馬 強(qiáng) 陳天然 陳翠紅 萬(wàn) 梅 熊傳芳 雷 宇 薄 宇,7#

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084；2.生態(tài)環(huán)境部環(huán)境規(guī)劃院，北京 100012；3.清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)系，北京 100084；4.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094；5.浙江清華長(zhǎng)三角研究院，浙江 嘉興 314006；6.嘉興市生態(tài)環(huán)境局，浙江 嘉興 314000；7.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029)

近年來(lái)，隨著我國(guó)《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的實(shí)施，大部分城市空氣質(zhì)量得到明顯改善[1-5]。2017年，京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角3個(gè)區(qū)域的PM2.5年平均質(zhì)量濃度分別為64、44、34 μg/m3，比2013年分別下降了39.6%、34.3%、27.7%[6]。但京津冀和長(zhǎng)三角等區(qū)域城市空氣質(zhì)量與《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)尚有較大差距，尤其在秋冬季節(jié)，重污染天氣時(shí)有發(fā)生[7-9]。而且，在城市空氣質(zhì)量總體改善的同時(shí)，O3污染問(wèn)題變得日益突出[10-11]，成為繼PM2.5之后影響城市空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)本地O3生成的敏感性分析。此外，以PM2.5為代表的顆粒物及其前體物(NO2和SO2)可能存在的區(qū)域間傳輸問(wèn)題也不能掉以輕心。

嘉興市地處長(zhǎng)三角中心區(qū)域，是全國(guó)首批開(kāi)展PM2.5監(jiān)測(cè)的74個(gè)重點(diǎn)城市之一，同時(shí)世界互聯(lián)網(wǎng)大會(huì)永久落戶嘉興市，這對(duì)其環(huán)境空氣質(zhì)量提出了更高要求。受氣象條件等因素影響，污染天氣的形成過(guò)程除了本地排放外還與污染物的區(qū)域傳輸有關(guān)[12-15]。了解本地污染特征做好自身減排工作與開(kāi)展區(qū)域協(xié)同減排對(duì)城市環(huán)境質(zhì)量改善具有同等重要的意義[16-17]。

本研究比較分析了嘉興市2013—2017年空氣質(zhì)量變化趨勢(shì)，重點(diǎn)研究了嘉興市2017年的大氣污染特征，同時(shí)利用WRF-CMAQ模型模擬分析了周邊地區(qū)對(duì)嘉興市大氣污染的貢獻(xiàn)，以期為嘉興市進(jìn)行大氣污染防控和環(huán)境空氣質(zhì)量改善提供科學(xué)支持。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

2013—2017年嘉興市環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)源于環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，各監(jiān)測(cè)站空間位置信息見(jiàn)表1，其中嘉興學(xué)院、南湖區(qū)殘聯(lián)和清河小學(xué)為國(guó)控站點(diǎn)，其他均為省控站點(diǎn)。監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括PM2.5、PM10、O3、NO2、CO和SO2。環(huán)境空氣質(zhì)量按GB 3095—2012二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》(HJ 663—2013)進(jìn)行計(jì)算，PM2.5、PM10、SO2、NO2算年平均，CO算24 h平均值的第95百分位數(shù)，O3算日最大8 h滑動(dòng)平均值的第90 百分位數(shù)。

表1 嘉興市環(huán)境空氣質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站空間位置

2017年嘉興市污染物排放量按照《城市大氣污染物排放清單編制技術(shù)手冊(cè)》的方法計(jì)算得到；2017年周邊城市(蘇州市、湖州市、上海市、杭州市、紹興市和寧波市)污染物排放量來(lái)自2017年中國(guó)多尺度排放清單模型(MEIC)的排放清單數(shù)據(jù)。

1.2 區(qū)域傳輸研究方法

利用WRF-CMAQ模型設(shè)計(jì)了1個(gè)基準(zhǔn)情景和1個(gè)排放置零情景，定量評(píng)估周邊地區(qū)對(duì)嘉興市大氣PM2.5、PM10、NO2和SO2濃度的傳輸貢獻(xiàn)?；鶞?zhǔn)情景用嘉興市污染物排放量現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，排放置零情景將嘉興市污染物排放量均置零。排放置零情景下得到的模擬結(jié)果即為周邊地區(qū)對(duì)嘉興市的傳輸貢獻(xiàn)。評(píng)價(jià)時(shí)間為2017年，同時(shí)分析了各個(gè)季度，以1、4、7、10月分別作為冬季、春季、夏季和秋季的代表月份。

對(duì)嘉興市3個(gè)國(guó)控監(jiān)測(cè)站的監(jiān)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行比較顯示，模型模擬值與監(jiān)測(cè)值吻合良好，時(shí)間變化趨勢(shì)基本一致，模型模擬結(jié)果可信。

1.3 敏感性分析方法

O3生成主要受本地NOx或揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)控制，本研究對(duì)O3進(jìn)行敏感性分析，設(shè)置了3種減排情景，即人為源NOx單獨(dú)減排50%(情景1)、人為源VOCs單獨(dú)減排50%(情景2)和兩者都減排50%(情景3)，以衡量O3對(duì)前體物排放的敏感性[18]。研究時(shí)段選擇O3問(wèn)題突出的2017年5—9月。

2 結(jié)果與討論

2.1 嘉興市空氣質(zhì)量時(shí)間變化特征

2013—2017年嘉興市6項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)質(zhì)量濃度如表2所示。其中，2013—2017年歷年P(guān)M2.5分別為68、57、53、44、42 μg/m3，呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì)，但是截至2017年仍未達(dá)標(biāo)，超標(biāo)20.0%；歷年P(guān)M10分別為94、81、76、69、67 μg/m3，已于2016年達(dá)標(biāo)；歷年O3分別為175、174、182、175、182 μg/m3，連續(xù)5年超標(biāo)，并且呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)；歷年NO2分別為47、44、43、37、37 μg/m3；歷年SO2分別為30、26、21、14、11 μg/m3；歷年CO分別為2.1、1.6、1.3、1.3、1.3 mg/m3。截至2017年，NO2、SO2和CO均已達(dá)標(biāo)。

表22013—2017年嘉興市6項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)質(zhì)量濃度1)

注：1)PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2的單位為μg/m3，CO的單位為mg/m3。

2013—2017年除無(wú)效數(shù)據(jù)外嘉興市空氣質(zhì)量污染分級(jí)狀況如圖1所示。歷年優(yōu)良達(dá)標(biāo)天數(shù)分別為214、254、235、269、263 d，達(dá)標(biāo)率分別為58.6%、69.6%、64.4%、73.5%、72.1%。重度污染及以上天數(shù)呈逐年下降趨勢(shì)。

圖1 2013—2017年嘉興市空氣質(zhì)量污染分級(jí)分布Fig.1 Air quality pollution classification distribution in Jiaxing during 2013-2017

2.2 嘉興市空氣質(zhì)量空間差異特征

圖2為2017年嘉興市6項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)經(jīng)克里金插值處理后得到的空間差異分布圖。

嘉興市PM2.5的高值區(qū)集中在以經(jīng)開(kāi)區(qū)為中心的主城區(qū)，向外逐漸降低。這是因?yàn)橹鞒菂^(qū)人口密度大，路網(wǎng)密集，且分布著一定數(shù)量的電力、水泥、平板玻璃等行業(yè)企業(yè)，一次顆粒物排放量較高。

嘉興市PM10的空間分布與PM2.5不同，呈現(xiàn)出西部高、東部低的特征。除人口密度、工業(yè)企業(yè)分布等因素影響外，嘉興市東部的平湖市、港區(qū)、海鹽縣等因?yàn)榕R海，所以來(lái)自海面的清潔空氣及海風(fēng)對(duì)粗顆粒物有較好的稀釋和沉降作用。

嘉興市NO2呈現(xiàn)西北部高、東南部低的空間分布特征，其高值區(qū)集中在秀洲區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)和桐鄉(xiāng)市。高值區(qū)工業(yè)較為發(fā)達(dá)，路網(wǎng)稠密，是工業(yè)源和移動(dòng)源NOx排放較為集中的區(qū)域，未來(lái)需對(duì)該區(qū)域進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和交通運(yùn)輸結(jié)構(gòu)調(diào)整。

嘉興市SO2的高值區(qū)集中在海寧市東部、秀洲區(qū)南部和海鹽縣西部部分區(qū)域。工業(yè)鍋爐及電廠的排放可能是該區(qū)域SO2濃度較高的主要原因。

嘉興市CO的高值區(qū)主要在秀洲區(qū)、經(jīng)開(kāi)區(qū)和海寧市。工業(yè)企業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)扰欧艑?duì)CO有重要貢獻(xiàn)，上述區(qū)域人口密集，工業(yè)企業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)纫蚕鄬?duì)集中。

圖2 2017年嘉興市6項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的空間分布Fig.2 Spatial distribution of 6 monitoring indexes in Jiaxing in 2017

除海鹽縣外，其他地區(qū)O3濃度總體均偏高，特別是北部地區(qū)。嘉興市涉VOCs企業(yè)較多，夏季受高溫影響時(shí)容易在本地迅速生成O3。

2.3 周邊地區(qū)對(duì)嘉興市的傳輸影響

2017年基準(zhǔn)情景和排放置零情景的PM2.5、PM10、NO2和SO2模擬結(jié)果見(jiàn)圖3。兩種不同情景下的PM2.5、PM10、NO2和SO2模擬濃度比對(duì)可定量分析周邊地區(qū)對(duì)嘉興市空氣質(zhì)量的傳輸影響。從排放置零情景的分布中可以看到，當(dāng)嘉興市零排放時(shí)，嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2濃度明顯下降，因此周邊地區(qū)對(duì)嘉興市的傳輸影響不可小覷，定量分析結(jié)果見(jiàn)表3至表6。

2017年，周邊地區(qū)對(duì)嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2的傳輸貢獻(xiàn)分別為36.2%、31.9%、25.6%、26.7%。由于2017年P(guān)M2.5仍然超標(biāo)，因此用同樣的方法進(jìn)一步分析周邊不同城市對(duì)嘉興市PM2.5的傳輸貢獻(xiàn)大小，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，蘇州市、湖州市、上海市、杭州市、紹興市、寧波市對(duì)嘉興市PM2.5的傳輸貢獻(xiàn)分別為11.2%、7.9%、7.7%、5.9%、1.8%、1.5%。

圖3 2017年基準(zhǔn)情景與置零情景對(duì)比Fig.3 Comparison of baseline and zero scenarios in 2017

表32017年周邊地區(qū)對(duì)嘉興市PM2.5的傳輸貢獻(xiàn)

表42017年周邊地區(qū)對(duì)嘉興市PM10的傳輸貢獻(xiàn)

表52017年周邊地區(qū)對(duì)嘉興市NO2的傳輸貢獻(xiàn)

從不同季節(jié)來(lái)看，周邊地區(qū)對(duì)嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2的傳輸貢獻(xiàn)分別為23.1%～41.5%、25.5%～36.2%、16.7%～30.2%、12.5%～35.7%，季節(jié)差異較大，可能與不同季節(jié)的溫度、盛行風(fēng)向等有關(guān)。由此可見(jiàn)，根據(jù)區(qū)域傳輸?shù)募竟?jié)性變化，制定針對(duì)性的聯(lián)防聯(lián)控措施非常必要。

表62017年周邊地區(qū)對(duì)嘉興市SO2的傳輸貢獻(xiàn)

2.4 O3生成的敏感性分析

由表7可見(jiàn)，當(dāng)人為源NOx單獨(dú)減排50%時(shí)，嘉興市5—9月O3質(zhì)量濃度上升0.1%，其中6、8、9月O3濃度上升，5、7月下降；當(dāng)人為源VOCs單獨(dú)減排50%時(shí)，嘉興市5—9月O3質(zhì)量濃度下降5.4%，且每個(gè)月的O3濃度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，9月下降比例達(dá)到15.8%；當(dāng)兩者都減排50%時(shí)，嘉興市5—9月O3質(zhì)量濃度下降5.1%，其中5、7、8、9月O3濃度下降，6月上升。由此可知，嘉興市O3生成處于VOCs控制區(qū)，即O3對(duì)VOCs減排敏感，而對(duì)NOx減排不敏感。因此，要控制嘉興市的O3，應(yīng)重點(diǎn)控制VOCs排放，輔以控制NOx排放。

表7 不同情景下O3質(zhì)量濃度變化比例

3 結(jié) 論

(1) 總體而言，2013—2017年嘉興市PM2.5逐年下降，重度污染及以上天數(shù)逐年減少，環(huán)境空氣質(zhì)量呈逐年好轉(zhuǎn)趨勢(shì)。截至2017年，PM10、NO2、SO2和CO均已達(dá)標(biāo)，但PM2.5和O3仍未達(dá)標(biāo)。6項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)空間分布不同，主要與人口密度、交通和產(chǎn)業(yè)分布及氣象因素有關(guān)。

(2) 2017年，周邊地區(qū)對(duì)嘉興市PM2.5、PM10、NO2和SO2的傳輸貢獻(xiàn)分別為36.2%、31.9%、25.6%、26.7%，季節(jié)差異較大，建議根據(jù)區(qū)域傳輸?shù)募竟?jié)性變化，制定針對(duì)性的聯(lián)防聯(lián)控措施。

(3) 嘉興市O3生成處于VOCs控制區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)控制VOCs排放，輔以控制NOx排放。