大氣污染特征與組分分析

肖童覺(jué) 彭慶慶 潘海婷 張琴 李蔚

摘要：利用湖南省14個(gè)市州的78個(gè)城市環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)站主要污染物（PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3）濃度以及力合科技組分站數(shù)據(jù)、省氣象臺(tái)氣象資料，對(duì)2019年除夕至初一期間（2月4日—5日）進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，除夕期間煙花爆竹的燃放對(duì)空氣污染物濃度短時(shí)間內(nèi)有非常大的貢獻(xiàn)，集中燃放煙花對(duì)PM10和PM2.5的小時(shí)值增長(zhǎng)倍數(shù)貢獻(xiàn)明顯。對(duì)全省14個(gè)城市PM10和PM2.5的小時(shí)值最大增長(zhǎng)倍數(shù)分別為2.4倍和1.0倍。長(zhǎng)沙組分站數(shù)據(jù)分析中，氯離子濃度上升了約15倍，硫酸根離子濃度上升了約5倍，鉀離子濃度上升了約14倍，鎂離子濃度上升了約6倍。其中對(duì)婁底市的影響程度最高。氣象條件也是影響春節(jié)期間空氣質(zhì)量的重要因素，風(fēng)速小，逆溫強(qiáng)、濕度大和無(wú)降水等不利氣象條件使污染物濃度不斷累積，形成持續(xù)性污染過(guò)程。2019年除夕（2月4日）上午，全省14個(gè)市州城市的空氣質(zhì)量總體良好，但由于受煙花爆竹的集中燃放影響，大部分城市的環(huán)境空氣質(zhì)量在除夕當(dāng)天下午5時(shí)后迅速轉(zhuǎn)差，發(fā)生了區(qū)域性的大氣重污染過(guò)程。

關(guān)鍵詞：除夕;春節(jié);空氣質(zhì)量;煙花爆竹;湖南;顆粒物;氣象條件

中圖分類號(hào)：X51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-672X（2019）10-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.068

Abstract： The concentration of main pollutants （PM10， PM2.5， SO2， NO2， CO， O3） and the data of Lihe Technology Station and the meteorological data of the provincial meteorological observatory are used in 78 urban environmental air automatic monitoring stations in 14 cities and prefectures of Hunan Province. It was analyzed from the New Years Eve to the first day of 2019 （February 4th - 5th）. The results show that the fireworks and firecrackers during the New Years Eve have a very large contribution to the concentration of air pollutants in a short period of time. The concentrated fireworks display contributes significantly to the hourly value increase of PM10 and PM2.5. The maximum growth multiples of PM10 and PM2.5 in 14 cities in the province were 2.4 times and 1.0 times， respectively. In the data analysis of the Changsha component station， the chloride ion concentration increased by about 15 times， the sulfate ion concentration increased by about 5 times， the potassium ion concentration increased by about 14 times， and the magnesium ion concentration increased by about 6 times. Among them， the degree of influence on Loudi City is the highest. Meteorological conditions are also an important factor affecting the air quality during the Spring Festival. The wind speed is small， the adverse weather conditions such as strong temperature， high humidity and no precipitation make the concentration of pollutants accumulate continuously， forming a continuous pollution process. On the morning of New Years Eve （February 4th）， the air quality of 14 cities and prefectures in the province was generally good， but due to the concentrated discharge of fireworks and firecrackers， the ambient air quality of most cities quickly turned after 5 pm on New Years Eve. Poor， a regional process of heavy atmospheric pollution occurred.

Key words： New Years Eve; Spring Festival; air quality; Fireworks and firecrackers; Hunan; Particulate matter; Meteorological conditions

大氣污染物是一種來(lái)自自然源和認(rèn)為源的復(fù)雜混合成分，受我國(guó)傳統(tǒng)習(xí)俗影響，大量煙花爆竹的使用，會(huì)使空氣質(zhì)量在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生較大的波動(dòng)，許多日常的工業(yè)和交通源排放銳減，而煙花爆竹燃放成為一種主要的短時(shí)集中且較為強(qiáng)烈的人為活動(dòng)源，空氣中各污染物濃度也呈現(xiàn)明顯變化。相關(guān)研究表明，春節(jié)期間的煙花爆竹燃放是認(rèn)為排放氣溶膠的主要來(lái)源，城市在特定時(shí)段集中燃放煙花爆竹會(huì)導(dǎo)致局部空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，大量燃放煙花爆竹對(duì)大氣中顆粒物濃度、SO2和NO2濃度增加有明顯影響，特別是對(duì)細(xì)顆粒物濃度貢獻(xiàn)最大，燃放期間PM2.5和PM10濃度分別可達(dá)平時(shí)的4倍和6倍;在煙花爆竹集中燃放期間，不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件將造成污染物的累積，引起濃度升高并造成持續(xù)性污染?，F(xiàn)基于2019年除夕至初一的自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析湖南省城市環(huán)境空氣質(zhì)量的污染特征，ρ（PM2.5）和ρ（PM10）的變化，不利氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量的影響，為合理引導(dǎo)煙花爆竹燃放相關(guān)法規(guī)的修訂和污染控制措施的制定提供參考。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和方法

環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省14個(gè)城市所設(shè)的78個(gè)國(guó)控環(huán)境空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)子站。這些監(jiān)測(cè)子站主要對(duì)二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、細(xì)顆粒物（PM2.5）和可吸入顆粒物（PM10）6項(xiàng)主要污染物進(jìn)行24小時(shí)全自動(dòng)連續(xù)監(jiān)測(cè)，采樣口高度距地面3～25m。氣象資料來(lái)源于湖南省氣象臺(tái)提供的《湖南冬季降水相態(tài)預(yù)報(bào)系統(tǒng)》，包括10m風(fēng)場(chǎng)和2m溫度、逐6h降水、逆溫、地面相對(duì)濕度圖;中央氣象臺(tái)官網(wǎng)發(fā)布的全國(guó)煙花爆竹燃放氣象指數(shù)和中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站下發(fā)的PM2.5濃度與氣象場(chǎng)空間分布圖。

采用統(tǒng)計(jì)法分析湖南省2019年除夕至初一期間主要污染物的逐時(shí)濃度變化特征、相關(guān)性分析、組分站離子與顆粒物變化以及城市煙花爆竹燃放貢獻(xiàn)量和增長(zhǎng)倍數(shù)等。

2 結(jié)果與討論

2.1 除夕至初一環(huán)境空氣質(zhì)量狀況

2019年除夕當(dāng)天，全省14個(gè)市州城市中，湘潭、株洲、長(zhǎng)沙、岳陽(yáng)、衡陽(yáng)、常德、益陽(yáng)和永州等8個(gè)城市的空氣質(zhì)量為輕度污染，其他6個(gè)城市為良。除夕晚上至初一期間，居民集中燃放大量的煙花爆竹，全省空氣質(zhì)量明顯轉(zhuǎn)差，初一當(dāng)天3個(gè)城市出現(xiàn)重度污染，分別為湘潭、株洲和長(zhǎng)沙;8個(gè)城市出現(xiàn)中度污染，分別為岳陽(yáng)、常德、衡陽(yáng)、婁底、湘西、邵陽(yáng)、益陽(yáng)和永州;郴州為輕度污染，懷化和張家界為良。期間，湘潭為全省空氣質(zhì)量最差城市，詳見(jiàn)圖1。由于2019年湖南省各市普遍采取了煙花爆竹禁放或限放措施，全省城市空氣質(zhì)量較2018年同期相比整體有所好轉(zhuǎn)。除夕至正月初一，全省PM2.5和PM10平均濃度分別為102和145μg/m3，比2018年春節(jié)同期分別下降16.4%和12.7%。

2.2 污染評(píng)價(jià)因子變化特征

2.2.1 除夕至初一逐時(shí)濃度變化特征

由圖2可見(jiàn)，2019年除夕至初一期間全省14個(gè)城市環(huán)境空氣中的PM10和PM2.5平均值呈一致變化趨勢(shì)，在除夕0：00—16：00的環(huán)境空氣質(zhì)量總體保持穩(wěn)定;除夕上午6時(shí)，PM2.5濃度開(kāi)始出現(xiàn)升高，至初一上午5時(shí)，PM2.5濃度逐漸回落，表明污染進(jìn)入削減階段?；谶@個(gè)變化過(guò)程，除夕上午6時(shí)可視為PM2.5、PM10的初始濃度，全省均值分別為55μg/m3和115μg/m3，初一上午5時(shí)為PM2.5、PM10的污染高峰濃度，全省均值分別為186μg/m3、234μg/m3。兩者比較，受煙花爆竹集中燃放影響，全省平均PM2.5、PM10濃度分別升高了2.4倍、1.0倍。尤其是婁底市初始PM2.5濃度較低，為27μg/m3，燃放鞭炮期間，PM2.5小時(shí)濃度峰值達(dá)293μg/m3，升高了9.8倍。常德市的PM2.5小時(shí)濃度峰值為全省最高，達(dá)317μg/m3，較初始值也升高了5.7倍。由此可見(jiàn)，煙花爆竹集中燃放引起的PM2.5濃度增幅很大，成為該時(shí)段城市環(huán)境空氣質(zhì)量下降的主要貢獻(xiàn)源。

2.2.2 長(zhǎng)沙市煙花爆竹燃放與PM2.5濃度關(guān)系研究

為進(jìn)一步確定PM2.5濃度與煙花爆竹燃放之間的關(guān)系，調(diào)取了位于長(zhǎng)沙高新區(qū)的力合科技園區(qū)大氣組分站監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從PM2.5主要組分在線監(jiān)測(cè)的結(jié)果可以看出，在煙花爆竹集中燃放的時(shí)段（除夕夜間至初一凌晨），PM2.5中氯離子、硫酸根離子、鉀離子和鎂離子的濃度均出現(xiàn)明顯上升。與非燃放時(shí)段（取2月4日0–18時(shí)平均值作為基準(zhǔn)）相比，氯離子濃度上升了約15倍，硫酸根離子濃度上升了約5倍，鉀離子濃度上升了約14倍，鎂離子濃度上升了約6倍。氯離子、硫酸根離子和鉀離子等常被作為煙花爆竹的特征示蹤組分，因此可以說(shuō)明煙花爆竹的燃放對(duì)PM2.5濃度的上升起到了至關(guān)重要的影響。PM2.5組分分析結(jié)果反映煙花爆竹的集中燃放會(huì)導(dǎo)致空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)差。

圖5為臘月廿九與除夕至正月初一的水溶性離子占比圖。從圖中可知，臘月廿九占比較高的水溶性離子分別為硝酸根離子、銨根離子、硫酸根離子、鉀離子、氯離子，該5種離子具體占比分別為33.54%、29.68%、27.44%、4.09%、2.41%。除夕至初一，占比較高的水溶性離子分別為硫酸根離子、硝酸根離子、銨根離子、鉀離子、氯離子，占比分別為32.65%、20.32%、16.64%、16.37%、10.46%。對(duì)比兩者發(fā)現(xiàn)，煙花爆竹的集中燃放顯著改變PM2.5中的水溶性離子組成和占比，煙花爆竹的燃放對(duì)PM2.5濃度的影響不容小覷。

圖6、圖7和圖8分別為2018年和2019年除夕夜間PM2.5濃度變化趨勢(shì)對(duì)比圖和硝酸根離子、硫酸根離子、鉀離子、鎂離子濃度變化趨勢(shì)圖。從PM2.5濃度變化趨勢(shì)圖可知，PM2.5濃度均在初一凌晨3時(shí)達(dá)到最高值，對(duì)應(yīng)的氯離子、硫酸根離子、鉀離子和鎂離子濃度也在同一時(shí)間段左右達(dá)到最高值，相關(guān)性明顯。對(duì)比3張圖可發(fā)現(xiàn)，該站點(diǎn)2019年P(guān)M2.5、硝酸根離子、硫酸根離子、鉀離子、鎂離子濃度均低于2018年。