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近年来,随着经济的发展,华北地区的大气污染态势由煤烟污染型逐步转变为煤烟和尾气污染复合型,较为严重且呈现区域性特征。在北京市成功申办第29届奥运会和第13届残奥会之后,为了实现“绿色奥运”的庄严承诺,在奥运会期间,北京市政府在北京及其周边地区采取了一系列污染源控制措施以改善空气质量。回顾奥运会和残奥会的29天,北京市环境空气质量均达到了二级标准。由于空气中的污染物不仅来自于污染源的贡献,而且其稀释、输送和扩散也受到气象条件的影响,因此污染源控制和气象条件对华北地区奥运期间空气质量显著提高的相对贡献一直是争论的焦点。为了研究这一颇具争议的科学问题,本文使用RAMS-CMAQ耦合模式来全面考虑奥运会期间的气象条件和化学转化过程。首先,本文模拟了2008年7-8月华北地区PM2.5和O3浓度,根据模拟结果和大量观测资料,分析了该时段华北地区PM2.5和O3浓度的时空分布特征;其次,本文设计了两个敏感试验,定量分析了不同污染源在相同气象条件下对空气质量的影响以及不同气象场(2007年8月以及2008年8月)在相同污染源情况下对空气质量的影响,本文还给出了华北地区在两种不利气象条件下大气污染物的分布特征。
本文将模拟结果与中国气象局128个台站温度、降水、风向和风速的观测资料以及大气环境观测网15个站点的PM2.5和03浓度的观测数据进行比较。结果表明,模拟值与实测值吻合程度较高,说明模式系统可以较为准确地反映区域大气污染物的演变特征。
2008年7月和8月的模拟结果显示,北京、天津、保定和石家庄地区为PM2.5的高浓度区;硫酸盐粒子的高值区位于京津地区和河北省大部,最高值出现在河北省与山西省阳泉市交界处;硝酸盐粒子浓度主要分布在京津地区和石家庄地区,尤以北京地区浓度最高;铵盐粒子浓度主要分布在京津地区和河北省中西部地区。三种粒子浓度以硫酸盐粒子最高、硝酸盐次之、铵盐粒子浓度较低。地面臭氧高浓度区域主要位于山西中南部大部和河北中西部部分地区,浓度大于70ppb。
结果表明,在气象场不变的前提下,实施严格的污染源控制对华北地区PM2.5和硫酸盐、硝酸盐和铵盐三种气溶胶浓度的降低有较为明显的效果。由于主要的污染控制措施均在北京实施,北京地区的削减最为明显。8月,北京地区PM2.5浓度削减了19.0μg/m3,下降了21.1％;北京周边地区削减幅度在11%左右,仅为北京地区的一半左右。但单纯控制污染源的排放对O3浓度的影响不甚明显,北京市区、天津、石家庄等地有浓度上升的情况出现,北京周边地区的效果则要好于北京市区。
在污染源不变的前提下,2007年8月PM2.5的高值区域主要位于北京地区、河北中南部地区以及河南北部地区,而2008年8月高值中心区域明显缩小,差值较大的地区为北京南部、石家庄地区及河北河南交界处,奥运村站2007年8月较2008年同期浓度大2倍以上。温度、湿度等气象条件的不同引起的污染物的输送和累积是造成PM2.5浓度差异的主要原因。而O3的变化较为复杂,2007年8月O3浓度高值区主要分布在北京以南的河北中南部、山西东部和河南部分地区,浓度在70ppb以上,北京天津地区浓度较低,仅为40ppb左右。在两种情景下,O3浓度变化不大。
此外,本文选取了西南风和静稳天气两种对华北地区大气质量最不利的气象条件,分析了大气污染物的分布特征。在西南风条件下,北京地区受外来污染物传输影响较大,细粒子浓度较高,且影响持续时间较长;在静稳天气条件下,细粒子浓度的高值区主要位于污染源排放水平较高的地区,即石家庄地区和河南山西交界处,北京南部地区也会受到一定程度影响,但影响不大。