岳巖裕 沈龍嬌 周 悅 柳 草 張 靈 范進(jìn)進(jìn)

1 武漢區(qū)域氣候中心,武漢 430074 2 中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所,武漢430205 3 武漢市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站,武漢 430015 4 武漢中心氣象臺(tái),武漢 430074 5 湖北省公眾氣象服務(wù)中心,武漢 430074

提 要： 利用2019年10月1—30日湖北省及鄰近地區(qū)的空氣質(zhì)量、氣象要素監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和再分析資料，分析了第七屆世界軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱軍運(yùn)會(huì))期間和前后時(shí)段空氣質(zhì)量變化特征及氣象條件的影響。軍運(yùn)會(huì)管控期Ⅱ(17—28日)與過(guò)去五年(2014—2018年)同期相比顆粒物濃度下降最明顯，與長(zhǎng)沙等其他城市相比也是最低，相近時(shí)間段或相似背景下未采取管控措施，PM2.5濃度上升速度快，管控措施對(duì)顆粒物削峰降速作用明顯。管控期O3和NO2為首要污染物，O3濃度與過(guò)去五年相比升高，但管控仍起了一定作用，武漢城市圈O3超標(biāo)背景下武漢未達(dá)輕度污染級(jí)別；NO2濃度同比下降，環(huán)比其他城市偏高。與管控期Ⅰ(13—16日)相比，管控期Ⅱ措施更嚴(yán)格，但降水偏少、風(fēng)速偏小，氣象條件整體不利于污染物濃度降低，因此濃度有所上升，其中17—21日以反氣旋環(huán)流為主，天氣形勢(shì)靜穩(wěn)，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，O3和NO2濃度上升明顯?；跉庀髼l件評(píng)估指數(shù)(EMI)分析發(fā)現(xiàn)，2019年10月與2013—2017年相比，EMI為正值，說(shuō)明2019年的氣象條件不利于PM2.5濃度的降低，PM2.5濃度下降主要是由減排造成的。

引 言

2019年10月18—27日第七屆世界軍人運(yùn)動(dòng)會(huì)(以下簡(jiǎn)稱軍運(yùn)會(huì))在武漢舉行，為保障比賽期間的空氣質(zhì)量，武漢市成立了軍運(yùn)會(huì)賽時(shí)環(huán)境空氣質(zhì)量保障指揮部，發(fā)布了大氣環(huán)境質(zhì)量管理臨時(shí)性措施及應(yīng)急措施，包括部分企業(yè)停產(chǎn)限產(chǎn)、工地停工、柴油貨車限行、加強(qiáng)道路清潔等，以確保軍運(yùn)會(huì)期間武漢市的空氣質(zhì)量。

大型活動(dòng)或賽事通常通過(guò)實(shí)施一系列的大氣污染物臨時(shí)管控減排措施，來(lái)提高期間空氣質(zhì)量的水平，近十幾年多項(xiàng)大型活動(dòng)或賽事期間的防治減排工作，為開(kāi)展區(qū)域大氣污染特征及大氣污染控制效果研究提供了難得的實(shí)踐機(jī)會(huì)(吳兌等，2012；陳敏等，2013；謝放尖等，2014;Huang et al,2015)。為此，學(xué)者們開(kāi)展了有針對(duì)性的研究，劉子銳等(2011)指出2008年北京奧運(yùn)會(huì)期間排放減少和區(qū)域輸送減弱導(dǎo)致顆粒物濃度顯著降低。程念亮等(2016)分析2014年11月1—12日APEC會(huì)議期間北京市PM2.5、PM10、SO2、NO2的濃度比近五年平均濃度分別降低了45%、43%、64%和31%。Tang et al(2015)發(fā)現(xiàn)2014年北京APEC會(huì)議期間區(qū)域輸送貢獻(xiàn)比會(huì)前降低了36%，本地源排放也降低了48%。Wei et al(2016)發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)逆溫和高濕度的影響下，APEC會(huì)議結(jié)束后北京出現(xiàn)了污染物濃度的爆發(fā)性增長(zhǎng)。穩(wěn)定的天氣背景如小風(fēng)、高濕和強(qiáng)逆溫等易造成重污染(Lin et al,2008;Chen et al,2018；陳鐳等,2020；胡春梅等,2020)，受不利氣象條件的影響2016年杭州G20會(huì)議期間顆粒物、SO2和O3濃度比管控前均有不同程度增長(zhǎng)，但其增幅比周邊城市小(趙軍平等，2017)。

軍運(yùn)會(huì)和2014年北京APEC會(huì)議均在秋季舉辦，兩次會(huì)議期間的氣象條件差異較大，且容易出現(xiàn)靜穩(wěn)天氣，減排的效果會(huì)受到不利氣象條件影響(Zhou et al,2010;王占山等，2016；張礁石等，2016)。通過(guò)分析軍運(yùn)會(huì)期間武漢及其周邊地區(qū)空氣質(zhì)量特征，定性和定量研究氣象條件對(duì)武漢軍運(yùn)會(huì)期間空氣質(zhì)量變化的影響，并初步評(píng)估軍運(yùn)會(huì)期間管控措施對(duì)PM2.5濃度變化的貢獻(xiàn)，以期為今后華中地區(qū)大型活動(dòng)空氣質(zhì)量保障提供建議和參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)來(lái)自生態(tài)環(huán)境部數(shù)據(jù)中心發(fā)布的全國(guó)不同城市(武漢、黃岡、孝感、襄陽(yáng)、信陽(yáng)、長(zhǎng)沙,圖1)2015—2019年逐日(01—24時(shí))六要素(PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2、CO)濃度和空氣質(zhì)量指數(shù)數(shù)據(jù)(https:∥datacenter.mee.gov.cn/websjzx/queryIndex.vm)；武漢市10個(gè)國(guó)控站點(diǎn)(圖1)數(shù)據(jù)來(lái)自湖北省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站。地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)和高空填圖來(lái)自湖北省氣象局信息與技術(shù)保障中心綜合氣象信息共享平臺(tái)(CIMISS)，氣象要素包括氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、日照等逐小時(shí)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，并基于逐小時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算氣象要素日均值。

PM2.5氣象條件評(píng)估指數(shù)(EMI)是表征PM2.5濃度變化中氣象條件貢獻(xiàn)的無(wú)量綱指標(biāo)(國(guó)家氣象中心和中國(guó)氣象科學(xué)研究院,2019)，用地面至1 500 m高度氣柱PM2.5平均濃度與參考濃度的比值表示，可以定量反映氣象條件變化對(duì)濃度變化的貢獻(xiàn)率，負(fù)值表示擴(kuò)散條件較優(yōu)，有降低PM2.5濃度效果，正值表示擴(kuò)散條件較差，有增加PM2.5濃度效果。EMI通過(guò)霧-霾數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)CMA-CUACE-HAZE模式計(jì)算得到，計(jì)算覆蓋全國(guó)，水平分辨率為15 km，計(jì)算時(shí)使用2015年排放源，基于格點(diǎn)數(shù)據(jù)插值得到武漢市站點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

污染物濃度變率(RATE0)、氣象條件變率(RATEW)和排放變化率(RATES)的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：C1為時(shí)段1污染物濃度，C0為時(shí)段0污染物濃度；I1為時(shí)段1的EMI，I0為時(shí)段0的EMI。

1.3 研究時(shí)間

軍運(yùn)會(huì)舉辦時(shí)間為2019年10月18—27日，根據(jù)管控時(shí)間將武漢市軍運(yùn)會(huì)分為三個(gè)階段：管控前(10月1—12日)、管控期(13—28日)和管控后(29—31日)，其中17—28日為應(yīng)急管控期，因此分析中將管控期分為管控期Ⅰ(13—16日)和管控期Ⅱ(17—28日)。10月13日武漢市政府通過(guò)了大氣環(huán)境質(zhì)量管理臨時(shí)性措施的決定，17日武漢市啟動(dòng)了該措施，按照“一企一策”的要求，針對(duì)全市的重點(diǎn)企業(yè)采取全面的應(yīng)急措施，同時(shí)對(duì)長(zhǎng)江武漢段和漢江武漢段的貨船等進(jìn)行了管控。加強(qiáng)對(duì)重點(diǎn)區(qū)域機(jī)動(dòng)車的疏導(dǎo)，限行全市范圍部分公交車，鼓勵(lì)市民采取綠色出行方式，全市暫停工地施工，并對(duì)道路進(jìn)行了灑水降塵作業(yè)。

2 結(jié)果分析

2.1 天氣形勢(shì)分析

由2019年10月13—28日500 hPa平均高度距平場(chǎng)可見(jiàn)(圖2)，東亞大陸上的高空槽脊系統(tǒng)，分別位于貝加爾湖和鄂霍次克海至日本群島，高空槽和高空脊系統(tǒng)均較常年同期略強(qiáng)，中國(guó)大陸北部處于高空槽后，南部為副熱帶高壓控制。西太平洋副熱帶高壓被東海上空的氣旋分隔為兩個(gè)單體，其中一個(gè)單體位于東亞大陸588 dagpm線，呈閉合狀態(tài)，中心強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，位置異常偏西，水汽輸送相對(duì)較西。在與之對(duì)應(yīng)的低空850 hPa風(fēng)場(chǎng)上，以南海為中心的反氣旋較為明顯，湖北省處于反氣旋的北部，降水呈現(xiàn)出西多東少的特征。武漢市降水量也較常年同期偏少6成多。

10月5—16日湖北省500 hPa高度以平直氣流為主，多波動(dòng)?xùn)|移，配合低空弱切變線，湖北大部包括武漢市以陰雨天氣為主。17—21日高空以偏北氣流為主，天氣晴好，氣溫回升，地面受均壓場(chǎng)控制，風(fēng)力較弱。21—27日，500 hPa再次轉(zhuǎn)為平直氣流，云系明顯增加，其中22日受切變線影響，湖北大部出現(xiàn)小到中雨，其他時(shí)間湖北中東部包括武漢市以陰天間多云或弱降水為主。28日開(kāi)始高空再次轉(zhuǎn)為偏北氣流，湖北大部天氣多云轉(zhuǎn)晴。

2.2 軍運(yùn)會(huì)空氣質(zhì)量時(shí)間分布特征

軍運(yùn)會(huì)不同管控階段的污染物濃度處于低值(表1)，AQI維持輕度污染以下，與往年相比顯著偏低，四個(gè)階段AQI數(shù)值為管控后>管控前>管控期Ⅱ>管控期Ⅰ；PM2.5、PM10和NO2濃度值為管控后>管控期Ⅱ>管控前>管控期Ⅰ；SO2和CO濃度在管控期最低；O3濃度為管控前>管控期Ⅱ>管控后>管控期Ⅰ。1—12日未采取管控措施前武漢的PM2.5和PM10質(zhì)量濃度平均值分別為28.8 μg·m-3、47.2 μg·m-3，與2014—2018年五年同期相比分別偏低40%和45%，這一階段空氣質(zhì)量整體較好，明顯優(yōu)于往年同期。進(jìn)入管控期后，在管控期Ⅰ(13—16日)顆粒物和反應(yīng)性氣體濃度比管控前降低，但管控期Ⅱ(17—28日)大氣污染物濃度反而有所上升，PM2.5、PM10、NO2濃度比管控前分別上升了15%、13%和40%，其中NO2上升幅度最大；但與五年同期相比顆粒物濃度仍下降顯著(偏低約48%),NO2偏低21%，O3偏高13%。管控后(29—31日)，除O3外，其他污染物的濃度均有所上升，與管控期Ⅱ相比PM10和NO2分別上升了136%和67%。隨著減排措施的取消，大氣污染物濃度呈現(xiàn)反彈上升的趨勢(shì)，與趙輝等(2015)研究結(jié)果相似。

圖1 武漢市空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)站及周邊城市地理位置(1:漢口華橋,2:漢陽(yáng)月湖,3:武昌紫陽(yáng),4:青山鋼花,5:民族大道,6:黃岡,7:襄陽(yáng),8:孝感,9:信陽(yáng),10:長(zhǎng)沙;1～5為武漢市國(guó)控站點(diǎn))Fig.1 The locations of air quality monitoring sites in Wuhan and the surrounding cities(1: Hankouhuaqiao, 2: Hanyangyuehu, 3: Wuchangziyang, 4: Qingshanganghua, 5: Minzudadao,6: Huanggang, 7: Xiangyang, 8: Xiaogan, 9: Xinyang, 10: Changsha; 1-5 represent state-controlled stations of Wuhan)

圖2 2019年10月13—28日軍運(yùn)會(huì)管控期間500 hPa高度場(chǎng)及其距平(填色：距平場(chǎng)，等值線：平均場(chǎng)，單位：gpm)Fig.2 Average height field and its anomaly at 500 hPa (colored: anomaly, contour: average, unit: gpm) during control period of the 7th CISM Military World Games in 13-28 October 2019

在2014—2018年五年同期，10月17—28日PM2.5、PM10、NO2、CO濃度平均值均為四個(gè)時(shí)段內(nèi)最高，說(shuō)明這一時(shí)段的天氣形勢(shì)易于污染天氣的形成，挑選2017—2019年10月相近時(shí)間段的5次污染過(guò)程(過(guò)程1：2019年10月16—23日，過(guò)程2：2018年10月1—10日,過(guò)程3：2018年10月20—26日,過(guò)程4：2017年10月5—11日,過(guò)程5：2017年10月19—25日)，對(duì)比分析采取管控措施對(duì)污染過(guò)程的影響(表2)，可以看出過(guò)程1～過(guò)程3 PM2.5濃度、O3濃度和AQI的上升速度比較接近，過(guò)程1中PM2.5濃度上升速度略慢，其峰值濃度低，且O3初始濃度偏高，在相似的上升速度下，峰值濃度更高。過(guò)程2的O3初始濃度最高，峰值濃度也高，達(dá)到輕度污染。2017年的兩次過(guò)程(過(guò)程4和過(guò)程5)初始濃度均較低，但是上升速度快，AQI也達(dá)到輕度污染。軍運(yùn)會(huì)期間(過(guò)程1)的PM2.5濃度和AQI上升速度最慢，O3濃度上升速度僅比過(guò)程2略快，說(shuō)明軍運(yùn)會(huì)管控措施可以降低污染物濃度上升的速度，對(duì)顆粒物作用最為顯著，但對(duì)O3作用略小。

同時(shí)，值得注意的是O3和NO2濃度在管控期Ⅱ均出現(xiàn)高于其他年份或明顯升高的特征，管控期O3和NO2為首要污染物的時(shí)段占總?cè)諗?shù)的83%，這表明軍運(yùn)會(huì)管控措施下仍然存在著部分時(shí)段O3和NO2濃度增加的問(wèn)題。

表1 2019年軍運(yùn)會(huì)不同管控階段的AQI、六要素濃度及同期對(duì)比Table 1 AQI, pollutant concentrations and contemporary comparison in different control periods of the 7th CISM Military World Games in 2019

表2 不同過(guò)程PM2.5、O3和AQI濃度及其變化幅度Table 2 Concentrations and variation ranges of PM2.5 and O3 and AQI in different processes

2.3 空氣質(zhì)量空間分布特征

2.3.1 武漢城區(qū)不同站點(diǎn)污染物濃度變化特征

進(jìn)一步探討軍運(yùn)會(huì)管控期武漢地區(qū)主要國(guó)控站點(diǎn)污染物的變化特征。圖3給出了2018年和2019年的10月13—28日5個(gè)國(guó)控站點(diǎn)(漢陽(yáng)月湖、漢口華橋、武昌紫陽(yáng)、青山鋼花、民族大道)PM2.5、PM10、O3、NO2、SO2濃度和AQI值的變化， 2018年和2019年青山鋼花AQI值最高，下降幅度也為最大，其他站點(diǎn)相差不大。青山鋼花國(guó)控站位于武漢市鋼鐵基地，重工業(yè)產(chǎn)業(yè)集中，污染偏重。管控期青山鋼花PM2.5濃度最高(40 μg·m-3)，其次為漢口花橋，而5個(gè)站點(diǎn)的PM10濃度相近，為48 μg·m-3(民族大道)～55 μg·m-3(漢陽(yáng)月湖)。與2018年相比，管控期不同站點(diǎn)PM2.5和PM10下降了15%～32%，下降幅度最大的為青山鋼花。這主要由于顆粒物污染主要來(lái)自固定式燃燒、冶金和建筑活動(dòng)等，開(kāi)展重點(diǎn)企業(yè)精準(zhǔn)管控，對(duì)全市工地進(jìn)行建筑揚(yáng)塵處理，有效減低了顆粒物濃度。NO2濃度最高站點(diǎn)為武昌紫陽(yáng)(位于黃鶴樓和臨江大道之間)，民族大道站最低，5個(gè)國(guó)控站下降幅度為7%～27%；SO2濃度下降幅度為9%～40%，燃煤、燃油等工業(yè)過(guò)程以及汽車尾氣為SO2和NO2主要來(lái)源之一，Cheng et al(2014)發(fā)現(xiàn)武漢地區(qū)污染天氣主要受到靜穩(wěn)天氣的影響，氣態(tài)污染物的二次轉(zhuǎn)化對(duì)高濃度PM2.5貢獻(xiàn)很大(劉曉詠等,2019)，機(jī)動(dòng)車排放和生物質(zhì)燃燒進(jìn)一步加劇了污染天氣的強(qiáng)度。

軍運(yùn)會(huì)期間武漢市對(duì)部分柴油公交車或貨車進(jìn)行限行，減少了大型煉鋼、石化工廠生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)貨車通行及港口船舶等采取了一定的管控措施，在一定程度上降低了NO2和SO2濃度，其中NO2和SO2下降幅度最大的均為武昌紫陽(yáng)。但值得注意的是，O3濃度在5個(gè)站點(diǎn)均出現(xiàn)了上升特征，說(shuō)明管控措施對(duì)O3濃度影響不大，黃凡等(2020)、陳楠等(2017)均指出武漢市屬于揮發(fā)性有機(jī)化物合物(VOC)控制區(qū)，溶劑涂料、機(jī)動(dòng)車尾氣和工業(yè)排放均為VOC主要來(lái)源，其控制難度大。在晴空靜穩(wěn)的天氣下，僅NO2濃度下降，O3濃度無(wú)法降低。

圖3 2018年和2019年的10月13—28日武漢市不同國(guó)控站PM2.5(a)、PM10(b)、O3(c)、NO2(d)、SO2(e)濃度和AQI值(f)Fig.3 Concentrations of PM2.5 (a), PM10 (b), O3 (c), NO2 (d) and SO2 (e) and AQI (f) at different state-controlled stations in Wuhan in 13-28 October 2018 and 2019

2.3.2 武漢市污染物濃度與周邊城市對(duì)比

圖4給出了管控前和管控期武漢及周邊城市主要污染物濃度變化特征。管控期間雖然武漢城市圈(“1+8”城市，包括武漢、鄂州、黃岡、黃石、咸寧、孝感、天門(mén)、潛江、仙桃)的主要城市武漢、黃岡和孝感顆粒物濃度出現(xiàn)增長(zhǎng)，但是增加幅度低于襄陽(yáng)和信陽(yáng)(圖4)，且與其他城市相比，武漢市顆粒物濃度在管控期間尤其是管控期Ⅱ是所涉及城市中最低。高慶先等(2015)對(duì)APEC期間北京的AQI與周邊城市對(duì)比中也發(fā)現(xiàn)了類似的特點(diǎn)。NO2濃度在管控期Ⅱ較管控前所有城市都增加，增幅為31%～54%，其中武漢NO2濃度最高。根據(jù)武漢市污染源清單調(diào)查結(jié)果顯示，武漢市NOX排放主要來(lái)源于移動(dòng)源排放，約占全市總排放量的6成，其次為工業(yè)源，占比約為30%；移動(dòng)源中道路移動(dòng)源排放占比較大(60%以上)。僅對(duì)部分柴油公交車或貨車、貨輪、集裝箱車等采取管控措施，結(jié)果對(duì)NO2濃度增加的抑制效果有限。

武漢、孝感和長(zhǎng)沙的O3濃度在管控期Ⅱ與管控前比有所下降(圖4)，而其他城市上升，信陽(yáng)增幅最大(16%)。孝感在21日O3濃度為174 μg·m-3，黃岡20日為162 μg·m-3均達(dá)到輕度污染級(jí)別，管控措施一定程度上抑制了武漢市O3濃度達(dá)到輕度污染。軍運(yùn)會(huì)期間武漢O3濃度比管控前降低，但依然高于長(zhǎng)沙地區(qū)的數(shù)值，且比2018年同期濃度也有所增加，說(shuō)明O3前體物控制難度大，趙金帥等(2020)指出在鄭州少數(shù)民族運(yùn)動(dòng)會(huì)期間O3濃度降幅僅為3.7%，前體物VOC低于歷史同期，機(jī)動(dòng)車尾氣貢獻(xiàn)最大。由于O3生成與前體物之間呈非線性關(guān)系，需要考慮進(jìn)行NOX和VOC協(xié)同管控(Li et al,2017)。

2.4 氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量影響

2.4.1 軍運(yùn)會(huì)不同階段氣象條件分析

管控期Ⅰ(13—16日)湖北省經(jīng)歷了一次中等強(qiáng)度冷空氣且伴隨降水，這一階段氣壓和風(fēng)速最大(表3)，且高于2014—2018年同期，顆粒物、NO2和O3濃度最低(表1)。14日PM10和O3出現(xiàn)小幅上升(圖5)，PM10濃度上升幅度大于PM2.5，造成這種現(xiàn)象主要是因?yàn)槔淇諝獾妮斔妥饔?，外源輸送?duì)湖北省污染天氣貢獻(xiàn)明顯(祁海霞等，2019;Zhou et al,2019)，14日湖北大部PM10濃度由0～50 μg·m-3上升至大于50～150 μg·m-3，15日在風(fēng)和降水的影響下顆粒物濃度下降，岳巖裕等(2018)對(duì)武漢市冷鋒過(guò)程的研究也發(fā)現(xiàn)顆粒物濃度會(huì)出現(xiàn)先升后降的特點(diǎn)。

圖4 2019年軍運(yùn)會(huì)不同管控階段武漢及其他城市PM2.5(a)、PM10(b)、O3(c)、NO2(d)濃度Fig.4 Concentrations of PM2.5 (a), PM10 (b), O3 (c), NO2 (d) in different control stages in Wuhan and the surrounding cities during the 7th CISM Military World Games in 2019

表3 2019年軍運(yùn)會(huì)不同管控期及過(guò)去五年(2014—2018年)同期氣象要素特征值Table 3 Values of meteorological elements in different stages during the 7th CISM Military World Games in 2019 and in the same period of 2014-2018

管控期Ⅱ(17—28日)出現(xiàn)較明顯的污染物濃度上升，17—21日500 hPa以偏北氣流為主，天氣晴好，氣溫逐漸回升；850 hPa反氣旋環(huán)流為主；地面氣壓下降、處于均壓場(chǎng)控制之下，風(fēng)速減??；相對(duì)濕度和能見(jiàn)度處于低值(圖5)；日照高于近五年平均值，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，因此反應(yīng)性氣體濃度上升明顯，成為首要污染物，顆粒物濃度也有所累積，但是上升幅度偏小。22日受低空切變線影響，湖北大部出現(xiàn)小到中雨，在降水的作用下武漢市PM2.5、PM10和NO2濃度開(kāi)始下降。23—27日500 hPa再次轉(zhuǎn)為平直氣流，武漢市以陰天或弱降水為主，24—26日有一次冷空氣，風(fēng)速增大有利于污染物稀釋和擴(kuò)散(江琪等，2019)。17—28日降水量與五年同期比明顯偏小(表3)，降水對(duì)大氣污染物的沖刷、稀釋作用明顯，尤其是有效降水(大于5 mm)對(duì)大氣污染物的濕沉降作用是凈化大氣的重要機(jī)制，有效降水日數(shù)越多，越有利于污染物清除，管控期Ⅱ降水量和有效降水日數(shù)(0.6 d)均處于低值，不利于污染物濕清除。且風(fēng)速由管控期Ⅰ的偏大轉(zhuǎn)為管控期Ⅱ偏小，風(fēng)速小則污染物累積效應(yīng)更突出。風(fēng)和降水都有利于污染物的累積，但是顆粒物濃度在這一階段下降，說(shuō)明管控措施對(duì)顆粒物濃度下降貢獻(xiàn)明顯。

圖5 2019年10月1—31日武漢市污染物濃度和氣象要素隨時(shí)間的變化Fig.5 Variations of pollutant concentrations and meteorological elements in Wuhan from 1 to 31 October 2019

管控后(29—31日)高空轉(zhuǎn)為偏北氣流，湖北大部多云轉(zhuǎn)晴，NO2和PM10濃度明顯上升。

2.4.2 相似天氣背景下污染過(guò)程對(duì)比分析

挑選與軍運(yùn)會(huì)期間過(guò)程1(2019年10月16—23日)天氣背景相似的過(guò)程進(jìn)行分析，在2017—2019年10月的5次污染過(guò)程(表2)中僅過(guò)程2(2018年10月1—10日)的過(guò)程天氣形勢(shì)與過(guò)程1相似。2018年10月2—4日處于500 hPa高空槽后，5日轉(zhuǎn)為脊控制，6—7日為平直西風(fēng)氣流，8—9日受到低槽影響海平面氣壓場(chǎng)以均壓場(chǎng)為主，9日地面有中等強(qiáng)度冷空氣。圖6為兩次過(guò)程逐日濃度變化，過(guò)程1和過(guò)程2的PM2.5初始濃度和增長(zhǎng)速率基本相同，但是在第五天出現(xiàn)了變化，過(guò)程2的第五天和第六天，即2018年10月5—6日出現(xiàn)了PM2.5濃度明顯增長(zhǎng)，但過(guò)程1的第五天和第六天，即2019年10月20—21日PM2.5濃度增速緩慢。過(guò)程1的O3濃度增速比過(guò)程2快，同樣的天氣背景下，O3濃度受管控措施影響小，而PM2.5出現(xiàn)了增速放緩的情況。

圖6 不同過(guò)程武漢市PM2.5和O3濃度隨時(shí)間的變化Fig.6 Concentration variations of PM2.5 and O3 with time in different processes in Wuhan

2.5 氣象條件及減排對(duì)PM2.5濃度變化影響

使用EMI指數(shù)評(píng)估氣象條件的影響，其指數(shù)表征綜合氣象條件對(duì)PM2.5濃度變化的貢獻(xiàn)。該指數(shù)考慮了大氣對(duì)污染物的稀釋擴(kuò)散、輸送、沉降等物理過(guò)程，可定量診斷與預(yù)測(cè)污染期間氣象條件的變化(國(guó)家氣象中心和中國(guó)氣象科學(xué)研究院, 2019)。在污染源相對(duì)穩(wěn)定的情況下，EMI和PM2.5濃度的變化由氣象條件決定，二者具有較好的相關(guān)性。對(duì)2019年10月PM2.5濃度和EMI與其他年份同期做比較(圖7)，可以看出2019年10月PM2.5濃度與2013—2018年相比均為負(fù)值，表現(xiàn)為濃度下降趨勢(shì)。顆粒物濃度的變化考慮是由氣象條件和排放源的變化共同影響，2019年與2013—2017年相比EMI為正值，范圍為3.2%～22%，說(shuō)明2019年的氣象條件相對(duì)于2013—2017年是不利于PM2.5濃度降低的。2019年P(guān)M2.5濃度相較于其他年份下降率為-73.2%～-6.5%，通過(guò)EMI變率和濃度變率計(jì)算得出排放變率，為-75.7%～-14.0%，可以看出PM2.5濃度下降主要是減排的貢獻(xiàn)。與2018年相比2019年EMI為負(fù)值，說(shuō)明2019年相對(duì)于2018年氣象條件轉(zhuǎn)好，有利于污染物擴(kuò)散。對(duì)比2018年P(guān)M2.5濃度，2019年P(guān)M2.5濃度下降也是近三年(2016—2018年)最明顯的，比2018年下降了24%，其中減排的貢獻(xiàn)為23%，其貢獻(xiàn)最為明顯。

圖7 2019年10月PM2.5濃度變率、EMI變率和排放變率Fig.7 PM2.5 concentration variability, EMI variability and emission variability in October 2019

3 結(jié)論與討論

軍運(yùn)會(huì)管控措施對(duì)顆粒物濃度下降或抑制其上升幅度作用顯著，與過(guò)去五年同期相比，顆粒物濃度下降最明顯，與長(zhǎng)沙等其他城市相比亦最低，相近時(shí)間段內(nèi)未采取管控措施，PM2.5上升速度偏快。O3和NO2問(wèn)題突出，作為首要污染天數(shù)占比達(dá)83%，武漢市O3濃度在管控期Ⅱ高于其他年份和長(zhǎng)沙市，城市圈孝感和黃岡O3濃度超標(biāo)，雖然武漢市O3濃度未明顯下降，但管控仍起了一定作用，軍運(yùn)會(huì)期間O3未達(dá)輕度污染級(jí)別。NO2在管控期Ⅱ也出現(xiàn)了增加，與管控前和其他城市相比偏高，但與過(guò)去五年平均值相比偏低了21%，貨車和港口船舶的精準(zhǔn)管理，降低了NO2的濃度。武漢城區(qū)5個(gè)站點(diǎn)中青山鋼花AQI值和顆粒物下降幅度最大，這一區(qū)域?yàn)槲錆h重工業(yè)基地，大型企業(yè)管控措施執(zhí)行效果明顯。

管控期Ⅱ(17—21日)以反氣旋環(huán)流為主，降水量和有效降水日數(shù)均處于低值，且風(fēng)速偏小、累積效應(yīng)突出；日照和總輻射處于高值，光化學(xué)反應(yīng)強(qiáng)烈，靜穩(wěn)形勢(shì)有利于O3和顆粒物濃度的共同上升。2018年10月1—10日和2019年10月16—23日天氣背景相似，是否采取管控措施在第五天出現(xiàn)了差異，2019年10月20—21日PM2.5增速緩慢，而2018年繼續(xù)明顯增長(zhǎng)。O3濃度增速基本不受管控影響，相近時(shí)間段內(nèi)3次過(guò)程AQI和O3濃度的上升速度相近，但軍運(yùn)會(huì)期間PM2.5上升速度最小且峰值濃度最低。

顆粒物濃度的變化受氣象條件和排放源變化的共同影響。由于管控期Ⅰ時(shí)間短且伴有大風(fēng)降水，管控期Ⅱ管理措施更嚴(yán)格，但氣象條件管控期Ⅰ整體比管控期Ⅱ更有利于污染物濃度降低，管控期Ⅰ的PM2.5、PM10和NO2濃度在四個(gè)階段中最低。2019年10月與2013—2017年相比EMI為正值，范圍為3.2%～22%，說(shuō)明2019年的氣象條件不利于污染物濃度降低，而2019年P(guān)M2.5濃度相較于其他年份下降率為-73.2%～-6.5%，排放變率為-75.7%～-14.0%，可以看出減排是PM2.5濃度下降的主要原因。

本文對(duì)氣象和排放兩大因素貢獻(xiàn)的區(qū)分還有待進(jìn)一步加強(qiáng)?；贓MI定量分析氣象條件對(duì)污染物的影響僅能評(píng)估PM2.5濃度變化，而對(duì)于NO2和O3濃度變化的氣象貢獻(xiàn)則無(wú)法用其定量描述。但是軍運(yùn)會(huì)期間O3和NO2濃度上升現(xiàn)象明顯，需要依托于數(shù)值模擬評(píng)估管控前后臭氧前體物和NO2等濃度的差異，從而得到氣象條件對(duì)O3生成的貢獻(xiàn)。