APEC会议期间北京地区大气污染物的分析研究

孙嵩焘

(民航华北空管局气象中心，北京 100621)

APEC会议期间北京地区大气污染物的分析研究

孙嵩焘

(民航华北空管局气象中心，北京 100621)

该文利用北京市通州区环保局、北京市环境保护监测中心自动检测网络站点数据及NCEP(1°×1°)再分析资料，分析了2014年北京APEC会议期间各污染物浓度值的变化，分析表明：管控期内PM2.5、NO3浓度下降明显。PM2.5、NO2呈现双峰现象，O3、SO2呈现单峰态。同时，北京市人口稠密区夜间PM2.5污染较为严重，仍需控制NO2的排放量。并探究管控措施实施效果，为今后重大活动空气质量保障提供参考。

北京；大气污染物；空气质量；APEC

1 引言

1.1 研究背景与监测方法

APEC会议于2014年11月5—11日在北京召开。从6月份开始北京开始实施一系列保障措施。自11月起，京津冀地区城市开始实施最高一级重污染应急减排措施。2 000多家企业停产、1 000多家企业限产、停工。此外11月7—12日期间，北京市部分单位放假6 d，机动车单双号限行[1]。这些严格的控制措施，有效降低了污染物排放。保障了会议期间空气质量。

根据北京市环保局发布的APEC空气质量保障措施效果评估结果显示，APEC期间全市PM2.5平均浓度为43 μg·m-3，如未采取相应措施， PM2.5浓度预计将会达到69.5μg·m-3，比实际浓度增长61.6%[1]。综合来看，全市分别削减二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入颗粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)和挥发性有机物(VOCs)排放约39.2%、49.6%、66.6%、61.6%和33.6%，平均削减50%左右[1]。

分析本次APEC期间的管控措施，为今后重大国际活动空气质量保障，乃至对治理大气污染有着重要的参考意义。文中通州新城站点数据来源于通州区环保局，其它站点数据来源为地理空间数据云网站(http://www.gscloud.cn/)，该网站数据来源于北京市环境保护监测中心的自动检测网络。以下为本次所涉及到的35个站点。

①城区环境评价点(东四，天坛，官园，万寿西宫，奥体中心，农展馆，万柳，北部新区，植物园，丰台花园，云岗，古城)；

②郊区环境评价点(房山，大兴，亦庄，通州，顺义，昌平，门头沟，平谷，怀柔，密云，延庆)；

③对照点及区域点(定陵，八达岭，密云水库，东高村，永乐店，榆垡，琉璃河)；

④交通污染监控点(前门，永定门内，西直门北，南三环，东四环)

在分析工作中采用4类站点平均，即用城区环境评价点平均值代表城区情况；用郊区环境评价点平均值代表郊区情况；用对照点及区域点平均值代表区域传送情况；用交通污染监控点平均值代表交通点情况。随着北京市城建不断扩张，特别是东南部新城区的开发，北京不仅仅受到自身排放源影响，区域传送的贡献也不可小觑，本文选取了定陵、八达岭、密云水库、东高村、永乐店、榆垡、琉璃河站点。加密了东部、东南部以及北部山区的站点密度。为了探究区域传送对北京的影响，选取定陵、八达岭作为站点西北向站点，东高村作为东向站点，永乐店作为东南向站点，榆垡作为南向站点，琉璃河作为西南向站点，密云水库作为东北向站点。同时，作为城市清洁对照点，定陵有其不可替代的作用，也将单独分析。

1.2 研究期间天气情况

本次研究选取的时间范围为2014年11月7—10日，利用NECP(1°×1°)再分析资料分析研究期间污染物扩散条件。

图1 2014年11月7日、8日 18UTC 地面气压场与风场Fig.1 Surface Pressure and Wind at 18UTC on 7 to 8 November

图2 2014年11月9日、10日 18UTC 700 hPa风场Fig.2 700hpa T-Td and Wind at 18UTC on 9 to 10 November

从图1来看，11月7日北京受弱高压控制，11月8日形势场进一步转弱，到夜间逐渐转为弱高压后部控制，地面以较弱的偏南风为主，扩散条件较为不利。由图2可以看到，9日18UTC北京地区转为受槽前偏南气流控制，转为受均压场控制，地面形势场进一步转弱。10日白天北京地区转为受低压系统控制，白天以偏南风为主，不利于污染物的扩散(图略)。随着10日夜间冷空气的到来，11日北京地区污染物扩散条件逐渐转好。

总体来看，7日北京地区扩散条件一般。随着地面气压场减弱，8日夜间开始扩散条件转差。9日、10日不利于污染物扩散。10日后半夜随着冷空气的到来，扩散条件转好。本研究选取的时间段为7—10日，整体扩散条件一般偏差。

2 分析与研究

2.1 APEC期间大气污染物的总体特征

图3、图4反应了通州新城站点4种大气污染物在10月20日—12月10日期间各污染物随时间的变化。可以看到，在11月3—12日管控措施下，各种污染物浓度均有明显的下降。相比于城区，位于东南部的通州新城位于城区下风向，本身浓度也会比城区偏高。在东南风的影响下，临近的河北香河、廊坊地区的污染物也会影响到通州地区。在APEC期间，得益于调控措施，尽管在4日、10日出现了不利于污染物扩散的天气，但整体来看通州新城在APEC期间各项污染物仍有明显的下降。APEC期间，PM2.5浓度为81.7 μg·m-3，SO2、CO、NO2浓度分别为15.6 μg·m-3、1.2 mg·m-3、48 μg·m-3。除PM2.5为国家标准的1.09倍外，其他各项污染物均没有超过国家一级浓度限值。而2013年11月通州新城地区PM2.5浓度为133.1 μg·m-3，去年同时期PM2.5浓度为102.6 μg·m-3，分别下降了38.7%、20.4%。尽管依然超过国家二级浓度限值，但对比来看APEC期间管控措施对降低通州地区PM2.5浓度起了十分显著的作用。对比与当月平均浓度28.1 μg·m-3、1.9 mg·m-3、64.0 μg·m-3，SO2、CO、NO2分别下降44.5%、36.8%、25%。APEC期间机动车限行、工厂停工等措施使得SO2、CO、NO2均有不同程度的下降。

图3 2014年10月20日—12月10日通州新城SO2(a)、PM2.5(b)浓度随时间变化图Fig.3 Diurnal variation of SO2、PM2.5 Concentrations of Tongzhou New District from Oct. 20 th, 2014 to Dec.10 th, 2014

图5显示了APEC管控前后通州新城3种污染物浓度对比。将观测时段划分为：①APEC管控前，即10月10日—11月2日；②管控期间，即3—12日；③管控后，即11月13日—12月10日。从图中可以看到，管控期间PM2.5、NO2浓度有了明显的下降，而在结束调控期后，两者又有了明显的回升。依据之前对北京PM2.5的源解析结果，北京PM2.5主要来源均为燃煤、机动车、工业和餐饮，所占份额分别为30%、22%、12%、13%[2]。而在APEC管控期间燃煤和工业企业停限产，削减PM2.5排放495吨[2]。汽车禁限行等措施使得APEC期间机动车路上行驶数量下降，机动车污染物排放总量明显下降。同时由于放假调休措施，全市常住人口由于旅游等因素减少10%[1]。多种管控措施下，使得通州新区PM2.5浓度较管控前的144.6μg·m-3下降到81.7μg·m-3，降低了43.4%。同时，限行措施也降低了NO2浓度，由管控前的77.9μg·m-3下降到48μg·m-3，降低了38.4%。

图4 2014年10月20日—12月10日通州新城NO2(a)、CO(b)浓度随时间变化图Fig.4 Diurnal variation of NO2、CO Concentrations of Tongzhou New District from Oct. 20 th, 2014 to Dec.10 th, 2014

相比于管控前SO2浓度17.8 μg·m-3，在APEC管控期间SO2浓度为15.6 μg·m-3,仅下降12.4%。相比于其它3种污染物，SO2的消弱作用并不明显。在APEC管控结束后，SO2浓度增加为37.0 μg·m-3。较管控期间提升57.8%。APEC期间SO2削减量不大与北京市近几年来优化自身工业、能源结构有关[1]。

APEC结束后SO2快速增长主要原因为北京冬季供暖季开始，北京于11月15日开始进入冬季集中供暖期，造成SO2浓度较之前有较大增加，同时停工工厂开始恢复生产，也造成SO2浓度增加。

图5 APEC管控前后通州新城3种污染物浓度对比Fig.5 Three Kinds of Pollutants in Tongzhou New District before and after the management control for APEC

各项污染物浓度的下降也反映出AQI指数的下降。如图6所示，随着管控期间各项污染浓度的下降，AQI指数在APEC会议期间也呈现下降趋势。而在停止管控措施后，AQI指数有了较为明显的回升。这正说明APEC会议期间各项管控措施有力的削减了各项污染物浓度。

图6 2014年10月20日—12月10日北京市AQI随时间变化图Fig.6 Diurnal variation of Air Quality Index (AQI) of Beijing from Oct. 20 th, 2014 to Dec.10 th

2.2 APEC期间大气污染物的日变化特征

因11、12日数据出现大量缺测，本文选取11月7—10日时间段分析APEC期间大气污染物的日变化特征。

图7为在APEC管控期间PM2.5浓度一天内变化图。可以看到，在白天北京市PM2.5呈现双峰现象。在08时，受到出行早高峰的开始，车流量的上升，交通污染监控点首先达到峰值，PM2.5浓度为67.3 μg·m-3，而其它3类观测点尚未达到其相对应的波峰值。对比王占山[3]等人2013年研究可以发现：APEC期间交通污染点PM2.5浓度较2013年交通点平均浓度降低近30 μg·m-3，也符合国家二级浓度限值标准，表明管控期间限号限行措施很大程度上减少了PM2.5的排放量。09时城区及郊区站点也达到了峰值。区域站点在10时达到峰值，浓度为81.5 μg·m-3，远高于其它3类站点。与图8对比，可以看到在管控期间内白天区域点浓度要高于其他3类站点。根据气象资料显示，研究期间内 10时左右北京市均以东南风、西南风为主，因而从东南、南、西南3个方向形成污染物的输送，成为上午时段PM2.5浓度升高的主要原因。最大浓度超过国家标准8.7%。白天第2个峰值出现在15时左右，各类站点均符合国家二级标准。

图7 2014年11月7—10日PM2.5日变化图(a)及10时各方位区域点浓度(b)Fig.7 Diurnal concentrations variation of PM2.5 from Nov. 7 th to 10 th and Regional PM2.5 Concentrations in all Directions at 10am

图8 2013年4类站点PM2.5浓度日变化图[3]Fig.8 Diurnal concentrations variation of PM2.5 in four types of monitoring stations in 2013

18时后各类站点PM2.5浓度开始上升。总体来看，白天区域点浓度>城区站点浓度>郊区站点浓度。而到了夜间，郊区站点浓度>城区站点浓度>区域点浓度。夜间浓度高于白天主要是因为在夜间边界层高度降低,对流扩散作用减弱, 造成污染物累积。与定陵清洁对照点的对比发现，在清洁对照点夜间处于较低水平污染物浓度的情况下，夜晚郊区PM2.5浓度较高，污染比较严重，尤其是位于北京盛行风下风向的东南部郊区，即北京市开发区、通州新区，随着东南部地区近年来不断发展，常住人口不断增加，加之不利的地理位置，北京东南部郊区的PM2.5污染已经十分严重。同时在夜间23时，城区、郊区PM2.5浓度值分别达到76.7 μg·m-3、86.3 μg·m-3，均超过国家二级浓度限值。表明在夜间人口稠密区PM2.5更容易积累或二次生成。

同时通过交通污染监控点的走势可以发现，在夜晚交通量下降的情况下，交通污染监控点的浓度不降反升，这说明机动车直接排放并非是导致PM2.5升高的主要原因，机动车排放的气态污染物进行化学反应生成的二次粒子是PM2.5升高的主要因素。

由图9可以看到，在APEC管控期间内北京的O3浓度日变化呈现明显的单峰值现象。在16时，4类站点均达到其峰值。城区、郊区、区域点、交通污染监控点的浓度为70.1 μg·m-3、66 μg·m-3、66.1 μg·m-3、39.3 μg·m-3。在18时日落后浓度迅速下降。主要原因在于臭氧的生成与NOx、VOCs以及CO的光化学反应有关，白天随着太阳辐射的增加，NO2等前体物浓度不断增加，O3的浓度开始上升。随着前体物的增加以及太阳辐射的增加，在16时O3浓度达到峰值。随着夜晚太阳辐射减弱，且夜晚臭氧浓度被高浓度的NO所消耗，在夜晚O3浓度下降，并维持较低水平。

图9 2014年11月7—10日O3随时间变化图Fig.9 The hourly change of O3 concentrations on 7 to 10 November

通过城区、郊区与定陵清洁对照点比较可以发现，在夜间至凌晨时段，定陵对照点的臭氧浓度要远高于城区郊区站点。同时，在白天的峰值也小于城区、郊区。在白天，由于NO2等前体污染物的浓度小于城郊区，近似的太阳辐射条件下峰值小于城郊区。而夜晚，定陵点缺乏局地源，NO的浓度相对较低，无法很好的起到对O3的消除作用，因而定陵对照点浓度要于其他站点。

从图10可以看到，在APEC管控期内，SO2浓度呈现为明显的单峰态。随着白天交通量的增加，以及工业高架源的排放，各站点SO2浓度开始增加，在14时达到峰值。14时是一天中大气垂直方向混合最强的时间，此时达到极值说明SO2的排放与工业源高架排放有关。随着夜晚交通流量的减少，以及工业排放减少等影响，SO2浓度也对应降低。可以看到大部分时间作为城市清洁对照点的定陵SO2浓度都高于同期的城区、郊区站点，甚至高于交通污染监控点。且均小于国家一级浓度限值50 μg·m-3，表明在APEC期间，限制高架源排放的措施大大降低了北京市SO2排放量。使得APEC期间城郊区SO2浓度要好于清洁对照点。

图10 2014年11月7—10日SO2随时间变化图Fig.10 The hourly change of SO2 concentrations on 7 to 10 November

从图11可以看到，NO2在一天中有2个峰值。在09时左右达到第1个峰值，主要是由于交通量的增加，进而地面NO2浓度增加所致。随后由于参与生成臭氧的光反应，4类站点浓度均开始降低，与O3浓度呈现鲜明的反相关性。随着夜晚，光反应趋于停止，18时浓度开始逐渐回升。与21时达到第2个峰值。夜间NO2始终处于较高的浓度水平，主要是由于夜间NO2光解反应停滞,同时NO和O3反应产生NO2。整体而言，交通监控点浓度>城区环境评价点>郊区环境评价点>对照点及区域点。与城市清洁对照点对比来看，城市、郊区、交通对照点的浓度依旧偏高。以城区为例，在21时峰值时浓度达到75.2 μg·m-3，是国家二级浓度限值的0.94倍。在各种管控措施下峰值浓度依旧迫近二级浓度限制。而交通污染监控点峰值是二级浓度限值的1.07倍。尽管APEC期间采取了大量限行措施，但北京市人口稠密区的NO2浓度依旧远高于城市清洁对照点，NO2污染依旧值得关注。

图11 2014年11月7—10日NO2随时间变化图Fig.11 The hourly change of NO2 concentrations on 7 to 10 November

3 总结与建议

①APEC期间，在相对一般的污染物扩散条件下，北京市主要大气污染物浓度均有不同程度的下降。以污染较为严重的通州新区为例，与2013年11月相比，PM2.5、SO2、NO2分别下降了38.7%、12.4%、38.3%。APEC期间的管控措施对于PM2.5、NO2的削减起到了很好的作用，主要得益于机动车限行、调休放假等措施，降低了污染物的排放量。

②APEC管控期间PM2.5呈现双峰现象，白天的峰值出现在08—10时以及15时。主要原因为交通流量的增加导致污染物排放量的增加。白天区域点浓度>城区站点浓度>郊区站点浓度。而到了夜间，郊区站点浓度>城区站点浓度>区域点浓度。夜间浓度高于白天主要是因为在夜间边界层高度降低,对流扩散作用减弱, 造成污染物累积。夜晚郊区PM2.5浓度较高，污染比较严重。在夜间人口稠密区PM2.5更容易积累或二次生成。此外，机动车直接排放并非是导致PM2.5升高的主要原因，机动车排放的气态污染物进行化学反应生成的二次粒子是PM2.5升高的主要因素。

③在APEC管控期间内，北京的O3浓度日变化呈现明显的单峰值现象。在16时，4类站点均达到其峰值。城区、郊区、区域点、交通污染监控点的浓度为70.1 μg·m-3、66 μg·m-3、66.1 μg·m-3、39.3 μg·m-3。在18时日落后浓度迅速下降。夜间定陵对照点浓度高于城郊区站点。

④在APEC管控期内，SO2浓度呈现为明显的单峰态。主要排放源为高架源排放。与清洁对照点相比，北京市SO2污染水平控制的较为理想。

⑤在APEC管控期间内，NO2在一日中有2个峰值。09时的峰值是因为交通量的增加，由于光反应的停止，以及NO与O3的反应生成NO2，21时出现第2个峰值。在污染物峰值期间，达到国家二级浓度限值标准上限值。与城市清洁对照点相比，北京市整体NO2浓度依旧偏高，NO2污染问题仍需得到重视。整体而言，交通监控点浓度>城区环境评价点>郊区环境评价点>对照点及区域点。

讨论与建议：

①通过加强油品品质，以及控制机动车增加等措施，控制削减NO2的排放量。

②完善区域合作机制，加强北京东南部、南部河北地区污染治理工作。

③削减机动车污染物的排放同时，加强对二次前体污染物的控制。减少复合型污染，降低PM2.5浓度。

④加强北京东南部、南部新城区的大气污染防控管控力度。

[1]澎湃新闻网(上海).“APEC蓝”官方评估结果出炉:调休放假贡献率12.4%[EB/OL].(2014-12-17)[2015-04-15].http://news.163.com/14/1217/17/ADMETQJM00014SEH.html.

[2] 白春礼.中国科学院大气灰霾研究进展及展望 [J].中国科学院院刊，2014，4：275-281.

[3] 王占山,李云婷,陈添.2013年北京市PM2.5的时空分布[J].地理学报，2015，70(1)：110-120.

[4] 刘兴春.北京市大气中颗粒物变化趋势分析研究 [D].北京：北京工业大学，2013.

[5] 吴兑.近十年中国灰霾天气研究综述[J].环境科学学报，2012，32(2)：257-269.

[6] 侯振奎,栗敬仁,王斌.2013年1月份我国中东部地区严重雾霾的成因分析[J].安徽农业科学，2013，41(30)：12 095-12 097.

[7] 孟燕军,程丛兰.影响北京大气污染物变化的地面天气形势分析[J].气象，2002，28(4)：42-47.

[8] 唐孝炎.大气环境化学[M].北京：高等教育出版社，2010.

Research about the air pollutants in Beijing area during APEC

SUN Songtao

(Meteorological Center of North China Regional ATMB，Beijing 100621,China)

The changes of the concentration of various pollutants during the 2014 APEC meeting held in Beijing was analyzed in a bid to find out the effectiveness of the management and control measures over pollutant discharge as well as provide the air quality guarantee during future important activities with reference. Data from the auto-detecting sites of Beijing Municipal Environmental Protection Bureau and Tongzhou District Environmental Protection Bureau, as well as NCEP(1°×1°) re-analysis data were used in the paper. According to the researching report during the APEC, PM2.5, NO3had an apparent decrease. The curves of PM2.5, NO2were of bimodal distribution, but the curves of O3, SO2were single kurtosis. Meanwhile, PM2.5pollution in densely populated areas was more serious at night; we still need to control the emission of NO2.

Beijing; air pollutants; air quality; APEC

1003-6598(2017)02-0032-08

2017-01-02

孙嵩焘(1993—)，男，助工，主要从事气象预报研究，E-mail:sst100061@126.com。

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