2022年湖南省春節(jié)期間環(huán)境空氣質(zhì)量特征及來源分析

劉妍妍，王彥琦，楊 力，張 琴，黎常成，肖童覺，張 政

(1.湖南省環(huán)境監(jiān)測中心站，湖南 長沙 410019；2.湖南省湘潭生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心,411100；3.湖南省郴州生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心，湖南 郴州 423000)

1 引言

隨著經(jīng)濟社會的高速發(fā)展，大氣污染問題日益嚴峻[1～4]。春節(jié)是中國人民重要的傳統(tǒng)佳節(jié)，節(jié)日里人們?nèi)挤艧熁ū竦膫鹘y(tǒng)習俗在增加節(jié)日氣氛的同時，也導致了空氣質(zhì)量短時間內(nèi)迅速惡化，引發(fā)重污染天氣[5～7]。煙花爆竹的主要化學成份為黑火藥，其中含有大量硫磺、硝酸鹽、木炭等物質(zhì)，有時也會加入鎂鋁等金屬元素[8]。大量煙花爆竹集中燃放時，使空氣中的顆粒物 PM2.5和其各種水溶性離子濃度迅速增加[9]。冬季由于氣溫較低，近地面空氣流動性較弱，逆溫較多，使春節(jié)期間空氣污染物更加不易擴散[10，11]。

近年來，越來越多的研究開始關(guān)注春節(jié)期間大氣污染和空氣質(zhì)量變化[12～16]。高慶先等[15]對2020年春節(jié)期間京津冀地區(qū)的大氣重污染過程分析發(fā)現(xiàn)，煙花爆竹燃放對 PM2.5小時峰值的貢獻率最高達80%，但其影響基本只有 5～10 h。孫燕等[16]針對1981～2015年春節(jié)前后南京常規(guī)氣象資料和大氣環(huán)境狀況研究發(fā)現(xiàn)，春節(jié)期間的穩(wěn)定天氣形勢會加劇污染天氣的發(fā)生。現(xiàn)階段對春節(jié)期間空氣污染的來源分析情況研究存在空白。

基于此，本研究對2022年1月30日至2月6日春節(jié)期間湖南省發(fā)生的一次污染過程進行研究，對全省空氣質(zhì)量、各項污染物濃度、顆粒物組分濃度及氣象條件基礎(chǔ)進行趨勢分析，利用PMF模型解析春節(jié)期間的主要排放源，并將上述情況與去年春節(jié)空氣污染進行對比。以期為春節(jié)期間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)。

2 數(shù)據(jù)來源

空氣污染物濃度數(shù)據(jù)來源于湖南省環(huán)境空氣國控監(jiān)測站點，組分數(shù)據(jù)來自湖南省環(huán)境空氣復(fù)合監(jiān)測站，長沙市、株洲市、湘潭市、岳陽市和益陽市顆粒物組分站，氣象資料來源于湖南省氣象臺。

3 結(jié)果討論

3.1 春節(jié)期間全省城市空氣質(zhì)量情況

2022年春節(jié)期間，受持續(xù)雨雪天氣影響，湖南省擴散條件比較有利，全省空氣質(zhì)量較好。

1月30日(臘月廿八)全省空氣質(zhì)量以優(yōu)良為主；1月31日至2月1日(除夕至初一)受煙花爆竹集中燃放影響，空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)差，多地短時出現(xiàn)了重度污染，但受煙花爆竹管控及雨雪清除作用影響，全省日均AQI等級依然以良至輕度污染為主，僅常德市、湘潭市為中度污染；2～3日(初二至初三)，煙花燃放量有所下降，持續(xù)雨雪天氣過程，全省空氣質(zhì)量以優(yōu)良為主；4～5日(初四至初五)，受高空弱脊控制，全省以多云間晴天為主，地面北風2～3級，空氣質(zhì)量優(yōu)至良。初六受春節(jié)返程高峰影響，個別城市空氣質(zhì)量有所下降，常德市出現(xiàn)了輕度污染，其余13個市州以優(yōu)良為主，詳見表1。

3.2 除夕和初一全省城市環(huán)境空氣質(zhì)量情況

1月31日晚至2月1日(除夕晚和初一)，受煙花爆竹集中燃放影響，全省14個城市的PM2.5濃度均快速上升。2月1日(初一)，全省PM2.5平均濃度達最高值94 μg/m3，超標0.26倍。其中，常德PM2.5濃度最高，為145 μg/m3；長沙市、株洲市和湘潭市PM2.5濃度分別為112 μg/m3、95 μg/m3和118μg/m3。湘潭市、常德市2個城市空氣質(zhì)量等級為中度污染，邵陽市、岳陽市、張家界市、郴州市和永州市5個城市為良，其余7個城市為輕度污染，詳見圖1、圖2。

圖1 1月31日～2月6日(除夕～初六)14個城市日均PM2.5濃度變化情況

圖2 1月31日～2月6日(除夕～初六)污染等級分布城市數(shù)和全省日均PM2.5濃度變化

從小時數(shù)據(jù)分析，除夕下午18時前，空氣質(zhì)量變化較為平緩，到18時全省14個城市中僅常德為輕度污染，其余13個城市均為優(yōu)良，PM2.5平均濃度為46 μg/m3。約20時前后，湘中、湘北多個城市PM2.5濃度開始出現(xiàn)大幅上漲，長沙市、株洲市、湘潭市、常德市、益陽市、懷化市、婁底市和湘西州8個城市相繼出現(xiàn)中至重度污染過程。至初一4時，全省小時PM2.5平均濃度升至期間最高水平，為126 μg/m3，超標0.68倍；4時之后，多數(shù)城市PM2.5開始出現(xiàn)明顯下降；至初一16時，全省各城市AQI均回到良至輕污水平。除夕至初一期間，郴州市和邵陽市小時AQI未出現(xiàn)輕度以上污染時段，常德市出現(xiàn)2 h的嚴重污染。

燃放煙花爆竹所帶來的PM2.5濃度升高效應(yīng)非常明顯。除夕夜18時后，PM2.5濃度出現(xiàn)升高，至2月1日午后，污染程度顯著緩解，詳見圖3。基于這個變化過程，除夕夜18時可視為PM2.5的初始濃度，全省46 μg/m3，除夕夜19時至初一下午17時，可視為PM2.5的污染濃度，全省平均95 μg/m3。兩者比較，鞭炮集中燃放期間，PM2.5濃度平均升高了2.1倍。尤其是湘西州，其本底PM2.5濃度較低(36 μg/m3)，燃放鞭炮期間，PM2.5小時濃度最高達到246 μg/m3，升高了6.8倍。常德市PM2.5的濃度為全省最高，PM2.5小時濃度最高達到308 μg/m3，較本底值(82 μg/m3)也升高了3.8倍。由此可見，燃放煙花爆竹引起的PM2.5濃度增幅是比較顯著的，詳見圖3。

圖3 除夕至初一全省14個城市逐小時重污染城市數(shù)量及全省PM2.5平均濃度變化

3.3 春節(jié)期間全省污染情況同比分析

春節(jié)期間(除夕至初六)，全省PM2.5的平均濃度為51 μg/m3、PM10為59 μg/m3、SO2為5 μg/m3、NO2為11 μg/m3、CO為0.9 mg/m3、O3為78 μg/m3。與2021年春節(jié)(除夕至初六)相比，全省PM2.5的平均濃度下降12.1%，除常德市(20.6%)、張家界市(64.5%)、永州市(14.3%)和湘西州(11.9%)4個城市上升外，其它10個城市均有不同程度的下降，幅度在-32.1%～-2.2%之間，其中下降幅度較大的有長沙市(-32.1%)、株洲市(-31.3%)和郴州市(-30.8%)；全省PM10的平均濃度同比下降13.2%，除常德市(27.8%)、張家界市(47.8%)、永州市(2.1%)和湘西州(1.8%)4個城市上升外，其他10個城市均有不同程度的下降，幅度在-36.9%～-9.7%之間，其中下降幅度較大的有株洲市(-36.9%)、婁底市(-33.7%)和長沙市(-32.9%)；全省SO2、NO2、O3平均濃度分別下降28.6%、21.4%和7.1%，CO平均濃度與去年持平。見表3。

表3 2022年與2021年春節(jié)期間14個城市環(huán)境空氣污染物濃度情況對比統(tǒng)計

初一是煙花最集中燃放的時段，對比2021年春節(jié)，今年初一全省PM2.5濃度(111 μg/m3)相較于去年初一(94 μg/m3)降低15.3%，其中邵陽、株洲、郴州下降最為明顯，下降幅度分別達52.7%、48.4%和42.2%詳見表4。

表4 2022年與2021年初一空氣質(zhì)量對比

全省小時濃度最高值出現(xiàn)在常德初一4時，PM2.5濃度為(308 μg/m3)，相較去年全省PM2.5小時濃度最高值(長沙初一3時)461 μg/m3下降了33.2%，PM2.5小時濃度高峰值下降明顯。

3.4 春節(jié)期間氣象影響條件分析

2022年春節(jié)期間陰雨天氣較多，濕清除條件總體較好，但受持續(xù)靜穩(wěn)小風、地面弱輻合等不利氣象條件影響，水平擴散條件較差。前期1月31日至2月3日(除夕至初三)，受地面冷空氣和中低層切變線共同影響，省內(nèi)大部分地區(qū)小到中雨，大氣濕清除條件較好；初三夜間至初六白天，天氣轉(zhuǎn)好，氣溫略有回升，垂直擴散條件略有改善，同時初六受弱北風影響，湘北有輸入性污染。初六夜間省內(nèi)自西向東又出現(xiàn)新一輪雨雪天氣，濕清除逐步增強。具體分析如下。

3.4.1 降雨

春節(jié)期間，全省氣溫偏低，出現(xiàn)兩輪低溫雨雪冰凍過程。除夕凌晨至初三白天，全省湘北、湘西地區(qū)出現(xiàn)雨夾雪或雪，局地出現(xiàn)暴雪；初三夜間至初六白天天氣轉(zhuǎn)好，初六夜間開始省內(nèi)自西向東又出現(xiàn)新一輪雨雪天氣，全省陰天有小到中雨，湘北出現(xiàn)雨夾雪或雪。

3.4.2 風

從水平擴散條件來看，除夕至初二，地面10 m風場以靜風為主，湘東北-湘西南及湘中一帶存在地面弱輻合線，水平擴散條件差，有利于本地污染物的積累和爆發(fā)；初三至初五以靜穩(wěn)天氣為主，水平擴散條件差；初六開始全省逐漸轉(zhuǎn)為偏北氣流為主。

3.4.3 氣溫

除夕至初二，全省地面氣溫偏低，初二當天氣溫最低，平均值達到2.5 ℃，初三至初五，地面氣溫略有回升，垂直擴散條件略有改善。初六夜間受地面冷空氣影響，地面氣溫有所下降，湘北地區(qū)24 h溫度降幅達到6.6 ℃。

3.4.4 逆溫

除夕至初六，全省無貼地逆溫，逆溫層較高且均處于邊界層以上，對垂直擴散無明顯影響。

3.5 顆粒物組分監(jiān)測結(jié)果

由于常德市組分站缺少離子組分數(shù)據(jù)，故重點城市中只分析長沙市、株洲市、湘潭市、岳陽市和益陽市5個城市。

3.5.1 顆粒物組分分析

從除夕(31日)上午開始，岳陽市、長沙市、株洲市、湘潭市和益陽市各組分站一次燃燒排放組分和二次離子同步上升，有機物、元素碳等不完全燃燒組分濃度較平時明顯升高，其中典型的煙花爆竹燃放相關(guān)的硫酸根離子、鉀離子和鎂離子等組分變化更為突出。

基于湖南省環(huán)境空氣復(fù)合監(jiān)測站PM2.5組分數(shù)據(jù)，利用PMF模型解析出春節(jié)期間主要有5類排放源，分別為二次源、煙花爆竹燃放、機動車尾氣、工業(yè)排放和揚塵。

圖4 顆粒物化學組成

其中1月31日夜間至2月1日凌晨煙花爆竹燃放貢獻最為突出；4日午后至5日天氣轉(zhuǎn)晴，環(huán)境濕度大幅下降，二次源貢獻明顯降低；機動車排放表現(xiàn)為除夕及初六返程高峰貢獻較大；揚塵源逐日變化較為穩(wěn)定，且貢獻較??；工業(yè)排放源貢獻自5日起增大，表明此時工廠、企業(yè)逐漸復(fù)工，解析結(jié)果與組分分析結(jié)論較為一致。

圖5 顆粒物組分時間序列

5個重點城市組分站與煙花爆竹燃放相關(guān)的組分也有同樣變化，與春節(jié)前(1月30日)相比，除夕-初一(1月31日至2月1日)硫酸根、氯離子、鉀離子、鎂離子均為正向變化，硫酸根離子最大變化率在3%～669%范圍內(nèi)，其中，湘潭市顆粒物組分站點變化率最高，從節(jié)前的4.78 μg/m3升高至36.74 μg/m3；氯離子變化率在62%～2389%范圍內(nèi)，其中，湘潭市顆粒物組分站點變化率最高，從節(jié)前的0.65μg/m3升高至16.18 μg/m3，鉀離子變化率在600%～1482%范圍內(nèi)，變化率最高的仍為湘潭市顆粒物組分站點，從節(jié)前的1.58 μg/m3升高至25.00 μg/m3，鎂離子變化率在936%～4000%范圍內(nèi)，變化率最高站點為湘潭市顆粒物組分站點，從節(jié)前的0.10 μg/m3升高至4.10 μg/m3，詳見表5。

表5 1月31日-2月1日(除夕至初一)重點城市及復(fù)合站主要組分增長率 %

3.5.2 較去年春節(jié)同期對比

從占比情況來看，去年煙花爆竹燃放示蹤物如硫酸根、鉀離子占比更大，從濃度值來看，去年春節(jié)硫酸根、鉀離子、氯離子、鎂離子平均濃度分別為15.6 μg/m3、7.2 μg/m3、4.6 μg/m3、1.3 μg/m3，今年春節(jié)較去年相比煙花爆竹示蹤物均有明顯下降，下降幅度分別為46.2%、48.2%、48.3%、67.7%，相應(yīng)PM2.5平均濃度下降28.7%，煙花爆竹集中燃放時段，PM2.5峰值濃度下降42.9%(去年333 μg/m3，今年190 μg/m3)，今年春節(jié)煙花爆竹燃放影響大幅下降。

4 結(jié)論

(1)1月31日至2月1日(除夕至初一)多地短時出現(xiàn)了重度污染，全省PM2.5日均濃度于初一達到最高值94 μg/m3，PM2.5小時濃度在初一4時達到最高值126 μg/m3，分別超標0.26倍和0.68倍。

(2)與2021年春節(jié)期間同期對比可知，2022年春節(jié)期間空氣質(zhì)量較往年明顯提升，全省PM2.5的平均濃度較2021年春節(jié)(除夕至初六)下降12.1%。初一全省PM2.5濃度同比降低15.3%，小時濃度峰值下降了33.2%，未產(chǎn)生重度污染天，同比減少3 d。

圖6 特征物種時間序列

圖7 顆粒物來源結(jié)構(gòu)變化

(3)煙花爆竹燃放仍是加重春節(jié)期間空氣污染的重要因素，集中燃放時段顆粒物總組分明顯升高。顆粒物峰值時期，鉀離子、硫酸根、鎂離子、氯離子等煙花爆竹示蹤物大幅升高，與此同時大氣擴散條件較差，致顆粒物濃度迅速升高，初一晝間煙花爆竹燃放影響減弱，加之水平風速增大，垂直擴散相對好轉(zhuǎn)，顆粒物濃度降至良級水平。

(4)春節(jié)期間24 h不間斷空氣質(zhì)量預(yù)報工作為春節(jié)假期環(huán)境空氣質(zhì)量提供保障，對環(huán)境管理部門的管控決策提供技術(shù)支持。結(jié)合初一煙花爆竹燃放情況及空氣質(zhì)量實況來看，全省煙花爆竹管控效果明顯。