空气质量保障措施的量化评估——以杭州G20峰会为例

唐甲洁，陈敏东，高庆先，马占云，李迎新

1.江苏省大气环境监测与污染控制重点实验室，南京信息工程大学环境科学与工程学院 2.中国环境科学研究院

随着我国经济社会的飞速发展，工业化进程的突飞猛进，汽车保有量的不断增加，生态环境承受着日益增长的压力，以细粒子为主要成分的大气灰霾污染和以臭氧为代表的光化学烟雾污染成为我国京津冀[1]、长三角[2]和珠三角[3]等城市群面临的主要大气环境问题。空气质量的优劣密切影响着人们的身体健康[4-5]和日常生活[6]，公众对空气质量的重视程度越来越高[7-8]。

近些年，我国许多特大城市陆续举办了多个具有国际影响力的大型活动和赛事，重大活动举办期间采取的具体环保措施决定着期间的空气质量，如北京夏季奥林匹克运动会[9-11]、南京青年奥林匹克运动会[12-14]、北京亚太经济合作组织(APEC)会议[15-18]、2015年北京阅兵[19-21]、深圳大学生运动会[22]和杭州国际经济合作论坛(G20峰会)[23-26]等活动，均采取了工业点源限排、机动车限行等临时强化减排措施和区域联防联控，措施实施期间空气质量明显改善。环境空气质量除受到污染物排放影响外，气象条件也与其有着很密切的关系，如高庆先等[27]研究发现在2014年APEC北京峰会强化措施实施前期，由于受到强劲的偏北气流影响，整个华北地区空气质量得到显著改善；陈敏等[28]发现因为气象条件不利，大气环流的输送扩散导致上海世界博览会期间发生3次污染事件。

浙江省作为城市化快速发展地区，近年来组织开展了多个大型国际会议，2016年9月4—5日在杭州国际博览中心举办G20峰会，部分学者针对G20峰会期间空气质量变化进行观测与研究，如毛敏娟等[26]利用观测资料对比2015年9月、2016年8月与2016年9月浙江省空气质量指数(AQI)及PM2.5浓度月均值，得出2016年9月污染物浓度最小的结论。笔者整理了G20峰会的管控措施与减排方案，运用统计学中时间序列法先横向对比分析峰会保障措施实施前期、期间、后期杭州市11个站点PM2.5、PM10、O3、CO、SO2和NO2浓度变化特征，再纵向与2015年和2017年措施实施同期污染物情况做对比，并分析各类污染物在浙江省范围内的空间分布特征，得出G20峰会保障措施的实施对空气质量的影响。利用WRFSMOKECMAQ模型系统模拟并分析保障措施实施期间不同减排情景下PM2.5和O3浓度演变，通过不同减排情景的设置量化各类管控措施减排效果，揭示多种减排措施的实施对大气污染物浓度及分布的影响，以期为改善重大活动期间空气质量提供科学指导与技术支持。

1 研究方法与数据来源

1.1 杭州G20峰会保障措施

为保障杭州G20峰会期间空气质量，浙江省及周边城市于2016年上半年陆续发布各类环境质量保障方案，明确会期保障阶段为2016年8月24日—9月6日，以杭州G20峰会主场馆为中心，环境保护区域按半径为50、100和300 km为参考，划定3个区域，即核心区、严控区、管控区(图1)，政府发布的多个空气质量管控措施方案对不同保障区域有不同要求。

图1 G20峰会浙江省环境保障区域Fig.1 Environmental guarantee area in Zhejiang Province during G20 Summit

通过对G20峰会保障期内针对各类污染源实施的减排管控措施进行归纳整理，将其划分为工业源管控、电厂源管控、扬尘源管控、道路移动源管控，表1为各种排放源的具体管控措施。由表1可以看出，各项管控措施的实施能够确保在核心区、严控区和管控区的一次污染排放量大大减少，这为会议期间空气质量的改善奠定了坚实的基础。

表1 G20峰会期间浙江省针对不同污染源管控措施

1.2 数据来源

各项污染物的数据来自中国环境监测总站“全国城市空气质量实时发布平台(http:l06.37.208.233:20035)”所发布的小时平均浓度数据和日平均浓度数据，从中选取浙江省11个市47个站点2015年、2016年和2017年8月10日—9月20日的PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3浓度数据。

大气污染物的数值模拟过程包括模拟区域模拟时段气象背景的建立、大气污染源清单的建立和空气质量模拟。选用由美国环境预测中心(NCEP)等开发的中尺度天气预报模式(Weather Research and Forecasting Model, WRF Model)作为气象模式；由原MCNC(现由北卡罗来纳大学接管)环境模型中心开发的目前应用广泛的排放源处理模型SMOKE (Sparse Matrix Operator Kernel Emissions)作为大气排放源清单处理模型；美国国家环境保护局及相关研究机构开发的适于处理多种污染物复合污染等复杂问题的第三代空气质量模型CMAQ作为空气质量模型，搭建了WRFSMOKECMAQ空气质量模型系统。采用上海环境科学研究院开发的2014年自下而上的排放清单作为排放场，利用WRFSMOKECMAQ模型系统模拟计算G20峰会保障时期PM2.5和O3浓度。

2 结果与讨论

2.1 保障措施对空气质量的影响

2.1.1保障措施实施前期、期间和后期

为了研究G20峰会保障措施的实施对杭州市空气质量的影响，参照GB 3095—2012《环境空气质量标准》[29]的污染物浓度限值，分析保障措施实施前期、期间(2016年8月24日—9月6日)和后期共42 d内杭州市滨江、朝晖五区、西溪、和睦小学、下沙、浙江农林大学、云栖、千岛湖、城厢镇、临平镇以及卧龙桥11个监测站点PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO和O3逐时浓度变化，结果如图2所示。从图2可以看出，整个研究期间各项污染物浓度演变呈起伏波动状，PM2.5和PM10在措施实施期间出现过3次明显的浓度骤增过程。

保障措施实施前期，8月10—13日各站点PM2.5浓度稳定在20 μgm3左右，PM10浓度稳定在40 μgm3左右，PM2.5与PM10浓度偏低且日夜差值较低；8月14日起浓度有升高趋势；17、20、21日有PM2.5和PM10浓度高值。措施实施期间，8月29日出现第1次PM2.5和PM10浓度骤增过程；9月3日凌晨出现第2次浓度骤增；峰会召开期间，9月4日凌晨出现第3次浓度骤增，除3次PM2.5和PM10浓度骤增外，保障措施实施期内其他时间PM2.5和PM10浓度低并保持平稳，日夜差值小。措施实施后期，9月7—14日与18日PM2.5与PM10浓度偏高，日夜差值大。可见，保障措施的实施有效控制了PM2.5与PM10。

3个时期O3浓度呈明显的单峰型。措施实施前期，8月14日起，除千岛湖站点外，其余10个站点O3浓度日变化幅度增大。措施实施期间，8月26日起O3浓度日变化幅度明显降低，8月29日相对于PM2.5和PM10浓度的骤增，O3浓度骤减，9月5、6日O3浓度有降低过程，除千岛湖站点外，其余站点浓度均符合O3一小时平均一级浓度限值。措施实施后期，9月8、9、12日多个站点午间O3浓度骤升。措施实施期间除个别时期某些站点NO2、CO或SO2浓度有不同程度骤增外，其余时期NO2、CO和SO2浓度明显比措施实施前期与后期日夜差值小且浓度低，保障措施的实施使得NO2、CO和SO2浓度有一定程度的降低。

表2为措施实施前期、期间、后期各类污染物平均浓度。由表2可见，NO2浓度表现为后期>前期>期间，PM2.5、SO2和CO浓度表现为后期>期间>前期，PM10浓度表现为期间>后期>前期；保障措施对NO2的减排效果最为明显，管控措施结束后，NO2出现反弹。与其余污染物相比较，O3较为反常，措施实施期间浓度远超前期与后期。

表2 杭州市保障措施实施前期、期间、 后期各项污染物平均浓度

Table 2 Average concentration of pollutants in the early, middle and later periods of implementation of guarantee measures in Hangzhou μgm3

阶段PM2.5PM10NO2SO2COO3实施前期27.4042.1320.538.1360083.39实施期间30.9547.1917.429.23640108.72实施后期31.3545.9629.009.6969070.20

一个地区的气候条件和地形地貌对空气质量有着显著的影响，污染物浓度与当时的天气背景有着密切的联系。从气象角度分析，措施实施前期，杭州受副热带高压影响，出现了持续的晴热高温天气，这使得白天边界层高度抬升，湍流增强，有利于污染物在垂直方向上的扩散[30]，前期杭州地区主导风向为偏东风和东北东风，气流相对洁净，污染传输相对较少，因此观测到的保障措施实施前期PM2.5、SO2、CO和PM10平均浓度均小于后期和期间，前期PM2.5与PM10浓度更易达到一级标准。在措施实施期间，受到静稳天气和外来传输的影响，PM2.5、SO2、CO和PM10浓度平均值较实施前期有所上升[30]。措施实施后期，9月9—10日受静稳天气和污染源恢复常态的影响，杭州各污染物浓度(除O3和PM10外)出现了整个研究时段的最大值,9月15—16日，受台风“莫兰蒂”影响，杭州PM2.5、PM10和O3浓度出现了整个研究阶段最低值。

减排措施一方面使得NOx等前体物浓度下降，抑制O3生成；另一方面大气中污染物浓度下降，有利于太阳辐射增强，从而促进O3生成。保障措施实施期间，即使O3前体物浓度很低，但在强太阳辐射等气象条件驱动下[31]，近地面仍会呈现O3浓度高的现象。在措施实施后期，在台风影响下，降水增多，辐射条件较差，不利于O3的生成和累积。

2.1.2不同保障区域在保障措施实施期间与2015年和2017年同期对比

表3为核心区、严控区和管控区在保障措施实施期间各类污染物浓度与2015年和2017年同期的对比。由表3可见，与2015年相比，2016年核心区NO2、SO2、PM2.5、CO和PM10浓度降幅分别为56.72%、51.59%、46.88%、31.52%和12.69%；严控区上述污染物浓度降幅减小，但依旧明显；管控区只有PM2.5、SO2和NO2浓度降幅为正且降幅绝对值小，总体来说，大部分污染物浓度2016年的降幅均呈现核心区>严控区>管控区的特征，这表明核心区较为严格的管控措施更能提高空气质量。2016年核心区NO2、PM2.5、CO和PM10浓度明显低于2017年；严控区只有PM10和CO浓度低于2017年，且降幅绝对值低；管控区2016—2017年污染物降幅都为正值，说明2017年这些污染物浓度降低，这与杭州近年来在环保方面加大监管力度，积极提高空气质量有着密不可分的关系。O3浓度变化规律与其他污染物浓度变化呈负相关。

表3 不同保障区域措施实施期间同期3年污染物平均浓度与差值

Table 3 Average concentration and difference of pollutants in the same period of three years during the implementation of measures in different guarantee areas μgm3

表3 不同保障区域措施实施期间同期3年污染物平均浓度与差值

控制分区时间PM2.5PM10SO2NO2COO3核心区2015年57.9379.3718.9736.0292097.972016年30.7769.309.3915.59630110.122017年38.6879.078.3420.4275078.412015—2016年降幅∕%46.8812.6951.5956.7231.52-12.402016—2017年降幅∕%-25.71-14.1011.18-30.98-19.0528.80严控区2015年52.9872.5818.9529.9488098.332016年39.0658.0312.6627.74710105.992017年40.1157.298.4723.9274072.812015—2016年降幅∕%26.2720.0533.177.3519.32-7.79 2016—2017年降幅∕%-2.691.2833.1213.77-4.2331.30管控区2015年33.5149.69 8.8420.6073080.832016年31.0750.798.4516.53800101.582017年29.8647.376.9514.8559069.562015—2016年降幅∕%7.28-2.214.4119.76-9.59-25.67 2016—2017年降幅∕%3.896.7317.7511.3126.2531.52

2.2 G20峰会保障措施实施期间浙江省污染物模拟研究

2.2.1减排情景设置

根据杭州G20峰会保障措施具体实施情况，针对重点管控的工业、电厂、道路移动和扬尘4类污染源设置6种减排情景(表4)，各污染源具体减排措施如表5所示。利用WRFSMOKECMAQ模型模拟6种减排情景下浙江省PM2.5和O3浓度，分析不同污染源管控措施的实施对空气质量的影响。

表4 6种减排情景

表5 工业源、电厂源、扬尘源和道路移动源减排情景设置

2.2.2保障措施实施期间PM2.5模拟结果

模拟6种减排情景下保障措施实施期间浙江省PM2.5浓度分布，在情景1没有实施任何保障措施情况下，浙江省PM2.5浓度为20～50 μgm3，核心区内杭州市中心有PM2.5浓度高值区，最高值超过40 μgm3，以杭州市中心向外扩散PM2.5浓度呈降低趋势，北至湖州市、嘉兴市中部，南至杭州中部，PM2.5浓度大于35 μgm3，超过日平均浓度一级限值；严控区内衢州市西部常山县和金华市南部也有PM2.5浓度高值区，最高值超过35 μgm3；管控区内温州市中部与台州市中部近海处PM2.5浓度有2个高值区，PM2.5浓度最高值超过40 μgm3，温州市高值区范围较大，这跟近海区商业繁华有关，丽水市南部庆元县有一处高值区，此外，温州市、丽水市和台州市出现零散PM2.5浓度高值点，超过PM2.5日平均浓度一级限值。情景2时核心区内杭州市中心PM2.5浓度高值区范围缩小，PM2.5浓度控制在35 μgm3内；严控区衢州市和金华市的PM2.5浓度高值区不明显；管控区PM2.5浓度高值区PM2.5浓度略微下降。情景2下核心区与严控区PM2.5浓度整体比管控区低，核心区与严控区严格的管控措施对PM2.5排放起到有效的抑制作用。情景3的PM2.5分布情况与情景2相似，情景4～情景6除杭州市中心PM2.5浓度有轻微下降外，PM2.5浓度分布状况与情景1相似。

图3为模拟得到的保障措施实施期间实行各类减排措施与无减排措施时PM2.5浓度差值。由图3(a)可知，对工业、电厂、扬尘和道路移动源均做减排时，浙江省包括浙江省周边PM2.5浓度均降低，浙江省核心区与严控区PM2.5浓度降幅明显，大部分地区降幅达3 μgm3以上，杭州市中心、衢州市常山县和金华市南部PM2.5浓度高值区中心降幅最强，PM2.5浓度降低10 μgm3，宁波市东部PM2.5浓度降幅达7 μgm3，管控区降幅低，大部分地区降幅为2 μgm3，温州市与台州市中部近海岸PM2.5浓度高值区降幅达7 μgm3。由图3(b)可以看出，模拟对工业源进行管控措施时，核心区与严控区PM2.5浓度均降低，核心区与严控区除宁波市外其他地区降幅达4 μgm3以上，杭州市中心、衢州市常山县和金华市南部PM2.5浓度降幅可达12 μgm3，对工业源做管控措施时，核心区与严控区PM2.5浓度降幅比情景2降幅更为明显。管控区南部浙江省边界线处，有极少部分地区PM2.5浓度增高，其余地区PM2.5浓度降幅与情景2相差不大，工业污染源管控措施对核心区与严控区降低PM2.5浓度有很大的作用。由图3(c)和图3(e)可知，模拟对电厂源或扬尘源实施管控措施时，核心区与严控区大部分区域PM2.5浓度只降低1～3 μgm3，管控区台州市和舟山市大部分地区PM2.5浓度降低1～2 μgm3，丽水市和温州市PM2.5浓度升高，温州市南部甚至升高2 μgm3以上，对电厂源或扬尘源实行管控措施只能略微抑制核心区与管控区PM2.5的排放。由图3(d)可以看出，模拟对道路移动源减排后整个浙江省PM2.5浓度只降低1～2 μgm3。

图3 浙江省在保障措施实施期间各减排情景与无减排PM2.5浓度差值Fig.3 Distribution of PM2.5 concentration difference between emission reduction scenarios and non-emission reduction during the implementation of guarantee measures in Zhejiang Province

模拟G20峰会保障措施实施期间平均O3浓度分布，在不实施减排措施时，核心区O3浓度为25～60 μgm3，核心区O3浓度高值区范围广，严控区O3浓度降低，管控区O3浓度最低。与模拟得出的PM2.5浓度分布相反，杭州市中心、衢州市中部、金华市南部、温州市中部近海岸和台州市中部近海岸PM2.5浓度高值区对应O3浓度低值区，这与分析污染物浓度历史资料时观测到的PM2.5与O3浓度呈负相关的现象相似。情景2～情景6模拟出的O3分布状况与情景1分布状况基本一致，O3浓度只有小范围变化。

保障措施实施期间浙江省O3浓度差值见图4。由图4(a)可知，对4种污染源均采取减排措施时，浙江省内核心区与严控区O3浓度升高1～7 μgm3，杭州市O3浓度升幅明显，管控区O3浓度降低1～2 μgm3。核心区与严控区较强的管控措施执行力度反而使得O3浓度升高。图4(b)显示，模拟对工业源实施减排措施时，核心区内杭州市东部与绍兴市O3被抑制，O3浓度降低1～5 μgm3，杭州市西部O3浓度升高1～3 μgm3；严控区湖州市、嘉兴市和宁波市O3浓度降低，衢州市和金华市大部分地区O3浓度略有升高；管控区丽水市和温州市O3浓度升高1～3 μgm3，对工业源的减排使得浙江省核心区与管控区东部地区O3浓度降低，抑制O3污染空气质量。模拟对电厂源或扬尘源实施减排措施时〔图4(c)和图4(e)〕，O3浓度升值区域和降值区域与对工业源减排后相似，但O3浓度升值区升幅高，升高1～3 μgm3，降值区降幅低，降低1～3 μgm3，浙江省东北部O3浓度降幅小，西南部O3浓度升幅大，对电厂源或扬尘源减排只能略微抑制核心区与严控区部分地区O3排放。由图4(d)可知，模拟对道路移动源减排时核心区O3浓度升幅最高，升高1～6 μgm3，严控区O3浓度升高1～4 μgm3，管控区丽水市与温州市部分地区O3浓度降低。

图4 浙江省在保障措施实施期间各减排情景与无减排O3浓度差值Fig.4 Distribution of O3 concentration difference between emission reduction scenarios and non-emission reduction during the implementation of guarantee measures in Zhejiang Province

总结模拟结果，对工业源做管控措施能有效抑制PM2.5和O3排放，对电厂源或扬尘源实行管控措施只能略微抑制PM2.5和O3排放。为有效抑制PM2.5和O3排放，应着眼于治理工业污染，如停产未安装废气收集装置以及废气没达标的企业和强化煤炭质量控制等，同时在不影响民生的前提下，对电厂污染及城市扬尘污染进行治理，如实施超低排放的燃煤电厂优先发电，发展清洁能源，加强城市道路清扫和洒水的频次和强度，建筑工地和拆迁工地实施封闭管理，推进“绿色混凝土搅拌站”建设和控制餐饮油烟等。对道路移动源实施管控措施对于PM2.5排放影响不大，但使核心区与严控区O3浓度升高明显，因此如何对道路移动源做管控实施使PM2.5与O3得到共同抑制还需做进一步探讨。

3 结论

(1)2016年G20峰会保障措施实施期间，大部分时间各站点污染物浓度明显比前期和后期峰谷差值小，浓度较稳定。措施实施前期、期间、后期各类污染物平均浓度相比较，NO2浓度表现为后期>前期>期间，保障措施对NO2的减排效果非常明显；PM2.5、SO2和CO浓度表现为后期>期间>前期，PM10浓度表现为期间>后期>前期；O3较为反常，期间浓度远超前期与后期。

(2)与2015年相比，2016年大部分污染物浓度降幅均表现为核心区>严控区>管控区；2017年保障措施实施同期，核心区NO2、PM2.5、CO和PM10浓度较2016年增高，2016年G20峰会保障期间管控措施有效提高了核心区与严控区空气质量。O3浓度变化与其他污染物浓度呈负相关。

(3)模拟对工业、电厂、扬尘和道路移动源均做减排时，核心区与严控区PM2.5浓度降幅明显，PM2.5浓度高值区PM2.5浓度降幅大；工业源管控措施对核心区与严控区降低PM2.5浓度有很大的作用；模拟对电厂源或扬尘源实施管控措施时，核心区与严控区大部分区域PM2.5浓度略微降低，管控区丽水市和温州市PM2.5浓度升高；模拟对道路移动源减排时，整个浙江省PM2.5浓度只降低1～2 μgm3。

(4)模拟对4种污染源均采取减排措施，核心区与严控区较强的管控措施执行力度反而使得O3浓度升高；对工业源的减排使浙江省核心区与管控区东部地区O3浓度降低；对电厂源或扬尘源减排只能略微抑制核心区与严控区部分地区O3排放；对道路移动源减排时，核心区和严控区O3浓度升高。为有效抑制PM2.5和O3排放，应着眼于治理工业污染，同时在不影响民生的前提下，对电厂污染及城市扬尘污染进行治理。