2014-2018年春節(jié)期間北京交通站PM2.5及NO2污染特征分析*

羅銀萍，陳同，丁卉，陳進財，劉永紅，屈新明

(1. 中山大學智能工程學院，廣東 廣州 510006;2. 廣東省交通環(huán)境智能監(jiān)測與治理工程技術研究中心，廣東 廣州 510275;3. 廣東省智能交通系統(tǒng)重點實驗室，廣東 廣州 510275;4. 深圳市城市交通規(guī)劃設計研究中心股份有限公司，廣東 深圳 518021)

PM2.5和NO2是影響城市空氣質(zhì)量的主要大氣污染物，其濃度的升高嚴重影響人體健康和生態(tài)環(huán)境[1]。PM2.5和NO2主要來源于機動車、工業(yè)生產(chǎn)等，多為貼地的排放源[2]，且地面污染物濃度會更直接響應排放量的變化。北京是中國首都城市，中心城區(qū)人口分布密集，交通需求龐大，機動車排放已成為北京中心城區(qū)PM2.5、NO2等污染物濃度較高的重要因素之一。

春節(jié)期間雖機動車活動水平減弱，但煙花爆竹的集中燃放，又短時排放了大量污染物。近年來，已有學者率先深入探討上海、武漢、蘭州等地該特殊時期的大氣污染物變化特征[3-5]。研究表明，春節(jié)期間城市本地污染源的大幅降低，使該時期內(nèi)的空氣質(zhì)量得到了一定的改善[6]，春節(jié)機動車停運期間大氣污染物濃度更是明顯下降[7]；而煙花的集中燃放，則會顯著影響燃放期間的空氣質(zhì)量。Kong等[8]通過組分計算發(fā)現(xiàn)除夕夜煙花燃放對PM2.5濃度的貢獻高達60.1%；楊志文等[9]的研究表明，燃放鞭炮對各種大氣污染物有不同程度的影響，顆粒物和SO2影響最為顯著，NO2在除夕夜燃放高峰期也有所提高；Tsai等[10]的研究表明煙花燃放期間顆粒物中Mg、K、Pb和Sr為正常情況下的10倍以上。為此，部分城市采取煙花禁放等措施來改善春節(jié)期間的空氣質(zhì)量，取得了一定的成效[11]?？傮w而言，煙花燃放的排放量遠低于工業(yè)和機動車尾氣排放的貢獻，但由于春節(jié)期間煙花集中燃放，往往導致空氣質(zhì)量在短時間內(nèi)迅速惡化，大氣能見度急劇下降，嚴重危害人體健康[12-13]。此外，大氣污染物的擴散傳輸及轉(zhuǎn)化過程主要受到氣象條件的影響。春節(jié)期間的氣象條件直接影響了污染物的擴散[14]，不利的氣象條件易促使污染物排放量大的地區(qū)氣溶膠的生成、增長和累積。

近年來北京市對空氣質(zhì)量的治理力度逐漸加大，但目前北京的大氣污染形勢仍十分嚴峻。2018年，北京市頒布了新修訂的《北京市煙花爆竹安全管理規(guī)定》，規(guī)定北京市五環(huán)路內(nèi)實施全面禁放，五環(huán)路外由各區(qū)劃定禁限放區(qū)域。該政策的實施如何影響春節(jié)期間大氣污染物的濃度變化，需要進一步的評估。本文基于2014-2018年春節(jié)前后5個交通監(jiān)測站污染物數(shù)據(jù)與氣象資料，重點分析長時間序列的PM2.5和NO2濃度變化特征與差異，評估煙花禁燃措施和機動車減排的效果，探討煙花爆竹燃放及氣象條件對春節(jié)期間空氣質(zhì)量的影響，為北京市的大氣污染治理提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

選取北京市2014-2018年春節(jié)前后PM2.5和NO2數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)來源于北京市環(huán)境保護監(jiān)測中心發(fā)布的逐時濃度數(shù)據(jù)(http://zx.bjmemc.com.cn/)，包含地面監(jiān)測站點共計35個。各監(jiān)測點分為不同的功能類型，包括有城區(qū)與郊區(qū)環(huán)境評價點、區(qū)域背景傳輸點、城市清潔對照點以及交通污染監(jiān)控點四類。交通污染監(jiān)控點是用以監(jiān)測道路交通污染源對環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生的影響，具體為永定門、前門、西直門北、南三環(huán)西路、東四環(huán)北路監(jiān)測點，監(jiān)控點分布如圖1所示。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)[15]，將優(yōu)、良、輕度、中度、重度和嚴重污染情景下的PM2.5日均質(zhì)量濃度區(qū)間分別定義在小于35、35～75、75～115、115～150、150～250和250 μg/m3以上；類似的情景下NO2日均質(zhì)量濃度區(qū)間分別為小于40、40～80、80～180、180～280、280～565和565 μg/m3以上。采用的北京春節(jié)期間交通數(shù)據(jù)來源于高德地圖(https://report.amap.com/download_city.do?city=110 000)[16]與北京市交通委員會(http://jtw.beijing.gov.cn/bmfw/dljtyxqk/)[17]所發(fā)布。

圖1 北京交通污染監(jiān)控點分布Fig.1 Distribution of traffic observation sites in Beijing

北京市地面自動站氣象資料從中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)收集，選取北京站(54511)的日值及逐小時數(shù)據(jù)代表北京市中心區(qū)域的地面氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)。溫度垂直探測數(shù)據(jù)來自于美國懷俄明大學網(wǎng)站(http://weather.uwyo.edu/)，北京市的站點編碼為54511，坐標為116.28°E，39.93°N。邊界層高度數(shù)據(jù)來源于美國國家大氣科學研究中心和美國國家環(huán)境預報中心發(fā)布的全球分析資料FNL(final operation global analysis，https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/)。FNL資料的空間分辨率為1.0°×1.0°，時間分辨率為6 h，分別為北京時間8、14、20時及次日的2時。

1.2 研究方法

本研究將春節(jié)前后劃分為不同階段進行污染物濃度變化特征分析，其中按照我國《全國年節(jié)及紀念日放假辦法》，農(nóng)歷除夕至初六為國家法定春節(jié)假日，故將2014-2018年除夕當天00:00至初六23:00作為研究時間段。取除夕前12天作為春節(jié)前的研究時間段，初六后12天作為春節(jié)后的研究時間段，春節(jié)前與春節(jié)后的時間段統(tǒng)稱為非春節(jié)期間。除夕期間以2014-2018年除夕日12:00至初一11:00的時間段為研究對象。交通站污染物數(shù)據(jù)的處理是首先將5個交通污染監(jiān)控點的PM2.5和NO2逐時連續(xù)監(jiān)測濃度數(shù)據(jù)分別進行算術平均，得到交通站逐時算術平均值，再將獲得的逐時算術平均值在24 h范圍內(nèi)進行平均，以得到交通站PM2.5和NO2的日均濃度值?；谖廴疚锏娜站鶟舛戎担煞謩e通過在春節(jié)前、后以及春節(jié)期間三個階段內(nèi)進行平均，獲得各階段污染物的平均濃度值。對于北京地區(qū)邊界層高度日值的獲取，本研究對東經(jīng)116°和北緯40°、東經(jīng)117°和北緯40°兩點的邊界層高度進行逐時算術平均，選取逐時平均值的最大值作為北京地區(qū)的邊界層高度。

為定量估計煙花燃放對交通站的影響，采用污染物相對比值法[18]。假設研究過程中，除煙花爆竹燃放以外，其它排放源較為穩(wěn)定，選取受煙花爆竹影響極小的CO作為參考污染物濃度，定量地分析煙花爆竹燃放對PM2.5的貢獻。煙花燃放對污染物濃度貢獻值的計算如(1)所示。

(1)

2 結(jié)果與分析

2.1 春節(jié)不同階段大氣污染物的特征分析

2.1.1 PM2.5和NO2濃度逐日變化特征 根據(jù)北京市交通委員會的發(fā)布，2014-2018年春節(jié)期間北京市早晚高峰平均交通指數(shù)分別為1.65、1.87、1.29、1.89和1.83，均處于暢通水平。據(jù)高德報告顯示[19]，2016年春節(jié)期間，在白天時段二、三及四環(huán)路平均車速增長38.06%～96.50%，各環(huán)路早晚高峰平均車速增長都在50%以上。2014-2015年春節(jié)不同階段的交通擁堵數(shù)據(jù)缺失。2016-2018年春節(jié)前后北京交通擁堵情況如圖2所示，在除夕前3天，北京市城區(qū)路網(wǎng)進入基本暢通的狀態(tài)，北京市城市道路擁堵情況明顯好轉(zhuǎn)，在春節(jié)假期最為暢通。春節(jié)假期過后，隨著城市生活的恢復，北京城區(qū)路網(wǎng)擁堵程度不斷增加，在春節(jié)假期結(jié)束后4-5天達易緩行程度，逐漸恢復到平日擁堵狀態(tài)。

圖2顯示，春節(jié)期間交通站的PM2.5濃度未有明顯下降，基本高于非春節(jié)期間。其中，PM2.5濃度僅在2014年春節(jié)期間有明顯降低。2014-2018年春節(jié)期間交通站PM2.5平均濃度為103.6 μg/m3，高于非春節(jié)期間25.3%。各年春節(jié)期間PM2.5日均濃度均處于輕度污染水平以上，超標總天數(shù)占57.1%，重度污染以上的天數(shù)多達20.0%；而春節(jié)前后階段，其超標總天數(shù)僅占38.3%，重度污染以上的天數(shù)僅有15.0%。盡管春節(jié)期間本地排放量大大減少，北京市交通擁堵情況得到很大程度的改善，但PM2.5的污染程度比非春節(jié)期間更為嚴重，這與該階段的氣象條件和煙花集中燃放存在密切關系。

且，除2016年以外，2014-2018年春節(jié)期間交通站NO2濃度有明顯下降，均低于春節(jié)前后階段。2014-2018年春節(jié)期間交通站NO2平均濃度為53.8 μg/m3，低于非春節(jié)期間的19.5%。各年春節(jié)期間NO2濃度屬于良好水平，優(yōu)良天數(shù)達94.3%，超標天數(shù)僅占5.7%；而非春節(jié)期間超標天數(shù)則高達30.0%。春節(jié)不同階段的NO2濃度值與北京市各階段的交通情況更為匹配，春節(jié)期間北京市交通擁堵情況的改善對交通站NO2濃度的降低有顯著影響。

從年際變化來看，PM2.5和NO2濃度特征存在差異。2014年春節(jié)期間的PM2.5質(zhì)量濃度最低，均值為79.8 μg/m3；2015-2018年的PM2.5濃度則呈逐年下降的趨勢。2018年春節(jié)期間PM2.5濃度達近年來的最低值，較近4年均值下降了25.2%。各年春節(jié)期間NO2濃度沒有呈現(xiàn)明顯下降的趨勢，其中2018年NO2濃度較近4年均值僅下降2.4%。 2018年，北京市五環(huán)路內(nèi)實施全面禁放煙花爆竹的措施，改善了春節(jié)期間PM2.5污染，但禁燃對NO2影響相對較小。

2.1.2 PM2.5和NO2小時濃度變化特征 圖3為交通站PM2.5和NO2在春節(jié)期間和非春節(jié)期間的平均小時變化特征。春節(jié)期間PM2.5的小時濃度變化趨勢與非春節(jié)期間的差異較大，各年濃度大小差異也有所區(qū)別。與非春節(jié)期間相比，各年春節(jié)期間PM2.5濃度在23時-翌日2時會出現(xiàn)明顯的峰值，增幅分別達 -8.1%、35.8%、356.7%、115.0%和120.9%。2016年PM2.5濃度峰值更延長至上午8時，而2018年其峰值濃度較近4年有明顯降幅。在交通站點周邊均為居民區(qū)，春節(jié)期間凌晨時段交通站附近機動車、生活及企業(yè)等污染物排放源較為穩(wěn)定，但該時段為煙花燃放高峰期，導致了細顆粒物濃度顯著增高[6]。PM2.5在交通早晚高峰均未出現(xiàn)峰值，在22時后才明顯上升，表明導致夜間交通站PM2.5增高的原因并不是機動車的一次排放，而是由機動車尾氣二次轉(zhuǎn)化生成的，這與王占山等[20]有關冬季PM2.5特征的研究結(jié)果較為一致。

圖2 春節(jié)期間污染物濃度及交通高峰期指數(shù)逐日變化Fig.2 Daily variation of air pollutant concentration and traffic status of rush hour during the Spring Festival

圖3 春節(jié)期間污染物濃度小時變化Fig.3 Hourly variation of air pollutant concentration during the Spring Festival

春節(jié)期間NO2小時濃度變化趨勢與非春節(jié)期間的較為一致，各年濃度大小的差異有所區(qū)別。在圖3的小時變化中，與PM2.5不同，兩個階段NO2在交通早晚高峰期均出現(xiàn)峰值濃度，分別為早上8-9時及晚上19-21時。北京市中心城區(qū)機動車尾氣排放對NOx濃度分擔率高達68.4%[21]，交通站NO2小時特征表明其受到機動車的一次排放影響比PM2.5更為顯著。春節(jié)期間NO2在0-2時段內(nèi)未因煙花的集中燃放而出現(xiàn)明顯的峰值，說明NO2濃度受春節(jié)煙花爆竹影響明顯小于PM2.5。春節(jié)期間交通站NO2逐小時濃度整體大幅度地降低，反映了本地相應排放量降低，尤其是春節(jié)期間機動車流量得到了大幅減低，機動車尾氣排放量也大為減少。

2.1.3 除夕期間PM2.5和NO2小時濃度變化特征除夕夜是春節(jié)期間煙花燃放最為集中的時段，圖4給出了交通站PM2.5和NO2在除夕和非煙花爆竹燃放期的小時變化特征。2014-2018年除夕期間PM2.5峰值濃度達到353.0(2018年)～797.6 μg/m3(2016年)，較非燃期增加了1.6～6.6倍。煙花爆竹集中燃放使細顆粒物濃度在短時間內(nèi)迅速升至較高的峰值，煙花燃放對PM2.5濃度有顯著影響。2018年北京市五環(huán)路內(nèi)實施全面禁放煙花措施，交通站PM2.5峰值濃度水平明顯下降，較近4年降低了40.9%，表明煙花禁放措施對PM2.5濃度有顯著的削峰作用。隨著煙花燃放的減少，PM2.5濃度逐漸降低至與非燃期接近的水平。其中，2014年PM2.5濃度降到背景值的時間最短，而2015-2018年PM2.5的高濃度水平持續(xù)時間久，這與各年除夕期間的氣象條件差異密切相關。

2014-2015年與2016-2018年除夕夜交通站的NO2呈現(xiàn)不同的小時變化特征。2014-2015年，除夕期間的交通晚高峰期出現(xiàn)明顯的峰值濃度，在燃放集中時段保持較低濃度水平，與非燃期趨勢一致，表明交通站NO2濃度受機動車尾氣排放增加的影響更大，而受煙花燃放的影響相對較小，趙偉等[22]的研究也發(fā)現(xiàn)了此現(xiàn)象。與PM2.5濃度特征一樣，2016-2018年NO2濃度在除夕夜21-23時之間開始維持在較高的水平，在煙花集中燃放時段達到除夕期間最高峰值，這可能是由于除夕夜大氣擴散條件轉(zhuǎn)差與煙花燃放的影響疊加所致。除夕夜煙花燃放集中期間，2014-2015年NO2無明顯的峰值，2016-2018年NO2峰值濃度較非燃期僅增加了0.1～0.65倍，未出現(xiàn)如PM2.5濃度急劇上升至嚴重污染水平的情況，可見NO2濃度受除夕煙花集中燃放的影響明顯小于PM2.5。

圖4 煙花燃放高峰期污染物濃度小時變化Fig.4 Hourly variation of pollutant concentrations during firework concentrated discharge period

表1為不同監(jiān)測站點的PM2.5和NO2峰值濃度。由該表可以看出，煙花燃放高峰期PM2.5的最高濃度超過1 000 μg/m3，NO2最高濃度超過90 μg/m3，PM2.5受煙花爆竹燃放影響顯著，污染更為嚴重。不同監(jiān)測站點的污染物監(jiān)測結(jié)果存在差異，南部郊區(qū)PM2.5整體峰值濃度相對最高，城區(qū)普通站點PM2.5峰值濃度相對最小，而交通站PM2.5整體峰值濃度高于城區(qū)站點，但低于郊區(qū)站點水平；對于NO2，交通站峰值濃度則高于城區(qū)及郊區(qū)環(huán)境評價點。整體而言，郊區(qū)的PM2.5峰值濃度值普遍比城區(qū)高，可能是由于城區(qū)的人流向郊區(qū)疏散，郊區(qū)的人為活動增加，除夕期間煙花燃放更為集中，加之受到北京市周邊地區(qū)傳輸影響，導致郊區(qū)峰值濃度更高。城區(qū)的交通站不僅一定程度上受到煙花爆竹燃放的影響，還由于其更為接近道路交通污染源，進一步加重了NO2污染，導致交通站NO2峰值濃度更高。

表1 北京不同監(jiān)測站點除夕期間PM2.5和NO2峰值濃度Table 1 Peak values of two pollutants among different monitoring stations in Beijing during the New Year’s Eve

1)“—”為無相關數(shù)據(jù)；2)官園站、懷柔站與定陵站、良鄉(xiāng)站與琉璃河站分別為北京城區(qū)、北部郊區(qū)及南部郊區(qū)的空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站。

2.2 氣象條件對PM2.5和NO2濃度的影響

2.2.1 春節(jié)前中后的氣象條件特征及其影響 氣象條件是影響空氣質(zhì)量的一個重要因素[26]。表2顯示了春節(jié)前中后各階段的氣象條件、污染物濃度情況。一般而言，較大風速對大氣污染物有更好的清除作用，大于1 000 m的邊界層高度更有利于污染物擴散。而地表通風系數(shù)(VI)反映了大氣水平及垂直方向的擴散能力，VI越小，污染物越容易積累[27]。無降雨的相對濕度(RH)在60%到80%范圍內(nèi)，則會促進顆粒物的二次轉(zhuǎn)化過程[28]。因此，較低的相對濕度、較大風速、邊界層高度及VI為有利于污染物擴散的氣象條件。

對于PM2.5，僅2014年春節(jié)期間PM2.5污染較非春節(jié)期間有所改善，主要是受到了有利氣象條件的影響。2014年春節(jié)期間風速、VI分別高于非春節(jié)期間20.0%、17.6%和33.0%，大氣水平與垂直方向運動較強，稀釋污染物的作用加強；且，相對濕度降低了10.8%，抑制了顆粒物的二次轉(zhuǎn)化過程[28]，使春節(jié)期間交通站的PM2.5濃度下降。2015-2018年春節(jié)期間PM2.5濃度較高，主要是由于整體擴散條件顯著轉(zhuǎn)差。其中，各年的邊界層高度和VI均低于非春節(jié)期間，各年邊界層高度較非春節(jié)期間降低了9.0%～54.6%，VI則降低了30.8%～50.0%；2015和2017年春節(jié)期間平均風速與非春節(jié)期間相當，2016和2018年春節(jié)期間風速較非春節(jié)期間降低了17.6%和23.4%。在較差的擴散條件下，顆粒物在邊界層內(nèi)不斷累積，易于產(chǎn)生二次反應效應，這是導致2015-2018年春節(jié)期間PM2.5濃度較非春節(jié)期間高的主要氣象影響因素。同時，2015、2016和2018年春節(jié)期間的平均相對濕度高于非春節(jié)期間37.9%～65.4%，PM2.5在較高的相對濕度下往往會吸濕增長[28]，促使PM2.5濃度升高。此外，2015年及2016年春節(jié)期間均出現(xiàn)一次小雪天氣，其中2015年初二盡管擴散條件仍較差，但降雪對PM2.5有清除作用，PM2.5濃度較初一降低了34.8%；2016年初五可能由于降雪較小且短暫，氣象條件不利于擴散，PM2.5濃度無明顯降幅。綜上，2015-2018年春節(jié)期間氣象條件相對非春節(jié)期間較為不利，顆粒物難以稀釋擴散，加之煙花燃放排放大量污染物，更易于在局地累積。氣象條件是造成2014年春節(jié)期間PM2.5濃度較低，而2015-2018年高于非春節(jié)期間的主要原因之一。

表2 春節(jié)前中后PM2.5和NO2濃度及主要氣象因子總體特征Table 2 Concentration of two pollutants and main meteorological factors before and after the Spring Festival

NO2在春節(jié)前中后各階段受氣象影響程度較PM2.5小。除去2016年，2014-2018年春節(jié)期間各年濃度則是不同程度的低于非春節(jié)期間，盡管2015、2017及2018年春節(jié)期間大氣擴散條件較差，交通站NO2濃度仍顯著低于非春節(jié)期間，這是因為交通站所監(jiān)測到的NO2濃度受到道路交通源的影響顯著，春節(jié)期間機動車排放量的大幅降低使得交通站的NO2濃度值處于較低水平。在2016年，由于非春節(jié)期間氣象條件較春節(jié)期間有很大改善，尤其春節(jié)后期VI達4 990 m2/s，為春節(jié)期間的2.6倍，且相對濕度也降低了42.2%，極有利于污染物的擴散，大大降低了2016年非春節(jié)期間的NO2濃度。因此，2016年春節(jié)前中后各階段大為改善的氣象條件是春節(jié)期間NO2濃度高于非春節(jié)期間的主要影響因素。

圖5 除夕期間氣象條件以及污染物濃度的逐時變化Fig.5 Hourly variation of meteorological elements and air pollutant concentration in the New Year’s Eve

2014年除夕夜PM2.5濃度峰值較小以及污染物迅速擴散的原因，主要是由于除夕期間良好的水平和垂直擴散條件。除夕夜的集中燃放期北京市風向轉(zhuǎn)為偏東風和東北風，平均風速約2 m/s；且除夕期間逆溫層強度較弱，持續(xù)時間短，形成較為有利的擴散條件。2015年除夕夜間主導風向為南風，相對濕度不斷上升且水平較高，使煙花集中燃放期后的3-11時的PM2.5濃度相比于2014年同期，維持較高污染水平。但由于2015年除夕夜間風速較高(約1.8 m/s)，逆溫層強度較弱，使得PM2.5峰值濃度及其3-11時的污染水平遠低于2016與2017年的同期情況。2016-2017年除夕夜間極高的峰值濃度，是由較差的水平與垂直擴散條件導致的，其中持續(xù)的強逆溫層存在與持續(xù)小風是嚴重污染過程的重要條件。兩年除夕期間近地面均存在逆溫層，逆溫強度大且持續(xù)時間較長。其中，2016年除夕期間出現(xiàn)極強的貼地逆溫，初一逆溫層高度增大至300 m，使得煙花燃放排放的污染物難以垂直向上擴散，PM2.5濃度迅速上升并維持在嚴重污染水平。2017年，除夕期間也出現(xiàn)較強的貼地逆溫，初一近地層200～300 m處出現(xiàn)逆溫情況且300～800 m高度間為等溫層，不利于污染物垂直的擴散。此外，2016-2017年除夕集中燃放期間風速在0～2 m/s范圍內(nèi)，持續(xù)的小風或靜風使得大氣在水平方向上的擴散能力基本消失。

2018年除夕期間風速、風向、相對濕度及逆溫情況與2016年較為相似，除夕夜22時至次日3時之間風速均為1 m/s左右，風向也轉(zhuǎn)為南風，且相對濕度處于當日高水平，約35%左右，均存在較強逆溫層；而2018年該時段氣壓的平均值高于2016年同時段均值4.42 hPa，均處于除夕期間最低值時段。在2016年與2018年除夕夜集中燃放期間，氣象條件均處于不利擴散情況，但2018年交通站的PM2.5濃度未出現(xiàn)極高值情況，其PM2.5濃度僅為2016年(禁燃前)的51.7%，進一步說明了禁燃對PM2.5濃度降低起決定性作用。另一方面，2018年除夕期間交通站的PM2.5濃度從除夕夜的21時至次日6時都維持在重污染及以上水平，這主要是受到周邊地區(qū)煙花燃放污染物傳輸?shù)挠绊懀瑢е陆煌ㄕ救匀怀霈F(xiàn)重污染天氣。與廣州市[22]春節(jié)期間禁放煙花后出現(xiàn)的現(xiàn)象類似。

圖6 除夕期間的溫度廓線Fig.6 Variations of temperature profile in the New Year’s Eve

2.3 煙花爆竹燃放對PM2.5濃度影響的定量評估

煙花爆竹的主要成分為硫磺、硝酸鉀及氯酸鉀等，并混合了鎂粉、鐵粉、鋁粉，在燃燒時能產(chǎn)生大量的空氣污染物[6]。在除夕夜間，煙花爆竹的集中燃放導致了交通站的PM2.5的濃度在短時間內(nèi)急劇上升并出現(xiàn)明顯的峰值，PM2.5受煙花爆竹燃放顯著影響，而NO2的濃度受影響較小。圖7給出了2014-2018年1-2月非燃放時段及除夕期間北京市交通站PM2.5小時濃度與CO小時濃度的相關關系，可以看出2014-2018年1- 2月非燃期間PM2.5與CO的小時濃度呈正相關關系，相關系數(shù)均達0.94以上，均方根誤差為19.6～51.1 μg/m3，置信度均在99.99%以上，各年非燃期平均濃度的相對誤差如表3所示，為1.8% ～13.0%。因此，煙花燃放之外的排放源所貢獻的PM2.5逐時濃度可通過CO小時濃度回歸近似計算得到。由于PM2.5受到二次源等的影響，因此通過CO回歸得到的PM2.5濃度存在一定的誤差，該誤差可近似認為是非燃期PM2.5實測值與回歸值的均方根誤差。均方根誤差值可作為CO回歸得到的PM2.5濃度不確定性的度量指標。

采用相對值法計算出除夕期間的煙花燃放對北京交通站PM2.5濃度的貢獻值，具體結(jié)果如表3所示。2014-2018年煙花燃放對交通站PM2.5最大小時質(zhì)量濃度貢獻值在283.4(2014年)～704.1 μg/m3(2016年)之間，各年貢獻值達非燃放期小時平均濃度的2.4(2014年)～11.1(2016年)倍，貢獻率均達80%以上，表明短時大量的煙花爆竹

燃放對PM2.5濃度水平貢獻較大。2014-2018年除夕期間煙花燃放對交通站PM2.5濃度平均貢獻值在36.4(2014年)～240.7 μg/m3(2017年)之間，達到非燃放期小時平均濃度的26.2%(2014年)～312.0%(2016年)，除2014年以外，貢獻率均為60%以上。2016-2017年除夕期間PM2.5污染最為嚴重，盡管煙花爆竹的銷售量逐年持續(xù)下降，但在不利于擴散的氣象條件下，2016-2017年受煙花爆竹燃放的影響程度比2014-2015年更高。2018年PM2.5最大小時貢獻濃度有顯著的降低，較近4年平均值下降了45.0%，貢獻率為近5年最低值；除夕期間整體平均貢獻濃度也明顯下降，較前4年減少了39.0%，貢獻率為近3年最低值，說明北京市煙花禁放效果明顯。煙花燃放是春節(jié)期間PM2.5污染嚴重的影響因素之一，短期的集中燃放貢獻量大，一定程度上相當于瞬時達到所在區(qū)域大氣污染物排放量的若干倍，采取必要的煙花禁限措施有利于改善春節(jié)期間的空氣質(zhì)量。當春節(jié)期間形成不利的擴散條件時，煙花爆竹燃放的影響更需要重視，以避免嚴重污染事件對公眾春節(jié)期間的生活產(chǎn)生影響。

圖7 2014～2018年非燃期及除夕期間PM2.5與CO相關關系Fig.7 Relationship between PM2.5 and CO at discharge time and on New Year’s Eve in 2014-2018

年份小時平均貢獻量貢獻濃度/(μg·m-3)貢獻率/%最大小時貢獻量貢獻濃度/(μg·m-3)貢獻率/%平均濃度/(μg·m-3)峰值濃度/(μg·m-3)非燃期平均濃度/(μg·m-3)相對誤差/%2014 36.431.1338.383.1117.3407.0138.74.12015122.264.1402.587.3190.6460.9111.83.02016200.375.9704.188.3264.0797.664.210.72017240.771.4614.885.0337.3723.2103.21.8201891.567.0283.480.3136.5353.035.913.0

3 結(jié) 論

(1)從2014-2018年的實際變化來看，2014年春節(jié)期間交通站PM2.5濃度最低，均值為79.8 μg/m3；2015-2018年的PM2.5濃度則呈逐年下降的趨勢；NO2濃度則無明顯的年際變化特征。

(2)春節(jié)期間機動車排放減少對交通站PM2.5和NO2濃度影響存在差異，PM2.5濃度較非春節(jié)期間有所上升，NO2濃度降幅顯著。2014-2018年春節(jié)期間PM2.5平均濃度為103.6 μg/m3，高于非春節(jié)期間25.3%。受春節(jié)期間機動車減排的顯著影響，各年春節(jié)期間NO2均達良好水平，平均濃度為53.8 μg/m3，低于非春節(jié)期間19.5%；且NO2小時變化趨勢與非春節(jié)期間較為一致，僅在交通早晚高峰期出現(xiàn)峰值濃度。

(3)煙花爆竹的燃放對交通站的PM2.5濃度有顯著影響，對NO2濃度影響較小。煙花燃放對PM2.5短期影響大，春節(jié)期間與除夕期間PM2.5小時變化均在23時-次日2時出現(xiàn)顯著峰值，除夕期間對PM2.5小時濃度的最大貢獻值達283.4～704.1 μg/m3。

(4)2018年北京市五環(huán)內(nèi)禁燃煙花爆竹措施顯著降低了交通站的PM2.5濃度，且對PM2.5的影響高于NO2。春節(jié)期間交通站PM2.5濃度較前4年均值下降25.2%，NO2濃度僅下降2.4%。禁燃煙花爆竹對除夕期間PM2.5有明顯削峰作用，在不利擴散的氣象條件下，PM2.5小時濃度的最大貢獻值仍較2014年至2017年的均值下降45.0%。

(5)氣象條件對春節(jié)期間交通站污染物的濃度變化有著重要影響，PM2.5對氣象要素變化的響應程度較NO2更為顯著。有利于擴散的氣象條件是2014年春節(jié)期間PM2.5污染較非春節(jié)期間明顯改善的主要原因，持續(xù)小風和近地面逆溫是2016-2017年除夕期間PM2.5維持極高峰值濃度水平的主要氣象因素。