烏魯木齊市大氣污染治理成效的綜合評估分析

李 霞,郭宇宏,盧新玉,古麗格娜·海力力,王勝利,趙克明,蔡 仁,鐘玉婷,劉新春,王 磊, 任 泉(.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊 8000；.新疆環(huán)境監(jiān)測總站,新疆 烏魯木齊800；.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺,新疆 烏魯木齊 8000；.新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心,新疆 烏魯木齊8000；.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心,新疆 烏魯木齊 8000；.烏魯木齊市氣象臺,新疆 烏魯木齊 8000)

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烏魯木齊市大氣污染治理成效的綜合評估分析

李 霞1*,郭宇宏2,盧新玉3,古麗格娜·海力力4,王勝利5,趙克明3,蔡 仁6,鐘玉婷1,劉新春1,王 磊6, 任 泉6(1.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所,新疆 烏魯木齊 820002；2.新疆環(huán)境監(jiān)測總站,新疆 烏魯木齊830011；3.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺,新疆 烏魯木齊 820002；4.新疆維吾爾自治區(qū)氣象信息中心,新疆 烏魯木齊820002；5.新疆維吾爾自治區(qū)氣候中心,新疆 烏魯木齊 820002；6.烏魯木齊市氣象臺,新疆 烏魯木齊 820002)

摘要：2012～2013年烏魯木齊采用了以煤改氣為主的大氣環(huán)境治理措施.利用2009～2014年冬季主要污染物濃度、1993～2014年的直接輻射、能見度、霾日數(shù)據(jù),并參考相關文獻,從大氣環(huán)境的化學屬性、物理屬性兩個方面評估煤改氣等工程措施對烏魯木齊市大氣環(huán)境的改善效果.結果表明, 2013～2014年兩個冬季烏魯木齊市主要污染物P M10、SO2、NO2濃度比煤改氣前期(2009～2011年冬季)各自下降了26.1%、80.2%、11.6%;細顆粒物PM2.5中水溶性物質(zhì)的總濃度比例下降了20.57%.煤改氣工程前后PM2.5中可溶性離子濃度排名前三位的均是SO42-、NH4+和NO3-,但后期SO42-和NH4+占據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度比例比前期下降近一半,NO3-質(zhì)量濃度比例變化不大.從大氣物理特性來看,煤改氣等工程之后烏魯木齊冬季直接輻射量提高,且2014/2015年冬季的直接輻射量是過去23年中第二個峰值;2012/2013年冬季能見度平均增加了5.7km,是1997年以來的最大值.與上年度同期相比,增幅達35.0%;2012/2013年冬季霾日數(shù)比上年度同期減少了15d,降幅達50%.上述結果說明烏魯木齊市的大氣環(huán)境得到了一定程度的改善.

關鍵詞：烏魯木齊；煤改氣工程；大氣環(huán)境；評估

* 責任作者, 副研究員, lixia@idm.cn

改革開放30多年來,隨著我國經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展,工業(yè)化和城市化進程不斷加速,城市和城市群區(qū)域大氣污染日趨嚴重[1-2],其中天山北麓的烏魯木齊市大氣污染惡化程度可謂領先于全國.1999 年,烏魯木齊就成為世界上大氣污染最為嚴重的十座城市之一[3].2011年世界衛(wèi)生組織公布的全球1083個城市的空氣質(zhì)量排名中,烏魯木齊名列1053名,全國倒數(shù)第三[4].惡劣的空氣質(zhì)量已危害到當?shù)厝嗣竦纳眢w健康[5-7].

烏魯木齊大氣環(huán)境急劇惡化與多種因素有關.首要是過量的人為污染物排放.其次,烏魯木齊及其周邊地形復雜(見圖1).烏魯木齊市區(qū)位于中天山北麓的沖積平原上,大體為開口朝北的“喇叭口”地形,極不利于污染物的輸送擴散.第三,與深受地形和氣候背景影響的氣象條件有關.冬季漫長,采暖期長達半年,冬半年燃煤量占據(jù)了全年消費總量的三分之二[8],造成大氣污染物高度集中排放.同時,烏魯木齊位于準噶爾盆地邊緣,山峰的加熱效應[9]、冷湖效應[10]會導致盆地低洼地區(qū)出現(xiàn)逆溫.此外,烏魯木齊還處峽谷的北端(稱此峽谷為中天山峽谷).冬半年在蒙古高壓的控制下,烏魯木齊頻繁遭受焚風的襲擾[11-12].焚風與烏魯木齊地區(qū)山谷風的耦合作用下,不僅加強了城市上空的逆溫層厚度和穩(wěn)定度,而且造成城市近地層氣流晝夜維持輻合狀態(tài).大氣污染物累積,致使冬季烏魯木齊重污染事件頻繁發(fā)生[13-15].

2012～2013年,烏魯木齊政府先后投入332億元進行大氣污染治理.截止2014年底,累計減少燃煤消耗1200萬t,減排污染物23.9萬t[16].20世紀末以來,西安、重慶、蘭州、北京、石家莊、呼和浩特、沈陽、烏魯木齊等先后采取“煤改氣”工程治理大氣污染[17].1996～2000年西安煤改氣工程后，SO2濃度明顯隨燃煤數(shù)量的減少而減少;由于機動車增加,在控制NO2方面成效甚微;揚塵治理導致TSP年均值濃度逐年下降[18].研究[19]表明, 2001年重慶市SO2和NOx的年均濃度與2000年相比分別下降了14%和13.6 %.通過對烏魯木齊2009年和2013年同期1～2月污染物濃度的分析,表明NO2日均濃度并未降低,反而呈增加的趨勢,認為與增加的機動車保有量排放大量尾氣有關[20].上述研究只是從大氣化學特性比較了煤改氣等工程對大氣環(huán)境的影響.通常大氣環(huán)境是指生物賴以生存的空氣的物理、化學和生物學特性.物理特性主要包括空氣的溫度、濕度、風速、能見度、輻射等,這一切均由太陽輻射這一原動力引起.化學特性則主要為空氣的化學組成.人類生活或工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)排出的SO2、NOx、NH3、CO與氟化物等有害氣體可改變原有空氣的組成,通過復雜的化學轉(zhuǎn)化生成二次氣溶膠.二次氣溶膠不僅造成大氣污染,而且細顆粒物中的硫酸鹽和硝酸鹽對能見度的降低起到重要的消光貢獻[21].近年來,我國細粒子污染導致的持續(xù)性霧霾天氣和重污染過程逐漸增多[22-24].由此可見,大氣環(huán)境改善的評估還可以結合大氣物理特性進行評價.因此,本文將采用污染物濃度、顆粒物化學組分,同時結合輻射、能見度等進行綜合分析,試圖對烏魯木齊煤改氣等工程對城市大氣環(huán)境改善給出一個較全面的評估.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

2000年6月～2012年12月,烏魯木齊市環(huán)境保護局在全市設有鐵招站、監(jiān)測站和收費所3個站開展大氣污染物PM10、SO2和NO2的監(jiān)測(圖1).收費所站位于烏魯木齊城南,歷來代表南部城區(qū)的空氣質(zhì)量,監(jiān)測站代表城市中心地帶,鐵招站則代表北部城區(qū).2013年1月烏魯木齊大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測站擴充到7個.本文統(tǒng)一采用鐵招站、監(jiān)測站和收費所這3個站的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行研究.由于煤改氣工程主要是削減冬季燃煤采暖帶來的巨大污染物排放量.因此,采用上述3個站2009～2014年6個冬季(12月～次年2月)3類污染物(PM10、SO2和NO2)濃度的日均值進行對比分析.

氣象數(shù)據(jù)包括烏魯木齊1993～2015年每日4個時次的風向、風速、溫度、相對濕度、能見度、全天天氣現(xiàn)象、每日逐時的直接輻射觀測值.1993年,烏魯木齊能夠采集逐時的直接輻射值.2014年1月1日,烏魯木齊市能見度采用器測,但同時刻的器測和肉眼觀測的能見度差距甚大,無法很好地轉(zhuǎn)換銜接.基于上述因素,本文采用的氣象數(shù)據(jù)為1993年1月～2015年5月,能見度截止時間為2013年12月.

圖1 烏魯木齊市地形、3個大氣環(huán)境監(jiān)測站和2個顆粒物采集點的地理位置分布Fig.1 The topography of Urumqi, the locations of three atmosphere environment monitoring stations and locations of two sites for sampling PM2.5in Urumqi★大氣環(huán)境監(jiān)測站●顆粒物采集點圖中黑色粗實線代表烏魯木齊市區(qū)的大致邊界

1.2 方法

1.2.1 直接輻射量統(tǒng)計方法 基于1993年1月1日～2015年5月31日逐日逐時直接輻射數(shù)據(jù),先統(tǒng)計每日直接輻射總量,繼而針對春(3～5月)、夏(6～8月)、秋(9～11月)、冬(12～次年2月)計算每個季節(jié)的直接輻射總量.

1.2.2 能見度統(tǒng)計方法 近年來,國內(nèi)外普遍采用14:00能見度開展大氣污染導致的環(huán)境變化研究[25-27].遵照這個方法（見文獻[26]），對烏魯木齊能見度進行了統(tǒng)計。

1.2.3 霾日統(tǒng)計方法 對于長期的霾日氣候變化,除了上述14:00能見度法以外,吳兌等[27-28]給出了另外2種常用統(tǒng)計方法.第一種方法,即首先需按照觀測記錄訂正,1d中某個時次符合出現(xiàn)霾的標準就統(tǒng)計為1個霾日,本文稱之為“任意時次法”;第二種用日均值,當日平均能見度小于10km,日均相對濕度小于90%,并排除降水、吹雪、雪暴、揚沙、沙塵暴、浮塵、煙幕等其他能導致低能見度事件的情況為1個霾日,本文稱之為“日均值法”.

運用上述3種方法篩選了烏魯木齊1993～2013年逐月的霾日數(shù),發(fā)現(xiàn)“14:00能見度法”和“日均值法”統(tǒng)計的結果不符合當?shù)匕傩盏母泄僬J知.因此,最終確定采用了“任意時次法”篩選霾日,.不僅一天當中的4個時刻02:00、08:00、14:00和20:00一律采納“14:00能見度法”附加條件進行篩選,同時規(guī)定在上述能見度觀測的整點前半小時沒有出現(xiàn)降水天氣.

2 煤改氣等工程前后的大氣化學特性比較

2.1 煤改氣工程前后污染物濃度變化情況

2012～2013年夏半年是烏魯木齊煤改氣等工程的主要實施階段,則2009～2011年3個冬季污染物濃度平均值可以代表煤改氣工程之前的狀況,2012年冬季濃度值為煤改氣工程實施階段狀況,2013～2014年冬季的污染物濃度平均值則代表煤改氣工程之后.表1列出了烏魯木齊2009～2014年冬季PM10、SO2和NO2濃度的冬季平均值.可見,煤改氣工程之后烏魯木齊市冬季3種污染物濃度總體呈下降趨勢.PM10濃度從煤改氣前的215μg/m3下降到159μg/m3,下降幅度達26.1%;SO2濃度則從煤改氣前206μg/m3下降到41μg/m3,降幅達80.2%;NO2濃度下降相對不顯著,但也從煤改氣前的88μg/m3下降到78μg/m3,下降達11.6%.同期比較可見,煤改氣工程對SO2的削減效果最顯著,這與西安[18]、重慶[19]的煤改氣工程成效是一致的.NO2主要來源于化石燃料的燃燒.煤改氣工程減少了NO2的排放量,但是2009～2014年間烏魯木齊機動車保有量從28萬輛上升到75萬輛;再者,每天早晚高峰期道路擁堵已成為常態(tài),節(jié)假日擁堵也較頻繁,由此可能導致NO2濃度減幅不明顯.

從空間上來看,南部市區(qū)SO2濃度削減最為劇烈(表2).這主要是由于南部市區(qū)是烏魯木齊大氣污染源的密集分布地區(qū),煤改氣等工程對南部市區(qū)改造力度最大,眾多工廠拆遷以及熱電廠關停等對SO2的削減做出了重要貢獻.南部市區(qū)同時是城市通往南疆和內(nèi)地的交通要道,道路擁擠繁忙,所以NO2濃度的減少幅度不及全市平均值.城市中心地帶和北部市區(qū)NO2下降明顯些,這可能和偏北市區(qū)臭氧增多而消耗NOx有關[29].

表1 2009～2014年冬季烏魯木齊市污染物濃度變化情況(μg/m3)Table 1 Variation of wintertime air pollutants concentration in Urumqi during 2009～2014 (μg/m3)

表2 2009～2014年冬季烏魯木齊收費所站污染物濃度變化情況 (μg/m3)Table 2 Variation of wintertime air pollutants concentration at Shoufeisuo station in Urumqi during 2009～2014 (μg/m3)

2.2 煤改氣等工程前后氣溶膠化學組分變化情況

巨大的污染源削減工程可能會改變?yōu)豸斈君R的顆粒物化學組分.引用李娟、莊國順等[30-31]以及趙克蕾等[32]的研究成果闡述煤改氣工程前后顆粒物化學組分的變化.李娟等[30-31]于2007年2月19日～3月11日在烏魯木齊建國路沙漠氣象研究所的7樓樓頂進行顆粒物采集(圖1中“沙所”).趙克蕾等[32] 于2013年1～3月進行顆粒物采樣,地點位于烏魯木齊東大梁路樹木年輪理化重點實驗室的2樓樓頂(圖1中“年輪”).這兩個地點直線距離約700m,且由于樹木年輪實驗室海拔高,最終這2個顆粒物采集地點的海拔高度相近.

表3列出了2007年和2013年烏魯木齊市同期的氣溶膠可溶性陰陽離子的質(zhì)量濃度.對比可見,煤改氣之前的2007年,烏魯木齊PM2.5質(zhì)量濃度為187.58μg/m3,其中水溶性物質(zhì)總濃度占PM2.5的比例為52%.根據(jù)濃度大小順序,在PM2.5中主要陰離子為SO42->NO3->Cl->CH2(COO)22-,主要陽離子為NH4+>Na+>K+>Ca2+>Mg2+;SO42-和NH4+分別是頭等重要的陰陽離子,SO42-在PM2.5中的比例是24.7%,NH4+為12.9%[30-31].煤改氣等工程之后的2013年,由于可溶性離子中Mg2+、F-兩種離子未檢出率較高,因此未參與統(tǒng)計.PM2.5質(zhì)量濃度為170.13μg/m3,其中水溶性物質(zhì)為53.47μg/m3,占PM2.5質(zhì)量濃度的31.43%,相較2007年,PM2.5質(zhì)量濃度有略微下降,同時水溶性物質(zhì)的總濃度下降了20.57%;雖然2013年PM2.5中主要陰陽離子排序仍然是SO42-、NH4+和NO3-,但是它們占PM2.5質(zhì)量濃度的比例分別是12.71%、6.71%和5.24%.和2007年相比,SO42-、NH4+的比重幾乎下降了一半,NO3-的比重反而略微上升.研究表明[32],2013 年1～3月在晴天、霧天、霾天和降雪4類天氣情況下,霾天除了Ca2+和NO3-以外,PM2.5質(zhì)量濃度和其它可溶性離子質(zhì)量濃度均高于其它3類天氣.以2013年霾天和2007年比較(表3),可見SO42-、NO3-和NH4+的質(zhì)量濃度仍然小于2007年狀況.李娟等[30-31]研究認為,烏魯木齊PM2.5中水溶性物質(zhì)中離子的主要存在形式依次是(NH4)2SO4、NaCI、Ca(NO3)2等,且以硫酸銨為主的銨鹽占PM2.5總質(zhì)量的47.3%.SO42-和NH4+可能更大部分來自于以二次氣溶膠為主要部分的污染源,且污染氣體二氧化硫的氣固轉(zhuǎn)化是快速形成SO42-的重要途徑.如此,煤改氣等工程有利于削減二次氣溶膠的形成.

表3 2007年和2013年1～3月烏魯木齊PM2.5及可溶性離子的質(zhì)量濃度(μg/m3)Table 3 PM2.5concentrations and the ions’ concentrations of aerosol in Urumqi from February to March of 2007 and from January to March of 2013(μg/m3)

3 煤改氣等工程前后的大氣物理特性比較

3.1 直接輻射變化情況

已有研究表明,1961～2009年中國地區(qū)直接輻射在冬季以下降明顯為主,春季以變化不明顯最多,夏、秋季均為下降明顯和變化不明顯[33].圖2顯示了烏魯木齊1993～2015年太陽直接輻射量四季的變化情況.可見,這23年間烏魯木齊春、夏、秋3個季節(jié)的直接輻射量在緩慢增加,而冬季直接輻射量呈現(xiàn)遞減的趨勢.四季當中夏季的變化趨勢通過了0.05顯著性檢驗,春季和秋季都通過了0.1的顯著性檢驗.盡管冬季太陽直接輻射量呈下降趨勢,但從2012年煤改氣工程伊始,2012/2013年、2013/2014年、2014/2015年冬季直接輻射量比前期都有所增加,且2014/2015年冬季直接輻射總量達到7.69×104W/m2,23年當中僅次于1994年冬季值,比1993～2014年22個冬季直接輻射量均值(5.17×104W/m2)高48.8%,可以間接佐證大氣污染物的削減降低了氣溶膠對輻射的散射和吸收,因此到達地面的直接輻射量增加.

3.2 能見度變化情況

圖3為烏魯木齊市1993～2013年能見度的四季演變情況.可見這21年間烏魯木齊能見度四季都呈現(xiàn)下降趨勢,春、夏、秋、冬的平均能見度分別是28.2、31.5、28.0和18.8km,各自的變化率分別為-0.110、-0.291、-0.154和-0.164km/a,且分別通過了0.05、0.01、0.05和0.1的顯著性檢驗,其中夏季的能見度下降幅度最大.烏魯木齊市2012/2013年冬季能見度為21.6km,是1997年以來最大值,比上一個冬季增加了5.7km,升幅為35.0%.

圖2 1993～2015年烏魯木齊直接輻射的四季變化Fig.2 The seasonal variation of direct radiation in Urumqi during 1993～2015

圖3 1993～2013年烏魯木齊四季的能見度變化Fig.3 The seasonal variation of visibility in Urumqi during 1993～2013

3.3 霾日數(shù)變化情況

烏魯木齊的霾天主要出現(xiàn)在冬季、其次是春秋季,夏季沒有霾日.全年霾日數(shù)累計達到43.2d,冬季霾日所占比例達72.2%.與中國743個地面站點霾日月平均頻率相比[28],烏魯木齊霾日頻率不僅高于哈爾濱、西安,而且遠遠高于全國范圍的月平均出現(xiàn)頻率.圖4顯示了1993～2013年烏魯木齊四季霾日數(shù)的變化.多年來烏魯木齊夏季和秋季霾日數(shù)沒有發(fā)生顯著的變化趨勢,而春季和冬季都呈現(xiàn)略微的增長趨勢,增加趨勢分別是0.07d/a和0.56d/a,但是都沒有通過顯著性檢驗.1993～2013年烏魯木齊市冬季平均霾日數(shù)為24.5d.2012/2013年冬季出現(xiàn)霾日15d,是近13年來同期最少,比2011/2012冬季霾日數(shù)(30d)減少了15d,降幅達50%.

圖4 1993～2013年烏魯木齊四季霾日的變化Fig.4 The seasonal variation of numbers of hazy days in Urumqi during 1993～2013

4 結論

4.1 從大氣環(huán)境的化學屬性來看,煤改氣等工程之后的2014～2015年烏魯木齊冬季主要污染物PM10、SO2、NO2濃度分別是159 μg/m3、41 μg/m3、78 μg/m3,比前期(2009～2011年冬季)各自下降了26.1%、80.2%、11.6%;細顆粒物中水溶性物質(zhì)的總濃度在PM2.5中所占比例下降了20.57%.煤改氣等工程前后PM2.5中排名前3位的水溶性離子都是SO42-、NH4+和NO3-;比較來看,煤改氣等工程之后,SO42-和NH4+占據(jù)PM2.5質(zhì)量濃度比例下降近一半,分別是12.71%、6.71%, NO3-質(zhì)量濃度比例變化不大.

4.2 從大氣物理特性來看, 2013/2014年、2014/2015年烏魯木齊冬季的直接輻射量比煤改氣前期上升,尤其2014/2015年冬季總直接輻射量達到7.69×104W/m2,是1993～2014年冬季當中第二個峰值,僅次于1994年;2012/2013年冬季平均能見度增加了5.7km,是1997年以來的最高值.與上年度同期相比,增幅達35.0%;2012/2013年冬季霾天日數(shù)比上年度同期減少了15d,降幅達50%.

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致謝：北京大學物理學院趙春生教授、中國科學院大氣物理研究所的夏祥鰲研究員對本研究提出了很多寶貴的建議,在此表示誠摯的謝意.

Evaluation and analysis on the effects of air pollution control in Urumqi.

LI Xia1*, GUO Yu-hong2, LU Xin-yu3, Gulgina·HELIL4, WANG Sheng-li5, ZHAO Ke-ming3, CAI Ren6, ZHONG Yu-ting1, LIU Xin-chun1, WANG Lei6, REN Quan6(1.Institute of Desert Meteorology, China Meteorological Administration, Urumqi 830002, China；2.Xinjiang Environmental Monitor Centre, Ministry of Environment Protection, Urumqi 830011；3.Xinjiang Meteorological Observatory, Urumqi 830002, China；4.Xinjiang Meteorological Information Center, Urumqi 830002, China；5.Xinjiang Climatic Center, Urumqi 830002, China；6.Urumqi Meteorological Bureau, Urumqi 830002, China).China Environmental Science, 2016,36(1)：307～313

Abstract：Measures mainly based on the Coal to Gas Engineering (CTGE) for heating between 2012 and 2013 were taken to improve the air quality in Urumqi.In this paper, a comprehensive study was conducted to evaluate the effects of these measures on atmospheric environment in Urumqi by using the data of the concentrations of major air pollutants during wintertime of 2009～2014, the direct radiation, visibility, hazy days between 1993～2014.The results show that the concentrations of PM10, SO2and NO2in Urumqi during the wintertime of 2013～2014 decline by 26.1%, 80.2% and 11.6% respectively compared to those in the wintertime of 2009～2011 which represent the concentrations before CTGE.The ratio of total water-soluble matter to PM2.5also decreases by 20.57%.The top three ions’ concentrations in PM2.5are SO42-, NH4+and NO3-before and after the CTGE.However, there is 50% decrease of the mass fractions of SO42-and NH4+in PM2.5after the CTGE, and the mass fraction of NO3-in PM2.5remains unchanged.In the view of atmospheric physics, the total direct radiations during the wintertime in Urumqi increase after the CTGE and the value of 2013～2014 reaches up to the second peak for the past 23 years.There is a 5.7km increase for the wintertime visibility of 2013～2014 which is the maximum value since 1997.At the same time, there are 15days less for the wintertime hazy days of 2012～2013 comparedbook=308,ebook=311to that of previous year which is a decrease of 50%.The results and analysis indicate that the CTGE for heating improved the atmospheric environment in Urumqi to a certain extent.

Key words：Urumqi；coal to gas engineering for heating；atmospheric environment；evaluation

中圖分類號：X511

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6923(2016)01-0307-07

收稿日期：2015-05-20

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務費專項資金項目(IDM201501);國家自然科學基金(41575011);國家科技支撐課題(2014BAC16B04)

作者簡介：李 霞(1969-),女,新疆石河子人,副研究員,博士,主要從事大氣環(huán)境研究.發(fā)表論文40余篇.