1 引言(Introduction)

在举办一些重大国际活动时, 各地为保障活动的顺利进行, 会建立污染应急联动机制, 采取管控减排措施, 来保障活动期间空气质量, 例如, 2008年北京奥运会、2010年上海世博会和广州亚运会、2014年南京青奥会、北京亚太经合组织会议及2015年抗战胜利70周年纪念活动等.这些罕见的应对大气污染的防治减排试验, 为开展区域性大气污染特征及改善当地空气质量措施的研究提供了难得的机会(Westerdahl et al., 2009).为此, 学者们针对活动期间污染防治措施、环境改善状况及不同天气形势不同控制措施下的污染形成机制进行了大量的研究和探讨, 结果表明, 有效的减排措施和良好的气象条件对空气质量的改善效果显著(黄嫣旻等, 2013；Huang et al., 2015；师远哲等2016；赵辉等2016).

大气污染物浓度主要受污染物排放量、地形和气象条件等因素影响(Chan et al., 2008；徐宏辉等, 2012；张悦等, 2016), 其中, 气象条件影响着大气污染物的稀释、扩散、积聚和清除等.蒋维楣等(1993)指出, 在污染源一定的情况下, 污染物浓度的大小主要取决于气象条件.杨元琴等(2008)分析了2008年奥运会减排期间的污染过程, 探讨了气象条件对大气成分的反应、输送、积聚等作用的影响.李婷苑等(2012)和吴兑等(2012)对2010年广州亚运会期间空气质量与污染气象条件进行了分析, 结果表明, 亚运会期间污染物浓度的降低得益于政府实施的减排措施及良好的气象条件, 冷空气对污染物的传输、积聚和扩散影响都比较明显.陈敏等(2013)研究了上海世博会期间上海的3次污染事件, 指出大气环流的输送扩散是其主要影响因素之一.高庆先等(2015)探讨了天气背景对北京APEC会议期间空气质量改善的影响, 结果表明, 在强化减排措施实施初期, 受逆温层的影响, 北京及周边城市污染物累积升高, 形成了污染过程.康志明等(2016)利用模式模拟分析了2015年北京“阅兵蓝”的成因, 结果表明, 与2014年同期相比, 气象条件变化在北京PM_2.5浓度降幅中的贡献率达73%, 可见气象条件对空气质量的影响不容忽视.

2016年二十国集团财长和央行行长会议(G20) 领导人峰会于9月4—5日在浙江省杭州市举行.保障G20峰会期间良好的空气质量, 是向世界展示我国生态文明建设成果的重要窗口, 是对杭州及周边地区大气污染防治工作的一次重要实战检验, 这也是杭州地区首次采取大气污染强化控制措施.因此, 本文通过分析G20峰会期间杭州及其周边地区空气质量特征, 研究气象条件对杭州G20会期空气质量的影响, 以期为今后杭州地区空气质量保障提供建议和参考.

2 资料与方法(Materials and methods) 2.1 研究时段

根据《G20峰会浙江省环境保障工作方案》要求, 会期保障阶段为8月24日—9月6日, 共计14 d, 会期各项保障措施全面落实到位.在保障时期分3个阶段实施递进式管控措施：第1阶段为8月24—27日, 实施工地停工管控措施；第2阶段为8月28—31日, 实施机动车限行措施；第3阶段为9月1—6日, 采取应急管控措施.

为探讨G20峰会期间气象条件对空气质量的影响, 本研究选取管控前后各14 d作为参照, 研究时段定为8月10日—9月20日, 分别为管控前(8月10—23日)、管控中(8月24日—9月6日)和管控后(9月7—20日).

2.2 研究资料

空气质量数据来自环境保护部中国环境监测总站“全国城市空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035/)”发布的各地污染数据, 包括各类污染物小时浓度值、日均浓度值及空气质量指数(AQI)等.选择杭州及其周边地区(嘉兴、湖州、绍兴、宁波、衢州、上海、南京、宜兴、常州、芜湖)2016年8、9月的站点、城市数据作为研究对象.

本研究所用大气环境场资料来自NCEP/NCAR再分析数据集(https://www.esrl.noaa.gov/psd/data/gridded/), 采用其逐6 h和逐日再分析资料, 分辨率分别为1°×1°和2.5°×2.5°, 包括高空17层高度场、温度场、相对湿度、垂直速度和风场等.

本研究所用的台站资料是浙江省气象局自动站的逐小时地面气温、降水、相对湿度和风速等资料, 且经过了包括气候学界限值、区域界限值、时间一致性及空间一致性检查等在内的严格质量控制.

2.3 研究方法

本研究采用统计学和天气诊断的方法, 总结G20峰会期间杭州及其周边地区空气质量特征, 分析其空间分布特征和时间演变规律, 研究产生该特征的大尺度环流背景、气象要素场的特征；并按照天气学条件对其进行诊断、对比分析和合成分析, 探讨气象条件对空气质量改善的效果.

3 杭州及其周边地区空气质量特征分析(Analysis on the characteristics of air quality in Hangzhou and its surrounding areas)

为研究G20峰会期间杭州地区空气质量的改善情况, 本研究以杭州为中心选取不同方向共计10个城市作为参考对象, 分别为嘉兴、湖州、绍兴、宁波、衢州、上海、南京、宜兴、常州和芜湖.图 1为11个城市6种污染物的时序图, 各城市的污染物浓度极值出现时间较为一致或接近, 红线代表杭州市各污染物数据.以杭州的PM_2.5为例, 出现峰值的时间有8月21日、9月1、10、12和18日, 谷值时间为8月27日、9月5日和16日, 各城市的污染物浓度也基本在同日或前后出现一个明显的峰谷值.杭州的SO₂浓度在整个研究时段与周边城市相比, 均处于较低水平.管控前(8月10—23日), 除SO₂以外, 杭州的污染物浓度在各城市中处于中上等水平；8月24日管控开始后红线逐步向下, 除O₃以外基本位于较低的水平, 这充分说明大气污染管控措施对杭州空气质量改善起到了明显的效果；9月7日管控结束后, 红线陡然上升至中上等水平, 说明管控措施结束后污染反弹现象明显.

但从11个城市每一段的污染物浓度均值来看, 各城市管控中的PM_2.5、PM₁₀和O₃浓度较管控前均有不同程度的上升, 其他污染物浓度较管控前下降的城市也较少.CO浓度仅湖州出现下降(1.1%), 杭州(24.5%)和绍兴(14.2%)的NO₂浓度比管控前也有所下降, SO₂浓度出现下降的城市分别为宜兴(7.3%)、湖州(14.0%)和芜湖(17.9%).宁波的PM_2.5、PM₁₀和O₃浓度增长率(表 1)在11个城市中居于首位, 分别上升了110.7%、76.2%和67.2%.管控期间, 杭州的PM_2.5、PM₁₀、O₃、CO和SO₂浓度比管控前分别增长了13.40%、10.00%、6.80%、5.70%和5.40%(表 1), 从11个城市的增幅排名(由小到大)来看, 分别居于第3、3、3、3和6位；而NO₂(表 1)比管控前下降了24.5%, 下降幅度居11个城市之首.杭州市NO₂浓度的大幅下降体现了机动车单双号限行和工厂停限产的共同减排效果(Jansen et al., 2014；于洲等, 2016).从管控期间的3个阶段来看, 杭州的PM_2.5、PM₁₀和CO浓度逐步上升, NO₂和O₃浓度在第3阶段降到了最低值, 而SO₂浓度在第2阶段处于最高值.在9月7日管控措施结束之后, 11个城市的NO₂浓度较管控前均有不同程度的上升, 其中, 宜兴、宁波的NO₂浓度增长率较大, 分别为81.2%和80.1%, 杭州的NO₂浓度上升了49.0%.从管控结束后的PM₁₀浓度来看, 11个城市均比管控中有所降低, 上海、嘉兴降低较多, 分别为27.2%和23.7%, 杭州降低了1.2%.管控结束后, 杭州的PM_2.5浓度比管控中增长了1.8%, 其它10个城市均比管控中有所下降.反观管控结束后的O₃浓度, 芜湖比管控中增长了2.5%, 而其余10个城市均比管控中减少了20.0%以上, 杭州减少了28.6%.从以上数据可以看出, 8月24日实施管控措施之后, 各城市的污染物并没有出现一致明显的下降, 很多城市反而比管控前还上升了不少, 下面将探讨气象条件对污染物浓度不降反升的影响.

4 G20会期及前后杭州气象条件分析(Analysis on meteorological conditions of Hangzhou during the G20 summit) 4.1 管控前

从3个阶段500 hPa的平均高度距平场(图 2)可以看出, 北半球大气环流相对常年出现了明显的异常.管控前(8月10—23日), 北半球极涡呈偏心型分布, 低涡中心位于北地群岛以东的洋面, 环绕极涡中心北半球中高纬西风呈现4波型分布(图 2a).低涡强度较常年同期明显偏强, 表现为明显的位势高度异常, 中心达到-20 dagpm.亚洲大陆2个高空槽系统分别位于巴尔喀什湖地区和亚洲东北部, 2个高空槽系统均较常年同期偏强, 位势高度异常平均为-4 dagpm.位于鄂霍次克海的高压脊较常年同期明显偏强, 表现为正位势高度异常, 达到20 dagpm.在中国北部地区环流较为平直, 而中部27°~40°N为副热带高压控制, 588线呈闭合状态, 并伴有0~5 dagpm的正距平区, 是造成我国中部地区大范围持续性高温天气的主要原因.

杭州及其周边地区受副热带高压影响, 出现了持续的晴热高温天气, 该时段最高温度平均为36.2 ℃(表 2), 日照时长平均为7.8 h, 8月13—22日连续10 d最高温度都在35 ℃以上, 其中, 8月19日和20日最高温度分别达到了39.3 ℃和39.2 ℃(图 3).在晴热的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；另一方面, 天气晴好, 光照条件好, 气温高, 有利于臭氧生成.受高温影响, 8月15日和20日O₃_8 h日平均浓度分别达到了202、198 μg·m^-3.该时段内, 杭州10 m风速多集中于1~3 m·s^-1, 平均风速为2.1 m·s^-1, 水平扩散条件相对较弱(邓霞君等, 2014).从风频来看, 偏东风(E)占到了27.1%, 东北东风(ENE)占13.7%, 2个方位平均风速分别为2.5和2.6 m·s^-1(图 4a).偏东风来自海上, 气流相对洁净, 污染传输相对较少.在该时段内仅出现2个降水日, 8月10日受东风气流影响(18.5 mm), 21日受副高边缘和冷空气共同作用(31 mm).降水对于污染物的清除作用较为明显, 比之前一天各污染物浓度都有明显的下降.

4.2 管控中

管控中(8月24日—9月6日), 北半球极涡呈偶极型分布, 中心分别位于巴伦支海北部和阿留申群岛附近, 中心强度分别为524和564 dagpm, 前者较常年同期偏强, 距平中心值约为-10~-15 dagpm(图 2b).北半球中高纬500 hPa平均位势高度场呈4波型分布, 其中, 东北亚大槽较常年同期偏强, 距平中心值约为-5~-10 dagpm.我国中高纬地区是一致的西北气流, 冷空气东移进入东北亚大槽底部, 西风带上多波动, 说明冷空气活动较为频繁.西北太平洋呈现大范围的负距平, 副热带高压较常年偏南, 长江以南地区影响系统较多, 各系统互相牵制互相影响, 天气较为复杂.

第1阶段(8月24—27日), 杭州主要受副热带高压控制, 地面位于均压场(24—25日)和高压底前部(26—27日), 天气晴好, 4 d最高温度平均为33.8 ℃.25日最高温度为35.5 ℃, 日照时长达到11.6 h, 为整个研究时段最大值.受强辐射影响, 25日当天O₃_8 h日平均浓度为208 μg·m^-3, 为整个研究时段最大值.地面平均风速为2.9 m·s^-1, 较管控前增大36.1%, 风向以偏东风为主(东北东风、东风和东南东风频率总和为39.6%).26日夜间到27日受冷空气影响, 杭州有一次明显的大风(10 m平均风速3.7 m·s^-1)、降温(3 ℃)和降水(14.6 mm)过程.受其影响, 杭州各污染物浓度均达到一个低值.该阶段杭州地区实施工地停工管控措施, 并且偏东风和冷空气均有利于污染物的稀释和清除, 本阶段各污染物(除O₃外)浓度均有不同程度的下降, 其中, NO₂和PM_2.5浓度较管控前分别下降19.9%、6.8%.

第2阶段(8月28—31日), 杭州处于低压系统外围, 有一定的下沉气流, 垂直扩散能力较弱.随着台风“狮子山”并入东北冷涡, 杭州地面风向经历了西北-西-西南的转变.28日是冷空气和台风“狮子山”共同作用影响浙江最强的时段, 杭州地面为西北风, 日均风速为管控期最强, 达到3.9 m·s^-1, 上游污染物输送较为明显.受干冷的西北气流影响, 空气湿度下降, 相对湿度达到了整个研究时段最低值45.6%, 受上游污染物输送的影响, 与27日相比, 杭州各污染物浓度均有所增长.29—31日大气层结较为稳定, 850 hPa以下夜间存在逆温, 地面等压线稀疏, 气压梯度力和风速较小, 平均为2.3 m·s^-1, 不利于污染物的扩散.另外, 在该阶段杭州天气晴好无降水, 最高温度平均为32 ℃, 连续4 d日照在10 h以上, 平均为10.75 h, 较管控前增长了38.7%.在此期间辐射条件好, 扩散能力弱, 有利于光化学反应O₃的生成和累积.受外来污染输入和静稳天气的影响, 杭州各污染物浓度在29日前后出现了峰值.其中, 杭州各污染物较管控前增幅最大的为SO₂，达到30.5%, 8月28、29日SO₂浓度为12 μg·m^-3, 高于管控前期的峰值.从图 1可以看出, 管控前和管控时各城市的SO₂一直处于较低值(红线位于较低水平), 且各城市SO₂离散度一直保持最大状态.管控前杭州SO₂处于次低值(杭州为8.43 μg·m^-3, 嘉兴最低为8.36 μg·m^-3), 而管控时不论是整体还是3个阶段杭州的SO₂均值都是最低.周边城市与杭州的SO₂浓度梯度较大, 28日在北到西北气流的引导下, 上游地区的SO₂南下输入杭州, 从而导致杭州SO₂浓度升高.而其他污染物浓度, 杭州与周边城市的差值不大, 所以外来输入后杭州污染物浓度的增幅也较小.该阶段气象条件不利于污染物的扩散和清除, 环保部门在实施机动车限行措施的基础上, 有计划地实施了加强措施, 期间还分别制定了针对颗粒物和VOCs为主的污染防治措施, 加大力度实施污染物的减排方案, 并组织人员开展现场督查, 管控督办落实各地整改措施.得益于加强减排应急管控措施的有效实施, 该阶段各污染物的浓度值(除NO₂)在第1阶段的基础上增幅较小.

第3阶段(9月1—6日), 杭州处于副热带高压西北侧西风槽内, 天气变化剧烈, 云系较多, 光照条件较差, 日照均值为5.6 h, 较管控前下降27.7%.9月1日杭州处于低涡底部, 地面西南风平均风速为3.3 m·s^-1, 暖湿的西南气流有利于颗粒物吸湿增长, 风力较大有利于污染物的传输, PM_2.5和PM₁₀出现峰值；9月2—3日为高空槽后西北气流, 地面均压场, 平均风速仅为2.1 m·s^-1, 连续8 d无降水, 不利于污染物的扩散和清除.9月4—6日受高空副高边缘西风带小槽和低层辐合带共同影响, 杭州云系增多, 地面偏东风, 有弱降水出现, 对污染物有一定湿清除作用, PM_2.5、PM₁₀、NO₂和CO的浓度均在9月5日达到了一个谷值.在该阶段, 杭州及周边地区继续加强区域大气污染联防联控, 应急措施、管治结合、现场督查和执法监管等一系列综合保障措施的力度都达到最强, 特别是加强对颗粒物和VOCs前体物进行分析, 严控上游地区重点行业的排放.最高级别应急减排措施的有效实施, 使得杭州地区SO₂、NO₂和O₃浓度较第2阶段继续下降.总降水量仅2.3 mm, 相对湿度平均为65%, 平均温度较管控前下降13.6%, 辐射条件转差不利于光化学反应O₃的生成；静稳天气有利于颗粒物的累积, 湿度增加有利于PM_2.5和PM₁₀吸湿增长, 较管控前分别增长了33.2%和21.5%.虽然颗粒物浓度有所增长, 但杭州市空气质量整体仍处于优良等级, 尤其在G20峰会召开的9月5日, 杭州市各污染物浓度达到全优, 圆满地完成了空气质量“双控双优”(PM_2.5和O₃)的保障目标.

4.3 管控后

管控后(9月7—20日), 北半球极涡依然呈偶极型分布, 中心分别位于乌拉尔山西南部和波弗特海北部, 整个北半球高纬度环流呈双绕极.中心强度分别为546和514 dagpm, 均较常年同期偏强, 距平中心值约为-15~-20 dagpm(图 2b).欧亚大陆中高纬度为两槽两脊型, 两槽分别位于乌拉尔山西部和东北亚地区.东北亚大槽较为宽广, 从鄂霍次克海至长江中下游地区呈东北-西南走向.副热带高压较常年偏强, 太平洋上592线呈闭合状态, 588线西脊点西伸至125°E.低值系统沿着副热带高压西侧偏南气流运动, 从而靠近我国东部地区, 这样的天气形势会给我国东部地区带来明显的降雨天气.

本阶段杭州出现了4次降水过程, 降雨天数和降水量相比前两个阶段均有较大幅度增长, 总降水量达到153.5 mm, 较管控前增长了210.1%.影响系统分别是7日低层辐合带、10—11日高空槽和低层辐合带、13—16日台风“莫兰蒂”和19日台风“马勒卡”.其中, 13—16日受台风“莫兰蒂”影响, 杭州及周边地区普降暴雨, 部分地区出现大暴雨, 杭州站9月15日单日雨量达到73.6 mm.杭州气温逐步下降, 以北到西北风为主, 北风、西北西风和西北风频率总和为49.1%, 有利于北方污染物输送.大风和降水对于污染物的稀释、湿沉降作用明显, 后3次降水过程中, 各污染物都有所下降.9月11日高空槽和低层辐合带叠加导致浙中南地区出现中到大雨, 局部暴雨.虽然杭州站降雨量仅为2.9 mm, 但全市面雨量达到7.3 mm, 受此次降水过程影响, 各污染物浓度也有所降低.9月15—16日, 杭州的各污染物浓度都达到了一个明显的谷值.PM_2.5、PM₁₀和O₃_8 h浓度都达到了整个研究时段最低值, 分别为9、15和24 μg·m^-3.9月7日杭州降水9.5 mm, 但污染物浓度下降不明显, 这与管控结束各类污染源恢复常态有明显关系.受多次降水过程影响, 日照时长均值仅为2.8 h, 较管控前下降63.5%, 气象条件不利于O₃的生成和累积, O₃_8 h平均浓度下降至114 μg·m^-3.

尽管该阶段有明显的大风和降水过程, 但PM_2.5、PM₁₀、NO₂、SO₂和CO 5种污染物平均浓度较管控前和管控中均有明显的上升, 这主要是受各类污染源恢复常态及不利气象条件的共同影响.9月6日管控结束后, 各污染物浓度浓度迅速上升, PM_2.5、PM₁₀、NO₂、SO₂和CO在9月9—10日达到了整个研究时段的最大值, 分别为61、86、53、15 μg·m^-3和1 mg·m^-3.9月8—9日杭州受高空弱脊影响, 地面均压场, 气压梯度力和风速较小(0.4~3.8 m·s^-1), 2 d平均风速为1.6 m·s^-1, 风向杂乱, 气压较低, 温度日较差达到10.5 ℃, 相对湿度平均为72.3%.静稳天气下的水平和垂直扩散能力较弱, 有利于污染物的累积.9月10日受高空短波槽过境影响, 降水较弱, 地面湿度增加, 有利于污染物的吸湿增长.在管控后, 日平均风速小于2 m·s^-1的天数达到6 d(管控前2 d, 管控中0 d), 不利于污染物的水平扩散；日均混合层小于1 km的天数为10 d(管控前7 d, 管控中5 d), 不利于污染物的垂直扩散.

5 结论(Conclusions)

1) G20峰会管控措施实施期间, 11个城市的PM_2.5、PM₁₀和O₃浓度较之管控前均有不同程度的上升, 其他污染物浓度比管控前下降的城市也较少.杭州的NO₂浓度降幅比例居11个城市之首, PM_2.5、PM₁₀、O₃、CO和SO₂的浓度增幅排名(由小到大)分别为第3、3、3、3和6位, 说明管控措施对杭州地区空气质量有一定的改善效果.

2)9月7日管控结束后, 杭州各污染物浓度陡然上升, 管控措施结束后污染反弹现象明显.

3) 在管控前, 杭州及其周边地区受副热带高压影响, 出现了持续的晴热高温天气.这一方面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；另一方面, 高温和良好的辐射条件有利于臭氧生成.在此期间, 杭州地区发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.

4) 在管控中, 得益于减排应急管控措施的有效实施, 杭州的NO₂浓度较管控前下降明显, 对比周边城市下降幅度也最大.受静稳天气和外来传输的影响下, 其他污染物浓度较管控前有所上升, 但增幅也较周边城市偏小.各个阶段气象条件对杭州地区的空气质量影响各有不同.对PM_2.5而言, 第1阶段偏东气流和一次明显的冷空气过程有利于杭州地区PM_2.5的稀释下降；而第2、3阶段风速小、降水少, 不利于PM_2.5的扩散清除.对于O₃而言, 第1、2阶段天气晴好, 日照强气温高, 有利于O₃的生成和积累；而第3阶段云系较多、日照少, 不利于O₃生成.

5) 在管控后, 日平均风速小于2 m·s^-1的天数达到6 d(管控前2 d, 管控中0 d), 不利于污染物的水平扩散；日均混合层小于1 km的天数为10 d(管控前7 d, 管控中5 d), 不利于污染物的垂直扩散；降水较多, 辐射条件较差, 不利于O₃的生成和累积.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(除O₃外)出现了整个研究时段的最大值.9月15—16日, 杭州受台风“莫兰蒂”影响, PM_2.5、PM₁₀和O₃浓度出现了整个研究时段的最低值.

致谢(Acknowledgement): 感谢浙江省环境监测中心为本研究提供了污染物浓度数据.