煙花爆竹燃放對西安環(huán)境空氣質(zhì)量影響的個例分析

王雯燕，唐文哲，鄧小麗，李國平，張雅斌，程 龍

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院，四川成都610225;2.西安市氣象局，陜西西安710016)

0 引言

在重大節(jié)日及喜事慶典上燃放煙花爆竹是中國人千百年來的一種傳統(tǒng)習(xí)俗，是春節(jié)增加歡樂氣氛的一項重要文化活動?！氨衤曋幸粴q除，春風(fēng)送暖人屠蘇，千門萬戶瞳瞳目，總把新桃換舊符”，宋代著名文學(xué)家、政治家王安石曾這樣描繪春節(jié)燃放爆竹的場景。煙花爆竹的主要成分是黑火藥，含有硫磺、木炭粉、硝酸鉀，有的還含有氯酸鉀，彩色煙花還要加入鎂粉、鐵粉、鋁粉、銻粉及無機鹽等其他特效藥物。在引發(fā)后的高溫、高壓條件下，煙花爆竹中的物質(zhì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生多種金屬、非金屬氧化物，放出大量煙塵顆粒，導(dǎo)致大氣中氣溶膠粒子急劇增多。在空氣污染日益嚴(yán)重的當(dāng)下，燃放煙花爆竹產(chǎn)生的環(huán)境影響日益受到政府相關(guān)部門和社會民眾的關(guān)注。很長時間以來關(guān)于煙花爆竹人們討論研究較多的是儲存、運輸不當(dāng)造成的爆炸、火災(zāi)[1－3]，燃放時帶來的噪聲污染[4－5]，點燃時操作失誤造成的人員傷殘，以及燃放煙霧引發(fā)的呼吸道疾病對身體健康的影響等[6－7]，而結(jié)合氣象條件分析燃放帶來的環(huán)境空氣質(zhì)量影響方面的研究較少。文中利用2014年春節(jié)期間西安市環(huán)境監(jiān)測站污染物逐小時濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合大氣環(huán)流形勢和近地面大氣層結(jié)條件，分析了燃放煙花爆竹對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，為社會公眾節(jié)日慶典理性燃放煙花爆竹提供參考數(shù)據(jù)。

1 資料來源

研究時段為2014年1月28日～2月6日，所用逐小時濃度數(shù)據(jù)取自西安市環(huán)境監(jiān)測站對外公開發(fā)布網(wǎng)站。西安環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測點位13個，其中閻良、臨潼、長安、草灘遠(yuǎn)離市區(qū)，其余站點均勻分布在市區(qū)不同位置，監(jiān)測要素有 PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2等。

研究所用大氣環(huán)流數(shù)據(jù)源于Micaps資料，近地面大氣溫度、濕度、風(fēng)等層結(jié)資料取自西安探空站08、20時(北京時，下同)秒觀測數(shù)據(jù)。

2 氣象條件

研究表明，區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量狀況主要受兩方面的影響:污染物排放量大小和氣象條件的擴散稀釋能力[8－11]。在污染物排放量變化不大的情況下，氣象條件對環(huán)境空氣質(zhì)量狀況起主導(dǎo)作用[12]，反之，在氣象條件穩(wěn)定的情況下，污染物排放量增減則是影響環(huán)境空氣質(zhì)量的主要原因。影響污染物擴散的氣象條件有大氣環(huán)流形勢及近地面氣象要素層結(jié)結(jié)構(gòu)，與此有關(guān)的氣象要素主要有溫度、風(fēng)，降水等[13－16]。

2.1 大氣環(huán)流形勢

500 hPa平均高度場上，2014年1月下旬以來，整個東亞地區(qū)為“兩槽一脊”形勢，低槽分別位于巴湖以西和東亞140°E～150°E附近，如圖1(a)所示，新疆北部到蒙古國受東西走向的鋒區(qū)控制，中國西北大部地區(qū)(包括西安)在弱的暖脊影響下，受偏西氣流控制，等高線稀疏，風(fēng)力較小，高空無明顯冷空氣影響;1日08:00～2日20:00，位于貝湖西部至巴湖北部的橫槽快速轉(zhuǎn)豎，移至蒙古國東部，見圖1(b)，受橫槽轉(zhuǎn)豎影響，河套至陜西上空高空西北氣流增大，西安上空風(fēng)力由8 m/s增大至28 m/s。

圖1 2014年春節(jié)期間西安大氣環(huán)流形勢

海平面平均氣壓場上，1月30日08:00，河套以北蒙古和中國西南地區(qū)為高壓區(qū)，新疆和東部沿海為低壓區(qū)，西安地區(qū)位于鞍形氣壓場中心位置，等壓線稀疏，風(fēng)力較小，如圖1(c)所示;30日20:00陜北、關(guān)中大部分地區(qū)受低壓控制，低壓中心強度和氣壓梯度小;2日后受橫槽轉(zhuǎn)豎后槽后強冷平流南下影響，由圖1(d)可見，河套至關(guān)中北部的氣壓梯度明顯增大，風(fēng)力加大，2日20:00時西安風(fēng)速為1.2 m/s，至4日20:00已增大到6.5 m/s，而溫度從9.9℃降低到－0.2℃。

2.2 近地面大氣層結(jié)

2.2.1 溫度

春節(jié)期間，西安近地面大氣層結(jié)連續(xù)多日出現(xiàn)逆溫，且全部為接地逆溫，如圖2所示。1月28日逆溫厚度低、強度大;1月29日厚度增加，強度減小，早晚逆溫的厚度和強度特征幾乎相同，大氣層結(jié)更加趨于穩(wěn)定;29日20時至2月2日08時，連續(xù)多日近地面氣溫保持近乎一致的特征，表現(xiàn)為:(1)逆溫厚度大，平均高度980 m，1日20時最高1306 m，30日08時最低727 m;(2)逆溫結(jié)構(gòu)穩(wěn)定少變，相同時次逆溫強度近乎一致，且08時普遍高于20時，08時逆溫強度為1.1℃/100 m～0.1℃/100 m，20時為0.4℃/100 m～0.1℃/100 m;(3)08時逆溫厚度普遍低于20時的，這是因為白天太陽輻射使近地面大氣緩慢增溫，導(dǎo)致20時逆溫厚度增加、強度有所減小，經(jīng)過夜間輻射冷卻，08時逆溫厚度減少、強度增加，如此反復(fù)。但31日20時厚度沒有增加反而有所減少，主要因為自青藏高原有一短波槽東移過境，冷空氣勢力較弱，對該日逆溫厚度略有影響，但沒有從根本上改變層結(jié)結(jié)構(gòu)。2日20時西伯利亞強冷空氣持續(xù)南下，近地面大氣溫度結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，厚度減小，強度增大，3日20時接地逆溫結(jié)構(gòu)徹底消失。

圖2 2014年1月28日～2月6日西安近地面大氣溫度層結(jié)特征

圖2中多項式擬合曲線很形象地表示出當(dāng)時西安近地面大氣狀況。春節(jié)中前期接地逆溫深厚、強度穩(wěn)定，暖而輕的空氣像一層厚厚的被子罩在城市上空，使上下層空氣流動減弱，抑制了垂直方向的大氣交換和低層湍流運動，在此氣象條件下，持續(xù)燃放煙花爆竹產(chǎn)生的污染物在近地面大氣中“無路可走”，只好原地不動[17]，不斷累積。

2.2.2 風(fēng)場

風(fēng)對大氣污染物的稀釋和輸送起主要作用，在一定的范圍內(nèi)，風(fēng)速越大，污染物的擴散能力越強，也越有利于污染物環(huán)境濃度的降低。圖3為春節(jié)前后近地面風(fēng)場時間-高度剖面，1月28日08時至2月3日20時西安近地面大氣風(fēng)場受東北氣流控制，中、高層(1000 m以上)風(fēng)速較大，但隨著高度降低風(fēng)速不斷減小，地面風(fēng)速≤1 m/s，風(fēng)向以靜風(fēng)居多，其次為東北偏北風(fēng);2月4日08時風(fēng)速自上而下顯著增大。

圖3 2014年1月28日～2月6日西安近地面大氣層的風(fēng)向、風(fēng)速時間-高度剖面圖

西安位于關(guān)中河谷盆地中部，三面環(huán)山，北臨黃土高原，平均海拔高度不低于1000 m，南靠秦嶺，平均海拔高度不低于2000 m，西至寶雞逐漸閉合成一峽谷，東邊呈喇叭口敞開，特殊的盆地川道地形本身就具有易堆積難擴散的特點，加之逆溫層厚度始終維持在1000 m左右，地面層微弱的東北風(fēng)很難將污染物抬升輸送出去，導(dǎo)致環(huán)境空氣質(zhì)量惡化，空氣污染指數(shù)激增。

3 燃放煙花爆竹對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響

對比2014年春節(jié)期間各環(huán)境監(jiān)測站點大氣污染物逐小時平均質(zhì)量濃度發(fā)現(xiàn)，各監(jiān)測點環(huán)境空氣污染物濃度曲線變化趨勢較為一致，為了消除地理位置、人口密集程度、商貿(mào)經(jīng)濟繁榮狀況等不同在燃放數(shù)量上的影響，氣溶膠逐小時質(zhì)量濃度取13站平均值進(jìn)行分析研究。由圖4可明顯看出，1月31日至2月4日，PM2.5、PM10、SO2和CO的逐小時濃度曲線受集中燃放影響出現(xiàn)了非常顯著的異常波動。

圖4 2014年1月28日～2月6日西安環(huán)境監(jiān)測站主要污染物逐小時平均質(zhì)量濃度

3.1 污染物濃度的變化

根據(jù)天氣形勢和煙花爆竹燃放時間將污染物曲線變化分為3個時段分別進(jìn)行分析，各時段污染物濃度平均值如表1所示，1月31日～2月3日，PM2.5、PM10、CO濃度平均值最大，1月28日～1月30日次之，2月4日～2月6日最小。2014年1月下旬以來，西安地區(qū)在靜穩(wěn)天氣形勢下，環(huán)境空氣質(zhì)量已經(jīng)處于重度污染，30日 PM2.5、PM10、SO2和 CO 逐小時濃度平均 值 分 別 為 247 μg/m3、337 μg/m3、97 μg/m3和3 μg/m3，已經(jīng)進(jìn)入嚴(yán)重污染狀態(tài);31日零點(除夕)煙花爆竹集中燃放時，上述特征污染物濃度最高值達(dá)到617 μg/m3、958 μg/m3、210 μg/m3和5.115 μg/m3，分別增大了1.5、1.84、1.17和0.71倍;3日16時，在強冷空氣作用下各監(jiān)測點濃度逐漸下降;4日(初五)是春節(jié)燃放煙花爆竹傳統(tǒng)習(xí)俗的最后一天，各污染物濃度有所增強，但較初一大幅度降低，降低的原因一方面是由于接地逆溫結(jié)構(gòu)破壞后大氣湍流交換能力增強，另一方面是煙花爆竹燃放量減少;2月5日后，濃度曲線在低位呈現(xiàn)平穩(wěn)波動。

表1 2014年春節(jié)前后西安不同時段污染物濃度小時平均值

值得注意的是在煙花爆竹燃放的集中時段，PM2.5、PM10和CO曲線都表現(xiàn)出相對穩(wěn)定的持續(xù)性特征，而SO2濃度曲線卻表現(xiàn)出明顯的異常變化，快速升高后降低、再升高。根據(jù)SO2物理化學(xué)特性可知，SO2密度比空氣大，具有易液化，易溶于水的特性，一般來說早晨由于溫度較低，水汽在大氣中的溶解度較低，濕度大，圖5為春節(jié)前后近地面大氣層濕度-高度剖面圖，可清楚看到早間濕度明顯高于其它時間，特別是1月31日、2月1日和2月2日，距地300 m高度范圍內(nèi)，濕度大且濕層厚度較高，造成SO2濃度在高位時出現(xiàn)明顯的減小波動。

圖5 2014年1月28日～2月6日西安近地面大氣的濕度-高度剖面圖

3.2 煙花爆竹燃放對空氣質(zhì)量指數(shù)的影響

首要污染物是反映一個地區(qū)污染最重的污染物。為了解燃放煙花爆竹產(chǎn)生的特征污染物對環(huán)境空氣質(zhì)量影響的大小，根據(jù)國家《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)的項目污染物濃度限值表，計算各污染物逐小時空氣質(zhì)量分指數(shù)(AQI)。圖6為2014年春節(jié)前后西安地區(qū)污染分指數(shù)逐小時變化曲線，由于SO2和CO分指數(shù)最高值分別為64和47，與 PM2.5、PM10相比較小，因此下面重點分析PM2.5和PM10空氣質(zhì)量分指數(shù)的變化。

28～30日(春節(jié)前)西安地區(qū)首要污染物為PM2.5，空氣質(zhì)量在重度和嚴(yán)重污染之間波動;30日(除夕)晚上21時PM10分指數(shù)突然增加，超過PM2.5成為首要污染物;2日(初三)中午和4日(初五)零時前后，PM10分指數(shù)均超過PM2.5。上述3個時間均是春節(jié)傳統(tǒng)民俗中燃放煙花爆竹的密集時段，表明燃放煙花爆竹產(chǎn)生的PM10顆粒物最多，PM2.5次之，SO2和CO的產(chǎn)生量較少。

3日下午16時，在強冷空氣作用下各污染物分指數(shù)大幅度降低，但在降低后至4日(初五)，PM10一直為首要污染物，可見冷空氣侵入對降低、清除PM2.5污染的效果比PM10明顯。

圖6 2014年1月28日～2月6日西安主要污染物逐小時空氣質(zhì)量分指數(shù)(虛線為空氣質(zhì)量指數(shù)類別的分界線)

4 結(jié)論

基于西安地區(qū)2014年春節(jié)前后環(huán)境空氣污染物監(jiān)測濃度和近地面氣象觀測資料，分析了這一期間的大氣環(huán)流形勢，在這種天氣背景下污染物濃度變化特征，以及燃放煙花爆竹對環(huán)境空氣質(zhì)量的影響，得到如下結(jié)論:

(1)2014年春節(jié)期間，西安高空受西北氣流控制，地面位于低壓中心，風(fēng)力較小，近地面大氣存在平均高度980 m、連續(xù)4天維持的接地逆溫，在特殊的盆地川道地形和接地逆溫的共同作用下氣象條件非常穩(wěn)定。

(2)燃放煙花爆竹產(chǎn)生的特征污染物主要是PM2.5、PM10、SO2和 CO，除夕集中燃放時濃度最高為629 μg/m3、958 μg/m3、210 μg/m3和5.115 μg/m3，分別達(dá)到春節(jié)前期平均值的1.5、1.84、1.17和0.71倍。

(3)煙花爆竹燃放對PM10空氣質(zhì)量濃度影響最大，其次為PM2.5。春節(jié)后期在冷空氣作用下，各污染物濃度大幅降低，并且對粒徑較小的PM2.5污染清除效果最為明顯。

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