2014—2015年宁波市空气质量变化特征及未来情景模拟*

俞科爱 陈有利 张晶晶 徐迪峰 黄鹤楼 陈迪辉

(1.北仑区气象局,浙江 宁波 315826;2.宁波市气象台,浙江 宁波 315012)

0 引 言

自然过程和人类排放决定城市空气质量。现今,人类行为促使空气污染源种类及排放强度的增加更给城市空气质量带来巨大压力,已经对城市环境造成了很大污染,严重影响人们生活质量,危机人体健康[1-3]。国内对空气质量开展了多方面研究,陈辉等[4]认为西安市空气质量呈“U”型分布,季节特征明显,夏季和秋季空气质量较好,冬季较差;张剑鸣等[5]认为人为活动产生的气溶胶大多集中于低于2 km高度的对流层低层,颗粒物是造成能见度下降的主要因素;张艳珍等[6]研究表明苏州市大气污染物浓度月际变化趋势一致,12月、1月较高,8月最低,NO2和PM10年均值浓度超标。区域气候模式RegCM3(Regiona Climate Models3)是近百年来全球气候在经历以变暖为主要特征的气候变化研究中,具有较高时空分辨率、目前应用最广的区域气候模式之一[7],模式能够描述区域内中小尺度地形、地表特征和其他因子对区域气候变化的强迫和影响。

城市的地理位置、地形地貌、气候条件对空气质量产生影响[8]。宁波港口物流、船舶运输、临港企业和海洋经济等方面位于全国前列,但是近年来,不良空气质量已经对宁波经济的持续发展、居民的身心健康等造成一定程度的影响。本文应用统计学方法对2014—2015年宁波空气质量、大气污染物浓度等进行分析,通过区域气候模式及数值方法对宁波气象、大气污染物浓度变化进行模拟。在当下全球气候变暖、极端天气事件增多、气象条件已不利于大气污染物浓度扩散的背景下,有必要研究分析现阶段的空气质量、大气污染物浓度的变化特征,对开展清洁空气行动,整治大气环境污染,建设生态文明以及城市健康持续发展具有重要意义。

1 资料与方法

CO、O3、SO2、NO2浓度、PM10、PM2.5数据来自于宁波市环保部门。

联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)《排放情景特别报告》中有4个描写未来世界的情景族,即A1、A2、B1和B2情景。其中,A1情景族描述的未来世界是经济增长非常快,全球人口数量峰值出现在本世纪中叶并随后下降,新的更高效的技术被迅速引进,A1情景族又分为3组情景(A1FI、A1T、A1B),分别描述了能源系统中技术变化的不同方向,A1B是各种能源之间的平衡。即A1B情景是指经济增长非常快,全球人口数量峰值出现在本世纪中叶并随后下降,新的更高效的技术被迅速引进,各种能源之间的平衡(在所有能源的供给和终端利用技术平行发展的假定下,不过分依赖于某种特定能源)。

参照WHO(世界卫生组织)发布的全球空气质量标准(2005年)颗粒物限值(表1),2017年、2020年和2025年分别设计为宁波未来污染物浓度情景数值模拟的3个时间节点。

表1 WHO发布的全球空气质量标准(2005年)颗粒物限值 μg/m3

宁波市空气质量预报模式系统主要由中尺度气象模式(WRF)、城市边界层模式(UBLM)、大气污染输送化学模式(ACTDM)和污染源处理模块(SOURCE)四个部分组成。中尺度气象模式为其它模块提供大尺度的气象环流背景场;城市边界层模式是在大尺度气象环流背景场的基础上,考虑城市边界层各类特性而获得的城市尺度各类气象要素;大气化学模块由边界层模式驱动,考虑各类物种的输送扩散过程、各类物种的化学动力学特性。模式中心点为29.72°N,121.57°E,范围135×150 km,水平分辨率为5 km,垂直方向分为12层,总高度约3.4 km。

2 结果与分析

2.1 空气质量特征

2014—2015年宁波市空气质量比较稳定(表2),起伏小,年均空气质量指数AQI为69,CO、SO2、NO2、O3、PM10、PM2.5的浓度分别为0.91 mg/m3、22.1 μg/m3、42 μg/m3、63.7 μg/m3、70.4 μg/m3、45.1 μg/m3,与国家(GB3095—2012)限值标准相比,SO2、NO2浓度略超出国家一级浓度限值,PM10浓度基本为国家二级浓度限值上下,但细颗粒物PM2.5的浓度超出国家二级限值达10 μg/m3。

表2 2014—2015年宁波市气溶胶浓度、AQI

除O3浓度外,宁波其它气溶胶浓度的月变化都呈现出两头高、中间低的变化趋势(图1),即冬季高、夏季低的季节特征,特别是NO2、PM10、PM2.5的浓度曲线“U”型变化最为明显。主要原因是冬季,我市为偏北风主导风,易受来自北方地区外来污染物的输入影响,且大气层结普遍较稳定,气象条件不利于污染物的扩散;夏季大气则对流较旺盛,气象条件有利污染物浓度和稀释,从而改善空气质量。

图1 宁波市气溶胶浓度月际变化

2014—2015年(共计678个有效样本)7—8月空气质量最好(图2),优良率达99.5%;中度到重度污染空气日数年均16 d,首要污染物均为PM10或PM2.5,其中冬季(12月、1—2月)占78.1%,又以12月空气质量最差,虽然没有严重污染空气,但是也没有出现空气质量为优的日期。

图2 2014—2015年宁波市各类空气质量等级月变化

2.2 情景模拟

2.2.1 气温和降水

采用高分辨率区域气候模式RegCM3、对A1B情景下的宁波平均气温、热浪指数、年降水量的变化趋势进行预估,结果表明至2020、2030、2050年,宁波平均气温将分别增温0.82 ℃、1.62 ℃、2.26 ℃(相对于1971—2000年气候平均值),热浪指数缓慢增加,年降水量变化不大(图3)。

2.2.2 空气质量

用宁波市空气质量数值预报系统进行以下两种情景模拟计算,第一种情景为按现有的发展趋势预估在未来各时间节点时,可能出现的空气质量状况;第二种情景为在未来各时间节点达到新空气质量标准时(2017年,在现有基础上主要空气质量指标下降约3%;2020年,达到2012空气质量新标准;2025年,达到英国现有空气质量标准),政府需要宏观调控的排放系数。主要对SO2、NO2、PM10、PM2.5这4类污染物浓度进行情景模拟,计算结果如下:

第一种情景模拟。如果污染源的排放强度按2014—2015年的增长率,且不考虑人工治理的情况下,未来污染物浓度的变化趋势(图4)可见,未来10 a宁波市各污染物浓度还将呈稳步上升趋势,2017年SO2、NO2的浓度将可能达到超过50 μg/m3,PM10浓度接近150 μg/m3,PM2.5浓度已将超过100 μg/m3;2020年SO2、NO2的浓度将可能达到接近60 μg/m3,PM10和PM2.5超过或接近150 μg/m3;2025年SO2、NO2的浓度将可能达到71～100 μg/m3,PM10将可能在200 μg/m3上下,PM2.5已将超过150 μg/m3。各时间节点污染物浓度增长率基本在14%～17%之间。

图3 RegCM3区域气候模式预估的宁波市平均气温(a)、热浪指数(b)、年降水量(c)的未来变化趋势

图4 2017年、2020年、2025年宁波市情景数值模拟的污染物浓度

图5 2017年宁波市情景数值模拟的各季污染物浓度

第二种情景模拟。达到新空气质量标准,需要宏观调控的相关经济指数。气象条件与污染物浓度关系非常密切,而宁波市各季节的天气影响系统完全不同,因此,对达到空气质量新指标对污染物排放要求或减排系数控制,进行分季节模拟。首先是排放总量减少时,污染物浓度可能出现的范围。如果2017年污染物总量排放在现有基础上减少约3%,情景模拟结果(图5)为2017年宁波市SO2、NO2、PM10、PM2.5平均浓度可能分别为24.7、34.8、84.3、63.9 μg/m3,各季节浓度值一般分别在15～40、15～45、50～120、40～90 μg/m3之间,其中,春夏季在污染物浓度的低值附近,秋冬季则在高值附近。其次是达到新空气质量标准时,需要宏观控制的排放总量,以PM2.5浓度为例,如果达到第一类标准,即春夏季PM2.5浓度需控制在60 μg/m3上下、秋冬季不超过80～95 μg/m3,宁波排放总量系数需要控制在0.88;如果达到第二类标准,即春夏季PM2.5浓度在20 μg/m3上下、秋冬季不超过40～45 μg/m3),那么,排放总量系数需要控制在0.4(图6)。

图6 宁波市PM2.5浓度与污染排放系数情景模拟

3 结 语

1)2014—2015年宁波市空气质量年变化不明显,年均AQI为69,SO2、NO2浓度略超出国家一级浓度限值,PM10浓度基本为国家二级浓度限值上下,细颗粒物PM2.5的浓度超出国家二级限值达10 μg/m3。中度到重度污染空气年均16 d,首要污染物均为PM10或PM2.5,其中冬季占78.1%。除O3浓度外,其它气溶胶浓度呈现冬季高、夏季低的季节特征。这与冬季我市易受来自北方外来输入和大气层结较稳定,夏季大气对流较旺盛有关。

2)RegCM3的A1B情景预估表明,未来30多年宁波气温年均增幅约0.06℃,城市的热浪指数也将缓慢增加,但年降水量变化不大。

3)在气候仍呈缓慢变暖的环流背景下,按现有的经济发展模式,未来10 a宁波市各污染物浓度还将呈稳步上升趋势,至2025年SO2、NO2的浓度将可能达到71～100 μg/m3,PM10浓度将可能在200 μg/m3上下,PM2.5浓度已将超过150 μg/m3,各时间节点污染物浓度增长率基本在14%～17%之间。如需要达到新空气质量标准,则要减少排放总量或控制减排系数,PM2.5各季节浓度值分别在40～90 μg/m3时,宁波排放总量系数需要控制在0.88,如PM2.5浓度在20～45 μg/m3时,则排放总量系数需要控制在0.4。

4)英国是曾受严重空气污染困扰的国家之一,在采取了《伦敦城法案》、《清洁空气法》等一系列整治措施,经过50余年的不懈努力,英国空气质量现状已基本达到2010年制定的空气质量标准(2010—2020年),即PM2.5年均浓度已低于标准限值25 μg/m3。近几年来宁波市SO2、NO2浓度的下降与政府全面落实排放总量削减目标责任制、加大扬尘污染控制行动以及一系列对工业污染排放实行严格控制措施密切相关。但是,宁波经济迅猛发展、人口日益集中、城市明显扩大,燃料消耗量的剧增,以及汽车保有量的增长(2015年10月已达237万辆)等人为原因造成污染仍然十分严重,特别是颗粒物浓度的上升已抑制城市发展的进程。

参考文献：

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