北京奥运会期间奥运村站空气质量的观测与研究

汪伟峰,王迎红,王莉莉,朱 彬,王跃思＊

1.南京信息工程大学大气物理学院,江苏南京 210044

2.中国科学院大气物理研究所,大气边界层和大气化学国家重点实验室,北京 100029

北京奥运会期间奥运村站空气质量的观测与研究

汪伟峰1,2,王迎红2,王莉莉2,朱 彬1,王跃思2＊

1.南京信息工程大学大气物理学院,江苏南京 210044

2.中国科学院大气物理研究所,大气边界层和大气化学国家重点实验室,北京 100029

为了跟踪研究北京 2008年奥运会期间奥运村大气污染物浓度的变化,2008年 6月 1日─9月 30日,利用符合国际标准的在线观测仪器,对奥运村站大气中主要污染物进行加强观测.结果表明：奥运会期间奥运村站大气中φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分别比奥运会前 (7月 1日─8月 7日)下降了 11.2%,46.7%,57.0%和 50.0%;比残奥会后时段 (9月20─30日)分别下降了 41.7%,31.8%,21.6%和 28.6%;与 2007年同期相比,奥运会时段的φ(NO2),φ(O3),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分别下降了 38.8%,37.2%,42.1%和 68.0%;残奥会时段分别下降了 17.8%,27.5%,44.0%和 64.1%.除对污染源严格的控制措施取得了良好的效果外,有利的天气过程也是奥运会期间北京空气质量全面达标的重要原因.

北京奥运会;污染物;臭氧;氮氧化物;光化学反应

臭氧 (O3)是影响城市大气环境质量的重要污染气体[1-2],人类活动所产生的氮氧化物 (NOx)、挥发性有机化合物 (VOCs)等污染物在大气中经光化学过程产生二次污染[3],驱动 O3产生,诱发城市光化学烟雾.在光化学反应同时生成的气溶胶对人体健康以及气候环境的影响非常严重[4-8].大气环境问题在第 29届北京奥运会期间受到了国内外格外关注,为了保证奥运会的顺利举行,北京市政府采取了一系列措施,重点是控制燃煤污染、机动车污染、扬尘污染等以保证奥运会期间北京市的空气质量.为了解北京市采取空气质量保障措施的实施效果,中国科学院大气物理研究所依托 2007年建立的京津冀大气环境监测与预警观测网,对大气污染物(O3,NOx,CO,VOCs,SO2,PM10和 PM2.5)浓度进行实时监测,为奥运会的空气质量提供及时准确的监测与预警评估数据,也为北京和周边区域的大气污染防控措施提供了科学依据和参考.笔者对奥运会期间奥运村站的大气环境观监测结果进行了分析,初步揭示北京市奥运村污染物浓度的变化特征.

1 试验方法

1.1 监测点及时间

监测点设在中国科学院遥感应用研究所 (40°N,116.38°E)观测实验站五楼楼顶 (距地面 15 m),与奥运村仅一街之隔,东面 50 m处是奥林匹克公园,东南面与奥运会主场馆“鸟巢”的直线距离约400 m.由于该监测点位于奥运会运动场的核心区,对监测和预警奥运体育馆周边污染物浓度变化有较强的代表性.于 2008年 6月 1日─9月 30日进行连续监测.

1.2 监测仪器

采用美国赛默飞世尔科技有限公司生产的大气污染物 (NO2,SO2,O3,PM2.5和 PM10)环境监测分析仪,仪器参数见表 1.采用芬兰 Vaisala公司出产的Milos520自动气象站的监测资料.监测前所有仪器均进行了标定,每 10 d标定一次,相关系数在0.97以上,以减少仪器造成的系统误差.采用 SAS和 SPSS等数据统计软件.由于仪器故障,6月 16日─7月 4日未进行样品采集,笔者以 6月 1─15日数据代表 6月数据.监测仪器设为每 5 min采集一次,对数据进行小时平均和日平均处理.

表 1 NO x,SO 2,O 3,PM2.5和 PM10浓度环境监测仪器参数Table 1 Concentrationesof NOx,SO2,O3,PM2.5 and PM10 monitoring equipment parameters

2 结果与分析

2.1 污染物总体变化特征

为分析车辆限行各时段污染物浓度变化,表 2给出各时段污染物浓度日均值的统计特征.图 1为观测期间大气污染物的逐日变化.

从表 2和图 1可知,6月 (6月 1─15日)φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的日均值最高,分别为 67.1×10-9,31.7×10-9,131.3和206.1μg/m3,8月奥运会期间最低,分别为 37.4×10-9,7.3×10-9,45.3和 63.2μg/m3,此时φ(CO)为 897.1×10-9;随着残奥会的结束,污染物浓度有了较大增长 ,φ(NO2),φ(CO),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的日均值分别为 64.2×10-9,1 184.5×10-9,10.7×10-9,57.8和 88.5μg/m3.分析可知,奥运会期间φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)相对于未限行期间 (7月 1日前)分别下降了44.3%,77.0%,65.5%和 69.3%;相对奥运会前 (7月 1日─8月 7日)分别下降了 11.2%,46.7%,57.0%和 50.0%,而φ(CO)增长了 32.2%;相对残奥会后 (9月 20日以后)分别下降了 41.7%,31.8%,21.6%和 28.6%.在残奥会期间φ(NO2),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)相对未限行时分别下降了 17.9%,67.2%,53.7%和 56.2%;φ(NO2)比奥运会前上升了 30.9%,φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分别下降了 24.1%,42.3%和 27.9%;与残奥会后比,φ(NO2)和φ(SO2)分别下降了 14.1%和2.7%,而φ(CO),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分别上升了46.6%,5.2%和 2.0%.8─9月φ(NO2),φ(CO),φ(SO2)和ρ(PM10)都没有超过《环境空气质量标准》(GB3095─1996)二级标准,可见北京奥运会前期采取的一系列严格措施,如车辆限行、工业结构调整、加油站改造、建筑工地限制和严禁焚烧秸秆等[6]取得了明显的效果,使北京的空气质量得到有效改善.φ(O3)变化有些不同,7月最高 (为181.3×10-9),6月次之 (为 155.3×10-9),9月最低 (为83.6×10-9).在奥运会时段φ(O3)相对未限行时下降了 9.6%,比奥运会前 (7月 1日─8月 7日)下降了 22.6%;残奥会期间φ(O3)比未限行时下降了8.8%;这是因为 O3的生成主要受太阳辐射强弱和季节温度变化的影响[9].

表 2 奥运村站各时段污染物浓度日均值统计Table 2 Concentration of pollutants in each descrip tive statistics in Olymp ic V illage station

图 1 奥运村站污染物浓度的逐日变化Fig.1 Variationsof pollutants concentration with time at the Olympic Village station

2.2 2007与 2008年奥运会时段污染物浓度变化特征

2007与 2008年北京地区同时段对比结果如表3所示.2年的监测点相同.在奥运会和残奥会时段,2008年一次和二次污染物浓度比 2007年均有大幅降低 ,其中φ(NO2),φ(CO),φ(O3),φ(SO2),ρ(PM2.5)和 ρ(PM10)在奥运会时段分别下降了38.8%,66.7%,37.2%,61.6%,42.1%和68.0%;在 残 奥 会 时 段 φ(NO2),φ(CO),φ(O3),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分别下降了17.8%,45.2%,27.5%,44.0%和 64.1%;在限行时段φ(NO2),φ(CO),φ(O3),φ(SO2),ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分别降低了 30.6%,60.7%,17.6%,48.5%,15.6%和54.3%.分别对 2007和 2008年的 8月 8日 ─9月20日的φ(O3)最高值进行统计,这 2年 8月的φ(O3)最高值分别为 223.1×10-9和 140.2×10-9;9月分别为 195.2×10-9和 141.6×10-9.可见通过控制 O3前体物 NO2,CO和 VOCs等的排放,有助于控制 O3的生成,降低φ(O3)最高值[10-11].

表 3 2007与 2008年奥运会时段奥运村站污染物浓度日均值统计Table 3 Pollutant concentration time descriptive statistics during the Olymp ic Games at the Olympic Village station in 2007 and 2008

2.3 污染物日变化特征

图 2 φ(NO 2),φ(O 3),φ(SO 2)和ρ(PM2.5)的日变化Fig.2 Daily variation of the concentrationsof NO2,O3,SO2,PM2.5

为进一步了解污染物变化趋势,统计了 6─9月的污染物浓度日变化特征 (见图 2).φ(NO2)和φ(SO2)都是 6月最高,9月次之,8月最低.这主要与采取的减排和限行措施有关.φ(NO2)日变化呈双峰 ,峰值分别在 08：00和 22：00出现 ,15：00左右出现低值.这是因为早晨和夜间城市边界层高度较低,大气稀释能力较弱,且与上下班高峰时间相对应,造成污染物浓度相对较高.随着太阳辐射的增强,城市大气边界层升高,对污染物的扩散稀释能力增强,并在 15：00左右达到最大,此时φ(NO2)达到最小.φ(SO2)日变化不明显,一般是夜间较低,白天相对较高,这与人类生活习惯和出行有关.

ρ(PM2.5)在 6月最高,7月次之,8─9月最低.6─7月ρ(PM2.5)日变化明显,分别在 08：00和21：00出现峰值,16：00左右达到最低,这主要与人类生活习惯和大气扩散有关;8─9月ρ(PM2.5)无明显的日变化,且值相对较低.这主要是因为 7月北京开始严格执行限排和限行措施,但前期积累的污染物需要一段时间清除,同时对北京地区 8─9月降水状况进行统计,发现此期间降水频率较高,有利于污染物清除,所以ρ(PM2.5)大幅降低.

φ(O3)7月最高,6,8月次之,9月最低,这除了与太阳辐射和温度有关外,还与北京采取的空气质量管理措施有关.从图 2可以看出,由于 6月没有采取限行措施,φ(O3)变化趋势与以前的观测结果[5,9]基本一致.7─8月φ(O3)午间峰值持续 3 h左右 (13：00─16：00),主要是此时 O3的生成和消耗达到相对稳定的动态平衡[12],φ(O3)峰值受 NO2的影响.对流层 O3主要是氮氧化物 (NOx)和挥发性化合物(VOCs)在大气环境中受强烈的太阳紫外线照射后产生;VOCs氧化碳氢化合物,并生成一批自由基,将 NO转化为 NO2,使φ(NO2)上升;由于采取机动车限行措施,VOCs及 NO浓度大幅下降,使φ(NO2)降低,当φ(NO2)下降到一定程度就会影响O3的生成量,所以φ(O3)峰值也不象同期 7—9月那样明显.分析φ(VOC)/φ(NOx)发现,6—9月该比值分别为 1.9,4.3,2.7,2.1,其中 7,8月的值相对较高,推测当该比值达到一定范围时,O3的生成和消耗将会达到相对稳定的动态平衡,所以φ(O3)的峰值表现为相对平滑的状态.

3 奥运会前后气象因素对北京污染物浓度影响的分析

对一个地区而言,在污染源变化相对稳定的情况下,近地面污染物浓度的高低主要取决于天气条件的变化,特别与地面天气形势密切相关.对地面天气形势及高低空气象要素特征进行综合分析,有利于了解大气污染形成的外部条件[13-15],为空气污染预报奠定基础.

3.1 主要天气系统及气象因子与二次污染物浓度

的关系

北京地处华北大平原西北部,系蒙古高原、黄土高原和华北大平原的接界处.北京西部和北部是连绵不绝的群山.在没有大的天气系统过境的情况下,北京特有的地形条件直接影响该地区的地面天气形势.

夏季影响北京的主要天气系统为副热带高压[16].2008年 7月西太平洋副高脊线较常年偏北幅度更大,尤其 7月 22日─8月 8日,该脊线位于30°N～35°N间,受副高压下沉气流控制,北京地区地面气压场以高压和均压为主,出现持续静稳天气,地面和低空风速较小 (甚至出现静风),以偏南风为主;且常伴有辐射逆温,逆温层厚度大,强度高,不易被破坏,大气层结稳定,有助于污染物累积,造成高污染天气[17-19].奥运会期间副高脊线南退,北京地区处于受频繁东移的西风槽影响,华北地区降水增多,同时加上污染源控制措施的严格执行,北京污染物浓度较低;残奥会期间副高北抬到27°N附近,造成华北大范围降水,有利于污染物清除,因此北京地区污染物浓度继续保持相对低值.

7月 7—12,22—28日和 8月 3—8日期间地面受高压或均压场控制,气象要素在该时段表现为持续高温 (31℃左右),能见度低 (10 km以下),无降水,相对湿度较小 (40%～70%).结合 850 hPa风场分析,该时段研究区域以偏南风为主,风速较小(低于 2 m/s),污染物在不利天气形势条件下容易积累,φ(O3)和ρ(PM10)最大值分别达到 315.2×10-9和 252.4μg/m3,污染物浓度超过 GB3095─1996二级标准的比率大于 90%.而在奥运会和残奥会时段,气象要素表现为温度相对较低 (27℃左右),降水较多,湿度较大 (大于 75%),风向以偏北风为主(风速大于 3 m/s),污染物在有利天气形势下不易累积,φ(O3)和ρ(PM10)较低,最大值分别为213.2×10-9和 118.3μg/m3,污染物浓度超过GB3095─1996二级标准的比率仅为 15%左右.

3.2 污染物来源分析

研究[20]表明,北京周边地区污染对其大气质量影响十分显著,因此需进一步研究奥运村站在奥运会前的一次重污染时段 (7月 22─28日)污染物来源.对地面气象资料统计发现,7月 22─28日奥运村站主要以偏南风为主,易受到天津、廊坊、香河、保定和石家庄等地污染气团的影响,加之该地区北面连绵不断的群山阻隔,污染物不易扩散,从而造成污染物浓度的增长(见图 3,4).

图 3 7月 22─28日奥运村站与香河、廊坊地区的ρ(O 3)对比Fig.3 The Olympic Village station,Xianghe,Langfang comparison chart of O3 mass concentration between 22-28 in July

从图 4(来自 www.ready.noaa.gov/ready.html网站)可知,7月 22─24日为东南偏南风,气团途经污染较重的天津和廊坊等地区;26─28日,北京持续受到来自其西南方向的石家庄和保定等地区的污染较严重的气团影响,受北京北面山脉地形的阻挡,在偏南气团的输送下可能导致 O3在北京地区的累积.根据该污染过程中北京奥运村站和香河、廊坊地区的同步观测资料 (见图 3)可知,北京ρ(O3)变化与这 2个地区具有一致性,但峰值比上述 2个地区略高.这主要是北京地区 O3前体物浓度比这 2个地区要高,有利于 O3生成;也可能是北京周边地区排放的 O3在有利风向的作用下在北京得到了进一步的叠加.图 5为奥运会时段 8月 15,19,23日气团后向轨迹.由图 5可知,北京主要受偏北气流影响,由于北方的空气较为清洁,在偏北风下对北京地区的 O3起到一定的清除作用.

图 4 奥运村站 23,25,27日北京时间 00:00 24 h后向轨迹Fig.4 24 h Backward trace at 00：00(Beijing time)23,25,27 of July at the Olympic Village station

图 5 8月 15,19,23日 00:00 24 h的后向轨迹Fig.5 24 h Backward trace at 00：00(Beijing time)15,19,23 of August at the Olympic Village station

4 结论

a.奥运村站在奥运会时段一次污染物φ(NO2),φ(SO2)和ρ(PM10)比奥运会前 (8月 7日前)分别下降 11.2%,46.7%和 50.0%;二次光化学污染物ρ(PM2.5)和φ(O3)分别降低了 57.0%和22.6%.污染源有效控制是北京空气质量得到显著改善的主要原因.

b.与 2007年同时段相比,2008年奥运会时段φ(NO2),φ(O3),ρ(PM10)和ρ(PM2.5)分别下降了38.8%,37.2%,42.1%和 68.0%;残奥会时段分别下降了 17.8%,27.5%,44.0%和 64.1%.前体物的有效控制降低了 O3的生成量.

c.高压、高温、弱风和低湿的天气过程是造成北京奥运会开幕式前 2次高浓度大气污染过程的主要原因.除严格减排措施外,低温、频繁降水和较强的偏北风也是奥运会和残奥会时段北京保持良好空气质量的重要原因.

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Observation and Study on the Air Quality at the O lymp ic Village Station during the Beijing Olymp ic Games

WANGWei-feng1,2,WANG Ying-hong2,WANGLi-li2,ZHU Bin1,WANG Yue-si2
1.Department of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China
2.State Key Laboratory of A tmospheric Boundary Layer and A tmospheric Chemistry,Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029,China

In order to investigate the variation characteristicsof atmospheric pollution in the Olympic Village during the Beijing 2008 Olympic Games period,an observation station was located on the roof of a six-floor building in the Institute of Remote Sensing App lications,Chinese Academy of Sciences,about 400 m northwestof the Beijing National Stadium.The station iscalled the Olympic Village station.Automated instrumentswhich conform to international standardswere used to measure the concentration of NO2,O3,SO2,PM2.5and PM10online.The concentrationsof the air pollutants NO2,SO2,PM2.5and PM10during the Olympic Games(August 8th-24th)decreased by 11.2%,46.7%,57.0%and 50.0% respectively relative to average concentrations from 1st July to 7th August.They decreased by 41.7%,31.8%,21.6%and 28.6% compared with the concentration in the period just after the Paralymp ics Games(Sep tember 20th-30th).The concentrations of NO2,O3,PM2.5and PM10in the Beijing Olymp ic Games period decreased by 38.8%,37.2%,42.1%and 68.0%respectively compared with those in the same period of 2007.They decreased by 17.8%,27.5%,44.0%and 64.1%respectively in the Beijing Paralymp ics Gamesperiod compared with those in the sameperiod of 2007.Besides strict control of the emissions,advantageousmeteorological conditionswere also an important factor contributing to good air quality during the Beijing Olympic Gamesperiod.

Beijing Olympic Games;pollutants;ozone;nitrogen oxides;photochemical reaction

X51

A

1001-6929(2010)01-0048-07

2009-04-20

2009-07-09

国家重点基础研究发展计划(973)项目 (2007CB407303);中国科学院知识创新工程重大项目(KZCX1-YW-06-01);国家自然科学基金项目(40675073)

汪 伟 峰 (1981 -),男,江 苏 徐 州 人,lanjian2002@sina.com.cn.

＊责任作者,王跃思 (1961-),男,北京人,研究员,博士,主要从事大气污染、大气化学研究,wys@dq.cern.ac.cn

(责任编辑：孙彩萍)