月21日、2008年7月1—3日、2008年7月9—10日、2008年8月1日、2008年8月12—13日、2008年8月17日、2008年8月24日，2009年7月6日、2009年7月29日、2009年8月14日、2009年8月17日、2009年8月26—28日、2010年6月29日、2010年8月12—13日、2010年8月16日，共計22 d。然后計算出所有相似日的NO2、PM10、PM2.5濃度平均值，見表2。

表2 大運會期間污染物濃度與相似日對比 μg/m3

注：“*”為2010年8月的PM2.5濃度。

7月10日是臨時控制措施逐步實施的開始日，故以2011年7月10日至8月11日作為大運前期。為了盡量平滑掉其中的典型天氣過程，大運后期時段延長至9月30日。分別計算出大運會前期、大運會期間、大運會后期的NO2、PM10、PM2.5濃度值，如表2所示。

將各時段與大運會期間(2011年8月12—23日)NO2、PM10和PM2.5濃度相比，大運會相似日NO2和PM10高出17 %、25 %，PM2.5降低7%；大運前期分別高出18%、42%、50%，大運會后期分別高出28%、140%和171%。可見大運會期間NO2、PM10和PM2.5濃度較各時段均有較大幅度的降低，氣象條件與人為措施的共同作用造成了大運會期間空氣質量極優和持續“藍天白云”。

大運會期間PM10下降最明顯，而PM10主要來自化石燃料在交通運輸、工業生產和生活中的廣泛應用以及建筑揚塵和風揚塵等，可見大運會期間關停了一些高污染排放企業對污染濃度的變化影響最快。NO2主要來源于汽車尾車的排放，對機動車的控制，包括對黃標車的停駛等措施，造成了NO2在大運會期間迅速下降，大運會后期的措施解禁，則造成迅速上升[13-15]。

4.2 深圳不同區域NO2、PM10和PM2.5濃度對比

將深圳市各監測點受控時期與大運后期NO2、PM10和PM2.5濃度進行對比，結果見表3、表4。大運后期與受控時期PM10比值高達3.73、3.64和3.6，分別出現在南山區的南油、荔香和寶安區的寶安站點；NO2比值最高的是南山區的荔香、南油和鹽田區的鹽田站；PM2.5的比值最高為竹子林的4.02，其次為本底站西涌的3.94。

表3 大運受控期間與大運后期NO2和PM10濃度對比

注：除比值外，單位均為μg/m3，下同。

表4 大運受控期間與大運會后期PM2.5濃度對比

南山區有一些大型火電廠，寶安區則集中了大型制造業。大運賽場集中的南山區和龍崗區是大運期間交通管控最嚴格的范圍，開幕式場地也位于南山區。竹子林位于市中心最主要的交通要道深南大道附近，西涌是大氣本底站。大運后期PM10濃度迅速升高，幅度最大在南山區和寶安區，NO2濃度升高最多在南山，PM2.5濃度升高最多在竹子林，考慮各區的工業布局和機動車流量狀況，除了氣象條件的影響，污染控制措施的解除也起到了相當的作用。PM2.5的比值最大也說明了其作為二次污染物的活躍性[16-23]，占據比例大且影響明顯。大運期間南山區管控效果最明顯，作為中心區域的福田區PM2.5控制得最好。

4.3 深圳市與周邊鄰近城市污染濃度比較

比較2011年8月和2010年8月的HYSPLIT4后向軌跡，分別見圖4、圖5。可以看出，2011年8月和2010年8月氣流軌跡和污染擴散氣象條件非常相似，不利于污染擴散的氣象條件均較少，差別在于不利擴散的風向中2011年8月偏北風頻率稍高，而2010年8月東北風頻率較高，但月尺度氣象條件大致相似。

圖4 2011年8月HYSPLIT4氣流后向軌跡圖

圖5 2010年8月HYSPLIT4氣流后向軌跡圖

將月尺度氣象條件大致相似月2010年8月與2011年8月深圳工業集中的寶安區與鄰近的東莞、龍崗區與鄰近的惠州NO2、PM10對比，結果見表5。可見，各時段NO2濃度寶安和龍崗區均高于周邊相鄰城市，龍崗比惠州高出近50 %。PM10濃度則是寶安和龍崗區低于相鄰城市。只有2010年8月龍崗較高(因該段時間龍崗建設大運場館，施工較多)。與鄰近市的對比結果表明，PM10有輸送作用，而NO2有擴散作用的區域效應。

深圳的機動車已經突破200萬輛，且呈逐年上升趨勢，無論每平方公里車輛密度還是每公里車輛密度在全國都是第一位的，因此與機動車排放密切相關的NO2濃度也相對較高。而鄰近的東莞市內大型的電鍍廠等重型工業對深圳污染濃度有一定的影響。龍崗因施工原因可能導致2010年8月PM10濃度升高，而2011年8月為保障賽事的進行，采取了嚴控措施，使龍崗比惠州低30%。

從表5可見，大部分站點的NO2和PM10濃度，2011年8月反而比2010年8月高，是因為大運會后期，氣象條件加上解禁措施導致污染濃度上升迅速，達到較高水平。排除大運會后期的氣象條件影響，人為解禁措施對濃度上升仍起到重要作用。

注：空表示無數據。

從季節來看，8月常常盛行偏南氣流，是污染濃度相對較低的月份，如果在秋、冬季，盛行偏北氣流，尤其是弱北風時，相鄰城市的污染擴散對深圳的影響可能更嚴重[20,23]。

5 結論

1)相似日、大運會前期、大運會后期，相比大運會時段(2011年8月12—23日)， NO2、PM10和PM2.5濃度分別高出17%～28%、25%～140%、-7%～171 %。表明污染控制措施在大運會期間效果顯著，大運會期間關停了一些高污染排放企業對污染濃度的影響最明顯，而對汽車尾氣排放的控制造成了NO2也隨之迅速上升、下降。本地污染物中二次污染物細粒子起到了主導作用，在大運會期間對PM2.5的控制起到了顯著效果。

2)NO2、PM10和PM2.5濃度在大運會期間各時次均明顯下降，且白天下降幅度大，其中NO2白天下降最明顯。PM2.5年變化在20：00至次日8：00的高值階段，在大運會期間變成了反位相，即夜間到凌晨的污染累積過程消失。表明周邊協同減排作用明顯。

3)由于污染排放對污染濃度的日變化起到了主要作用，排除氣象因素的作用，大運后期控制措施的解除，致使污染物濃度快速上升到較高水平，且工業布局密集的區域及機動車流量最大的區域上升幅度最大，所以控制污染的排放是治理空氣環境的主要方面。

4)深圳與周邊城市的相互影響表現為PM10有輸送作用，NO2有擴散作用，污染防治需重視區域協同的作用。

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