中國31個城市大氣污染物“春節(jié)效應”時空變化研究

鄧湘文，曾小敏

陜西師范大學 地理科學與旅游學院，西安 710119

城市化和工業(yè)化進程不斷加快，高強度的霾污染事件在人口密集的城市頻繁發(fā)生，大氣污染問題日益顯著，嚴重影響了中國居民的身體健康（Kong et al，2015a；Maione et al，2016；Vecchi et al，2008）。春節(jié)期間（主要是正月初一凌晨）燃放煙花爆竹是中國的傳統(tǒng)習俗，但是煙花爆竹的燃放會釋放大量的顆粒物、重金屬以及有毒有機物，導致空氣質量在短時間內迅速惡化（Moreno et al，2007；張小玲等，2008；Yerramsetti et al，2013；Seidel and Birnbaum，2015）。煙花爆竹的主要化學成分為黑火藥，其中含有大量硫磺、硝酸鹽、木炭；有時煙花爆竹內會加入鎂鋁等金屬元素，使其在燃燒時呈現(xiàn)不同的顏色；大量煙花爆竹集中燃放時，使空氣中的顆粒物PM2.5和各種水溶性離子濃度迅速增加，并且使、、、和濃度增加（徐敬等，2006；馬瑩等，2016）。另一方面，春節(jié)作為中國的傳統(tǒng)節(jié)日，期間也是中國人口大幅度遷移擴散的主要時間；大部分城市往往因為企業(yè)停產、機動車銳減和建筑工地停工等因素使得城市空氣質量表現(xiàn)出良好的趨勢（謝瑞加等，2018）。以上兩種因素的疊加影響使得春節(jié)期間大氣污染物濃度變化有其特殊性，本文將之定義為“春節(jié)效應”。

近年來，越來越多的研究開始關注春節(jié)期間的大氣污染和空氣質量的變化（張小玲等，2008；Kong et al，2015b）。張小玲等（2008）發(fā)現(xiàn)北京市除夕和元宵節(jié)大量燃放煙花爆竹導致顆粒物濃度（PM2.5）在短時內快速上升，但是SO2和NO2濃度沒有明顯變化。謝瑞加等（2018）發(fā)現(xiàn)泉州市煙花爆竹集中燃放時段，SO2、PM10和PM2.5濃度明顯升高，尤以PM2.5的升高最為顯著。據(jù)Feng et al（2012）報道，除夕夜上海市大氣PM2.5質量濃度超過300 μg ? m?3，其中75%來源于煙花爆竹燃放。但目前的研究還存在一定局限性。在空間上，前人的研究區(qū)域主要集中在單個城市，或者長株潭、京津冀、珠三角等區(qū)域性城市群（趙偉等，2015；昌晶亮等，2016；Gao et al，2018），全國范圍的研究很少；在時間上，之前的研究多集中于除夕到春節(jié)當天小時分辨率的大氣污染的研究（洪盛茂等，2003；李令軍等，2006；Zhang et al，2010），較長時段的大氣污染變化研究還很少。另外，之前的研究焦點集中于“春節(jié)效應”的第一個方面（煙花爆竹對空氣質量的影響），忽視了污染工業(yè)的關閉對于大氣污染的影響?；诖?，本研究利用2014年全國31個城市共270個自動監(jiān)測站的主要大氣污染物（PM2.5、NO2和SO2）逐日監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用極端值和方差分析方法探討春節(jié)期間（2014-01-17 — 2014-02-14）各城市的時空分異，以期為春節(jié)期間中國城市的大氣污染分布特征以及大氣污染區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控提供一定依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

選取31城市（22個省會、5個自治區(qū)首府、4個直轄市，不含港澳臺地區(qū)）作為研究對象，分別為：北京、合肥、福州、蘭州、廣州、南寧、貴陽、?？?、石家莊、鄭州、哈爾濱、武漢、長沙、長春、南京、南昌、沈陽、呼和浩特、銀川、西寧、濟南、太原、西安、上海、成都、天津、拉薩、烏魯木齊、昆明、杭州和重慶。

1.2 研究時段

研究時段為2014年春節(jié)期間（1月17日至2月14日）。由于2014年春節(jié)主流的法定假期為2014年1月30日至2月5日。因此，將研究時段分為三段：春節(jié)前期（2014年1月17日至1月29日），春節(jié)中期（2014年1月30日至2月5日）和春節(jié)后期（2014年2月6日至2月14日）。

1.3 數(shù)據(jù)來源

空氣污染數(shù)據(jù)來源于城市空氣質量實時發(fā)布平臺（http://106.37.208.233:20035/）。一共獲取了31座城市共270個自動監(jiān)測站三種主要大氣污染物（PM2.5、NO2和SO2）的質量濃度日變化統(tǒng)計數(shù)據(jù)。同一城市不同監(jiān)測站的污染物濃度數(shù)據(jù)，取平均值代表該城市當天的污染物濃度數(shù)據(jù)。對應城市的日分辨率氣象數(shù)據(jù)（氣溫、降水、相對濕度、風速）來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）。研究所用數(shù)據(jù)的時間跨度為2014-01-17—2014-02-14。在數(shù)據(jù)處理過程中，遵循《環(huán)境空氣質量標準（GB 3095 — 2012）》，滿足數(shù)據(jù)的有效性和準確性。

1.4 研究方法

（1）煙花爆竹燃放對大氣污染物影響研究方法：選擇煙花爆竹燃放影響最大的一天——正月初一作為研究對象。借鑒樹木年輪學極端值的計算方法—— Cropper值（Cropper，1979；Neuwirth et al，2007），計算各個城市正月初一大氣污染物的Cropper值。具體計算過程如下：首先，運用SPSS軟件對研究時段各種污染物的變化序列進行Z—score標準化；然后，將序列進行5 d的中心滑動平均；最后，用每一年的標準化值除以5 d滑動平均值得到Cropper值。當Cropper值≤1表示沒有影響；1＜Cropper值≤1.28時表示該有較弱的影響；1.28＜Cropper值≤1.645時表示有較強影響；Cropper值＞1.645時表示有極強影響。

（2）污染工業(yè)關閉對大氣污染物影響研究方法：運用單因素方差分析（ANOVA）方法分析春節(jié)前期（1月17至1月29日）、春節(jié)中期（2月2日至2月5日，除去煙花爆竹燃放影響最大的1月30日至2月1日）和春節(jié)后期（2月6日至2月14日）三個時段三種大氣污染物濃度是否存在顯著差異。

（3）大氣污染物與氣象要素關系分析：運用皮爾遜相關系數(shù)法計算三種大氣污染物與氣溫、降水、相對濕度和風速的關系，顯著性檢驗采用雙尾檢驗。

2 結果與討論

2.1 春節(jié)期間三種主要大氣污染物平均濃度空間分布特征

春節(jié)期間各城市PM2.5、NO2和SO2平均濃度都體現(xiàn)了明顯的地域差異（圖1）。中緯度城市PM2.5濃度普遍高于高低緯度城市，而西藏、華南地區(qū)和邊境地區(qū)的部分城市其PM2.5濃度相對來說較低。其中，PM2.5平均濃度最高的城市為石家莊（210 μg ? m?3），最低的城市為拉薩（23 μg ? m?3）。從NO2平均濃度空間分布來看，各地分布不一，但華北地區(qū)及其周圍城市和烏魯木齊NO2濃度較高，NO2平均濃度最高的城市為石家莊（70 μg ? m?3），最低的城市為海口（13 μg ? m?3）。對SO2而言，北方城市SO2平均濃度普遍高于南方城市且濃度差異較大。其中，SO2平均濃度最高的城市為沈陽（156 μg ? m?3），最低的城市為?？冢? μg ? m?3）。

圖1 中國春節(jié)期間三種主要大氣污染物濃度的空間分布Fig. 1 Spatial distribution of three main air pollutants concentrations in 31 cities of China during the Spring Festival

綜合來看，2014年春節(jié)期間中國三項污染物（PM2.5、NO2和SO2）濃度空間分布特征不盡相同，在空間上呈一定聚集特點。其中西安、武漢、華北地區(qū)及東北地區(qū)城市三項污染物濃度在全國范圍內較高，拉薩、?？凇⒏Ｖ莸瘸鞘腥椢廴疚餄舛仍谌珖秶鷥容^低。

2.2 春節(jié)期間三種主要大氣污染物受煙花燃放的 影響

根據(jù)各城市的春節(jié)煙花燃放管理條例，在春節(jié)期間的除夕夜、正月初一等時間，市區(qū)內部分地區(qū)可以燃放煙花，即實行“限放”不“禁放”的規(guī)定。2014年正月初一（1月31日）當日各城市的三種主要污染物濃度變化受煙花燃放的影響程度不同（圖2）。其中各城市的PM2.5、SO2濃度變化受煙花燃放影響程度較大（不受影響的城市分別僅占34%和42%）；NO2則普遍無影響（不受影響的城市高達84%）。表明正月初一燃放煙花爆竹對大氣污染物濃度升高的貢獻主要體現(xiàn)在PM2.5和SO2上。

圖2 正月初一各城市三種主要大氣污染物Cropper值分布Fig. 2 Cropper value of three main air pollutants in 31 cities of China in the first day of lunar month

從空間上來看，PM2.5濃度變化受煙花燃放影響程度較小的城市主要分布在華中地區(qū)、華北地區(qū)，這些城市是中國主要的工業(yè)城市，可能是由于平日工廠開工所釋放的污染物濃度大于春節(jié)期間煙花爆竹燃放所釋放的污染物濃度；此外，中國的超大城市（北京和上海）也沒有受到明顯影響，這可能是由于平日工廠開工和人們日?；顒樱ㄈ缛∨?、行駛機動車）所釋放的污染物濃度大于春節(jié)期間人口減少后煙花爆竹燃放所釋放的污染物濃度。

煙花燃放對中國西部（銀川、昆明等）和部分中部城市（石家莊、太原等）的大氣SO2濃度沒有明顯影響。原因可能是這些地區(qū)自然資源（如煤礦、有色金屬礦）豐富，所設立的重工業(yè)工廠（如發(fā)電廠、冶煉廠、化工廠）在非春節(jié)期間產生的SO2與春節(jié)期間煙花爆竹燃放產生的SO2大致相當（施擇等，2014；翟廣宇等，2015；崔鳳等，2018）。

總體而言，正月初一煙花爆竹的燃放對NO2沒有明顯的影響，只有個別城市（烏魯木齊和呼和浩特）受到煙花燃放影響程度較大，說明煙花燃放產生的NO2對這些城市大氣污染物的影響較大。

2.3 春節(jié)前期、春節(jié)中期和春節(jié)后期三種主要大氣污染物濃度對比

就全國平均情況看來，春節(jié)中期大部分城市三種主要大氣污染物的濃度都比春節(jié)前期低，而與春節(jié)后期差異不明顯（圖3）。從空間來看，北方城市三種大氣污染物濃度在春節(jié)中期與春節(jié)前期的差異比南方城市小。

對比春節(jié)前期與春節(jié)中期，PM2.5濃度變化有顯著差異的城市其地理位置沒有明顯的集中。將其與春節(jié)期間PM2.5平均濃度對比可知，大部分PM2.5濃度變化較顯著的城市其春節(jié)期間PM2.5平均濃度較低（如烏魯木齊、昆明等），可能是較低的濃度本底導致PM2.5濃度變化較為明顯。對比春節(jié)中期與春節(jié)后期，北方城市PM2.5濃度變化沒有南方城市明顯，可能是由于北方地區(qū)冬季取暖對其有著持續(xù)的影響。

NO2濃度在大部分城市春節(jié)前期和春節(jié)中期的變化均較為顯著。NO2的主要來源為化石燃料燃燒、閃電、生物質燃燒、土壤等（Martin et al，2003），其中化石燃料燃燒的場所主要是工廠，工廠的運行與停工可能對春節(jié)前期與春節(jié)中期NO2濃度變化有明顯的影響。從空間上來看，北方城市春節(jié)前期和春節(jié)中期NO2濃度差異的顯著性沒有南方城市明顯，可能由于北方城市春節(jié)期間NO2濃度普遍大于南方城市，導致其濃度變化的顯著程度沒有南方城市高。北方城市中僅有拉薩和濟南在春節(jié)前期與春節(jié)中期的NO2濃度變化沒有顯著差異。拉薩春節(jié)中期和春節(jié)前期NO2濃度沒有顯著差異的原因，可能是因為拉薩主要居住人口一般過藏歷春節(jié)，而2014年的藏歷春節(jié)在3月；而濟南市春節(jié)前期和春節(jié)中期NO2濃度沒有顯著差異的原因，可能是當年春節(jié)期間受到冷暖氣團交替控制，污染物擴散條件差從而累積，2月2日后受強冷空氣影響，風速加大，大氣污染物濃度降低（周姣姣和吳泉源，2018）。

對比春節(jié)中期與春節(jié)后期，各城市NO2濃度變化的顯著程度降低，僅有東北方四座城市（天津、長春、哈爾濱、沈陽）、西部兩座城市（烏魯木齊、拉薩）NO2濃度變化的顯著程度較高。這可能是由于春節(jié)中期空氣質量較好，而大部分城市春節(jié)后期工廠返工所造成的大氣污染物在短時間內累積不多。

對比春節(jié)前期與春節(jié)中期SO2濃度變化發(fā)現(xiàn)，差異顯著的城市主要集中在南方城市。對比春節(jié)中期與春節(jié)后期發(fā)現(xiàn)，沒有SO2濃度變化極其顯著的城市?？赡苁怯捎诖汗?jié)中期空氣質量較好，大部分城市春節(jié)后期工廠返工所造成的大氣污染物在短時間內累積不多。

綜合來看，2014年春節(jié)期間，中國南方城市三種空氣污染物濃度變化的顯著程度大于北方城市，但北方城市中烏魯木齊、哈爾濱、長春的三種空氣污染物濃度變化也較為顯著?？傮w而言，春節(jié)效應在各城市間存在時空差異。

2.4 春節(jié)期間三種大氣污染物濃度變化與氣象要素的關系

從2014年春節(jié)期間氣象數(shù)據(jù)來看，全國天氣總體平穩(wěn)，無明顯冷空氣影響，無強降溫、強降水等重大災害性天氣，期間受弱冷空氣影響，各地稍有降雨，濕度大，風速適中，污染物擴散條件較差。

氣溫、濕度、風速因素對不同城市的不同污染物濃度影響不一致（表1）。但總體上風速、降水與污染物濃度呈負相關，因為較大風速會加速污染物的擴散，從而導致其濃度下降；而降水導致大氣污染物沉降，使其濃度下降（馬瑩等，2016）。由于2014年春節(jié)期間全國范圍內降水并不豐富，因此降水因素對污染物濃度影響不是很大。

氣溫與PM2.5濃度顯著相關的城市較多，其中大部分城市為正相關。溫度升高時太陽的輻射強度增加，O3濃度因光解而增大，從而促使大氣中的SO2和NO2等被氧化生成與，加速了前體物轉化為水溶性離子的過程，從而使PM2.5質量濃度升高（Martin et al，2003）。氣溫與NO2和SO2濃度顯著相關的城市并不多，可能是由于氣溫的絕對高低與NO2、SO2的擴散條件無明顯關系。雖然相對濕度與三種污染物顯著相關的城市很多（PM2.5、NO2和SO2濃度與其相關的城市數(shù)量分別為8個、14個和14個），但是目前關系機制還不明確，不同的學者對不同地區(qū)的研究都得出了不同的結論（Wang et al，2007；曹蘭，2014；郭勝利等，2015；Li et al，2017），仍需開展進一步研究。

將該結果與春節(jié)期間三種污染物平均濃度分布進行對比可知，三種污染物濃度與氣象要素的顯著性與其濃度大小沒有明顯關系；將該結果與春節(jié)期間各城市空氣污染物Cropper值分布進行對比發(fā)現(xiàn)，與相對濕度相關性達到顯著的城市普遍受煙花燃放影響顯著，可能是由于濕度對正月初一燃放煙花所造成的污染物的擴散影響較大；將該結果與春節(jié)期間空氣污染物濃度變化方差分析結果進行對比得知，二者之間沒有明顯的關系，說明春節(jié)期間空氣污染物濃度變化的主要原因可能與社會活動（如工廠開工、取暖）有關。

3 結論

（1）2014年正月初一（1月31日），煙花爆竹的燃放對于大氣污染升高的影響主要體現(xiàn)在PM2.5和SO2濃度上，對NO2濃度變化沒有明顯影響。但對于華中地區(qū)、華北地區(qū)等中國主要的工業(yè)城市而言，春節(jié)期間反而出現(xiàn)三種主要大氣污染物濃度降低的現(xiàn)象?？赡苡捎谄饺展S開工所釋放的污染物濃度大于春節(jié)期間煙花爆竹燃放所釋放的污染物濃度，導致煙花爆竹的燃放對于大氣污染物濃度的影響并不明顯。

（2）對比春節(jié)前期、春節(jié)中期和春節(jié)后期發(fā)現(xiàn)，春節(jié)中期大部分城市三種主要大氣污染物的濃度都比春節(jié)前期低，而與春節(jié)后期差異不明顯，其中北方城市PM2.5濃度變化沒有南方城市明顯，表明取暖對其有著持續(xù)的影響；大部分城市的NO2濃度變化則是在春節(jié)前期和春節(jié)中期之間有著明顯差異（顯著城市占94%），工廠的運行與停工對春節(jié)前期與春節(jié)中期NO2濃度變化影響較大。從空間來看，南方城市三種大氣污染物濃度在春節(jié)中期與春節(jié)前期差異比北方城市大，可能與北方城市冬季供暖有一定關系。

（3）氣溫、濕度、風速因素對不同城市的不同污染物濃度影響不一樣。但總體上風速、降水與污染物濃度呈負相關，氣溫與PM2.5濃度呈正相關，與NO2、SO2濃度變化無明顯關系。濕度對正月初一燃放煙花所造成的污染物的擴散影響較大。春節(jié)期間空氣污染物濃度變化的主要原因可能與社會活動（如工廠開工、取暖）有關。

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（4）春節(jié)期間爆竹燃放所引起的污染是暫時的，可順應民俗，規(guī)定燃放時間和地區(qū)，并有效控制。應該著重注意工廠污染物排放的控制，以及北方供暖區(qū)域的取暖方式和來源控制。

致謝：感謝中國城市空氣質量實時發(fā)布平臺(http://106.37.208.233:20035/)和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/) 提供的數(shù)據(jù)共享服務。