不同氣象條件下常州市春節(jié)空氣質(zhì)量及爆竹燃放對PM2.5濃度貢獻(xiàn)分析

趙亞芳 李春玉 葉 香 何 濤

(江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測中心，江蘇 常州 213001)

春節(jié)期間燃放煙花爆竹是我國的傳統(tǒng)習(xí)俗，煙花爆竹的燃放會釋放大量的SO2、顆粒物、重金屬以及有毒有機物，對SO2、顆粒物和NO2濃度增加有明顯影響，從而導(dǎo)致空氣質(zhì)量在短時間內(nèi)迅速惡化，危害人體健康[1-3]。國內(nèi)外已對煙花爆竹的影響開展了系列的研究。例如，李令軍等[4]研究了北京市春節(jié)期間空氣污染特征。Wang等[5]發(fā)現(xiàn)北京煙花燃放造成PM2.5和PM10濃度可以達(dá)到平時的4～6倍。為定量評估煙花燃放對PM2.5濃度的貢獻(xiàn)，王哲等[6]基于北京市監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出了定量估算煙花燃放對大氣PM2.5影響的污染物相對比值法。趙偉等[7]應(yīng)用相對比值法估算了珠三角煙花爆竹燃放對空氣質(zhì)量的影響。

春節(jié)期間空氣質(zhì)量除與污染源排放有關(guān)，氣象條件的影響也較顯著[8-9]。馬小會等[10]研究了2006-2014年春節(jié)期間煙花爆竹燃放和氣象條件對北京市空氣質(zhì)量的影響。張小玲等[11]、李尉卿等[12]研究發(fā)現(xiàn)，氣象條件仍是影響春節(jié)期間整體空氣質(zhì)量的主要因素，特別是持續(xù)高濃度污染主要與小風(fēng)、逆溫、高濕等不利污染物擴散的穩(wěn)定天氣有關(guān)。

常州市位于江蘇省南部、長江下游南岸，屬長江三角洲中心地帶，滬寧線中點。由于經(jīng)濟、城市建設(shè)和人口的快速發(fā)展，城市環(huán)境空氣質(zhì)量面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，PM2.5成為秋冬季節(jié)首要污染物。本文基于常州市2013-2019年連續(xù)觀測數(shù)據(jù)分析春節(jié)期間不同等級空氣質(zhì)量的氣象背景、污染物濃度變化特征，并采用相對比值法定量估算煙花爆竹燃放對顆粒物濃度的貢獻(xiàn)，從而為春節(jié)期間大氣污染防治方案提供必要的決策支持。

1 材料與方法

常規(guī)污染物數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)來自江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測中心國控站(31.45°N，119.57°E)，污染物種類包括：PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO和O3，氣象資料包括對污染物影響較大的風(fēng)速、溫度和相對濕度。資料時段為2013-2019年春節(jié)前后(臘月二十二-正月十五)逐小時和逐日數(shù)據(jù)。其中，定義臘月二十二-臘月二十九為春節(jié)前期，除夕-正月初七為春節(jié)期間，正月初八-正月十五為春節(jié)后期。

觀測站點與最近的城市道路水平距離約200 m，500 m內(nèi)無明顯工業(yè)源，交通源和生活源對其有一定影響。觀測位置如圖1所示，圖中不同色塊代表常州各轄市區(qū)，其中黃色為各轄市區(qū)主城區(qū)。

圖1 監(jiān)測站點位置

2 結(jié)果與分析

2.1 春節(jié)期間空氣質(zhì)量整體情況

從近7年春節(jié)前后空氣質(zhì)量(圖2)看出，2014年春節(jié)前和春節(jié)期間的空氣質(zhì)量最差，春節(jié)期間有3天重度污染，2017年春節(jié)期間空氣質(zhì)量最好，以優(yōu)良天為主。除夕和正月初一為爆竹燃放最為密集的時段，大量污染物集中排放易引起空氣質(zhì)量迅速惡化，其中2013年和2014年為重度污染，2016年為輕度污染和中度污染，2018年和2019年為良和輕度污染，2015年和2017年為優(yōu)良。根據(jù)除夕和正月初一的空氣質(zhì)量情況，選2014年、2016年和2017年分別代表重度污染、輕度至中度污染和優(yōu)良這三種空氣質(zhì)量情況，分析不同空氣質(zhì)量形成的氣象背景以及空氣質(zhì)量變化過程，并采用相對比值法定量估算爆竹燃放對PM2.5濃度的貢獻(xiàn)。

圖2 2013-2019年春節(jié)期間常州市空氣質(zhì)量變化

2.2 春節(jié)前后氣象條件的影響

圖3、圖4給出了2014、2016和2017年研究期間的風(fēng)速、溫度和相對濕度等氣象要素及除夕20:00的高空與地面天氣圖(來源：http://222.195.136.24/forecast.html)。2014年臘月二十三至臘月二十五PM2.5持續(xù)3天污染，期間平均風(fēng)速為1.4 m/s，相對濕度為44.5%，氣溫為8.9℃。自臘月二十八起地面高壓入海，形成持續(xù)穩(wěn)定的均壓場，大氣擴散條件不利，表現(xiàn)為高溫、高濕、低風(fēng)速的氣象特征。除夕20:00高空環(huán)流偏平直，常州市處于偏西氣流控制中，近地面為偏東氣流，相對濕度在80%左右，風(fēng)速約1 m/s，PM2.5濃度每小時最大升高約150 μg/m3。正月初一風(fēng)速略有增加，但PM2.5濃度下降后在10:00呈現(xiàn)升高趨勢。由此可知風(fēng)速增加不一定改善大氣擴散條件，而隨著邊界層高度抬升垂直湍流交換可能增加污染物濃度，延長污染時間。正月初三起，受西路冷空氣南下影響，最大風(fēng)力達(dá)到4.5 m/s，有利于污染物水平擴散，空氣質(zhì)量好轉(zhuǎn)。

圖3 春節(jié)期間氣象參數(shù)變化特征

2016年臘月二十五起常州市在高壓底部弱氣壓場控制下，PM2.5濃度持續(xù)4天達(dá)到污染水平，期間平均風(fēng)速為1.2 m/s，相對濕度為56.6%，氣溫為3.1℃。除夕20:00高空為西北氣流，地面受L型高壓控制，相對濕度約36.0%，風(fēng)速約0.6 m/s，空氣質(zhì)量在爆竹燃放時段為輕度-中度污染，凌晨時達(dá)重度污染。正月初四起地面倒槽和冷鋒系統(tǒng)使得雨水天氣較多，大氣擴散條件整體較好，空氣質(zhì)量維持在良。

2017年春節(jié)前期受高壓和地面冷空氣影響，大氣擴散條件較好，空氣質(zhì)量以良為主。除夕20:00高空西北冷平流強，相對濕度約60%，地面風(fēng)速約2 m/s，爆竹燃放期間PM2.5峰值濃度96 μg/m3，沒有形成持續(xù)性的污染。正月初八起，在鞍型場控制下，風(fēng)速減小至0.5 m/s，相對濕度增加至64.0%，空氣質(zhì)量變差。

對比3個年份除夕天氣形勢和氣象要素發(fā)現(xiàn)，2014年相對濕度最高，污染程度最為嚴(yán)重；2016年風(fēng)速最小，污染時間最長；2017年風(fēng)速最大，大氣擴散條件最為有利。表明天氣靜穩(wěn)時，相對濕度對污染生成影響較大，此外，若風(fēng)速低于1.5 m/s且增加幅度小，可能因湍流交換作用而延長污染時間。

圖4 2014、2016、2017年除夕夜20:00天氣圖(左：500hPa天氣圖，右：地面天氣圖)

2.3 除夕夜煙花燃放對污染物濃度的影響

從圖5看出，在除夕夜爆竹集中燃放期間SO2、PM10、PM2.5濃度迅速上升，NO2上升幅度較小，O3則有下降的趨勢，CO濃度變化較小。各污染物變化情況與謝瑞加等[13]研究結(jié)果相似，表明爆竹集中燃放是空氣質(zhì)量惡化的主要原因。不同氣象條件下，各污染物變化幅度存在差異，PM2.5在2014年除夕升高幅度最大，PM10和SO2在2016年除夕升高幅度最大，2017年除夕各污染物變化幅度最小。

圖5 春節(jié)期間污染物濃度變化特征

2.4 除夕夜爆竹燃放對PM2.5濃度影響的定量評估

采用相對比值法[6]，取CO作為參考標(biāo)準(zhǔn)污染物，定量評估爆竹燃放對PM2.5濃度的貢獻(xiàn)。計算公式為：

(1)

(2)

各年份非燃放時段各污染物與CO濃度的相關(guān)系數(shù)見表1。除O3與CO呈負(fù)相關(guān)，其余污染物均與CO呈正相關(guān)關(guān)系，其中PM10、PM2.5與CO的相關(guān)系數(shù)最高，近7年均穩(wěn)定在0.6～0.8之間。NO2與CO相關(guān)性也較好。不同年份SO2與CO的相關(guān)性差異大。由此可見，采用相對比值法估算PM2.5濃度具有一定的參考價值。

圖6結(jié)果顯示，在除夕非集中燃放時段12:00-18:00，2014年和2016年估算濃度與實測濃度接近，表明估算效果較好。2014年若無爆竹燃放PM2.5濃度在150～200 μg/m3，貢獻(xiàn)時間從18:00～4:00，時長為8小時，貢獻(xiàn)量在20時達(dá)到峰值，約377 μg/m3。

表1 春節(jié)期間非燃放時段污染物與CO濃度相關(guān)系數(shù)

圖6 除夕夜爆竹燃放對PM2.5濃度的貢獻(xiàn)

2016年由于爆竹燃放，共出現(xiàn)三個貢獻(xiàn)峰值，第一個峰值出現(xiàn)的時間與2014年一致，在20:00左右，貢獻(xiàn)量為147 μg/m3，另兩個峰值出現(xiàn)在00:00和7:00，貢獻(xiàn)量分別為316 μg/m3和178 μg/m3，貢獻(xiàn)時間從18:00～08:00，長達(dá)14小時。

2017年，春節(jié)前PM2.5背景濃度低，由于大氣擴散條件好，爆竹燃放對PM2.5濃度的影響并不顯著，在20:00和00:00貢獻(xiàn)量達(dá)到峰值，約70 μg/m3。2017年P(guān)M2.5估算濃度明顯高于實測濃度，這可能是由于冷空氣較強，風(fēng)速高，CO濃度受氣象條件影響波動較大，從而產(chǎn)生了較高的估算誤差。

3 結(jié)論

基于江蘇省常州環(huán)境監(jiān)測中心國控站的數(shù)據(jù)，分析了近7年不同氣象條件下春節(jié)期間空氣質(zhì)量變化特征及爆竹燃放對污染物濃度影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)春節(jié)期間爆竹燃放排放的污染物，其擴散傳輸和轉(zhuǎn)化主要依賴于天氣形勢和氣象條件?？傮w而言，均壓場下高濕、高溫和低風(fēng)速等氣象條件有利于污染生成和持續(xù)。在區(qū)域污染情況下，若風(fēng)速低于1.5 m/s且增加幅度小，隨著邊界層高度抬升垂直湍流交換可能使污染時間延長。

(2)爆竹燃放對不同污染物濃度影響存在差異。在各氣象條件和污染背景下，爆竹燃放對SO2、PM10和PM2.5濃度影響最顯著，其中PM2.5濃度每小時最大可升高150 μg/m3。NO2濃度升高幅度相對較小，O3則有降低的趨勢，CO受煙花爆竹影響較小。

(3)在天氣系統(tǒng)穩(wěn)定時，根據(jù)相對比值法可較好地估算出爆竹燃放對PM2.5濃度貢獻(xiàn)?？傮w而言，在高污染和不利氣象條件背景下，其貢獻(xiàn)量可達(dá)300 μg/m3以上，是當(dāng)日非燃放時段平均濃度的2～4倍，且貢獻(xiàn)時間長達(dá)8～14小時；在低濃度背景且擴散條件有利時，煙花爆竹對空氣質(zhì)量影響相對較小，貢獻(xiàn)量約70 μg/m3。爆竹燃放對PM2.5貢獻(xiàn)峰值主要出現(xiàn)在20:00、0:00和7:00。