煙花爆竹燃放對西安環境空氣質量影響的個例分析

王雯燕，唐文哲，鄧小麗，李國平，張雅斌，程 龍

(1.成都信息工程學院大氣科學學院，四川成都610225;2.西安市氣象局，陜西西安710016)

0 引言

在重大節日及喜事慶典上燃放煙花爆竹是中國人千百年來的一種傳統習俗，是春節增加歡樂氣氛的一項重要文化活動。“爆竹聲中一歲除，春風送暖人屠蘇，千門萬戶瞳瞳目，總把新桃換舊符”，宋代著名文學家、政治家王安石曾這樣描繪春節燃放爆竹的場景。煙花爆竹的主要成分是黑火藥，含有硫磺、木炭粉、硝酸鉀，有的還含有氯酸鉀，彩色煙花還要加入鎂粉、鐵粉、鋁粉、銻粉及無機鹽等其他特效藥物。在引發后的高溫、高壓條件下，煙花爆竹中的物質發生一系列化學反應，產生多種金屬、非金屬氧化物，放出大量煙塵顆粒，導致大氣中氣溶膠粒子急劇增多。在空氣污染日益嚴重的當下，燃放煙花爆竹產生的環境影響日益受到政府相關部門和社會民眾的關注。很長時間以來關于煙花爆竹人們討論研究較多的是儲存、運輸不當造成的爆炸、火災[1－3]，燃放時帶來的噪聲污染[4－5]，點燃時操作失誤造成的人員傷殘，以及燃放煙霧引發的呼吸道疾病對身體健康的影響等[6－7]，而結合氣象條件分析燃放帶來的環境空氣質量影響方面的研究較少。文中利用2014年春節期間西安市環境監測站污染物逐小時濃度監測數據，結合大氣環流形勢和近地面大氣層結條件，分析了燃放煙花爆竹對環境空氣質量的影響，為社會公眾節日慶典理性燃放煙花爆竹提供參考數據。

1 資料來源

研究時段為2014年1月28日～2月6日，所用逐小時濃度數據取自西安市環境監測站對外公開發布網站。西安環境空氣質量監測點位13個，其中閻良、臨潼、長安、草灘遠離市區，其余站點均勻分布在市區不同位置，監測要素有 PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2等。

研究所用大氣環流數據源于Micaps資料，近地面大氣溫度、濕度、風等層結資料取自西安探空站08、20時(北京時，下同)秒觀測數據。

2 氣象條件

研究表明，區域環境空氣質量狀況主要受兩方面的影響:污染物排放量大小和氣象條件的擴散稀釋能力[8－11]。在污染物排放量變化不大的情況下，氣象條件對環境空氣質量狀況起主導作用[12]，反之，在氣象條件穩定的情況下，污染物排放量增減則是影響環境空氣質量的主要原因。影響污染物擴散的氣象條件有大氣環流形勢及近地面氣象要素層結結構，與此有關的氣象要素主要有溫度、風，降水等[13－16]。

2.1 大氣環流形勢

500 hPa平均高度場上，2014年1月下旬以來，整個東亞地區為“兩槽一脊”形勢，低槽分別位于巴湖以西和東亞140°E～150°E附近，如圖1(a)所示，新疆北部到蒙古國受東西走向的鋒區控制，中國西北大部地區(包括西安)在弱的暖脊影響下，受偏西氣流控制，等高線稀疏，風力較小，高空無明顯冷空氣影響;1日08:00～2日20:00，位于貝湖西部至巴湖北部的橫槽快速轉豎，移至蒙古國東部，見圖1(b)，受橫槽轉豎影響，河套至陜西上空高空西北氣流增大，西安上空風力由8 m/s增大至28 m/s。

圖1 2014年春節期間西安大氣環流形勢

海平面平均氣壓場上，1月30日08:00，河套以北蒙古和中國西南地區為高壓區，新疆和東部沿海為低壓區，西安地區位于鞍形氣壓場中心位置，等壓線稀疏，風力較小，如圖1(c)所示;30日20:00陜北、關中大部分地區受低壓控制，低壓中心強度和氣壓梯度小;2日后受橫槽轉豎后槽后強冷平流南下影響，由圖1(d)可見，河套至關中北部的氣壓梯度明顯增大，風力加大，2日20:00時西安風速為1.2 m/s，至4日20:00已增大到6.5 m/s，而溫度從9.9℃降低到－0.2℃。

2.2 近地面大氣層結

2.2.1 溫度

春節期間，西安近地面大氣層結連續多日出現逆溫，且全部為接地逆溫，如圖2所示。1月28日逆溫厚度低、強度大;1月29日厚度增加，強度減小，早晚逆溫的厚度和強度特征幾乎相同，大氣層結更加趨于穩定;29日20時至2月2日08時，連續多日近地面氣溫保持近乎一致的特征，表現為:(1)逆溫厚度大，平均高度980 m，1日20時最高1306 m，30日08時最低727 m;(2)逆溫結構穩定少變，相同時次逆溫強度近乎一致，且08時普遍高于20時，08時逆溫強度為1.1℃/100 m～0.1℃/100 m，20時為0.4℃/100 m～0.1℃/100 m;(3)08時逆溫厚度普遍低于20時的，這是因為白天太陽輻射使近地面大氣緩慢增溫，導致20時逆溫厚度增加、強度有所減小，經過夜間輻射冷卻，08時逆溫厚度減少、強度增加，如此反復。但31日20時厚度沒有增加反而有所減少，主要因為自青藏高原有一短波槽東移過境，冷空氣勢力較弱，對該日逆溫厚度略有影響，但沒有從根本上改變層結結構。2日20時西伯利亞強冷空氣持續南下，近地面大氣溫度結構不斷調整，厚度減小，強度增大，3日20時接地逆溫結構徹底消失。

圖2 2014年1月28日～2月6日西安近地面大氣溫度層結特征

圖2中多項式擬合曲線很形象地表示出當時西安近地面大氣狀況。春節中前期接地逆溫深厚、強度穩定，暖而輕的空氣像一層厚厚的被子罩在城市上空，使上下層空氣流動減弱，抑制了垂直方向的大氣交換和低層湍流運動，在此氣象條件下，持續燃放煙花爆竹產生的污染物在近地面大氣中“無路可走”，只好原地不動[17]，不斷累積。

2.2.2 風場

風對大氣污染物的稀釋和輸送起主要作用，在一定的范圍內，風速越大，污染物的擴散能力越強，也越有利于污染物環境濃度的降低。圖3為春節前后近地面風場時間-高度剖面，1月28日08時至2月3日20時西安近地面大氣風場受東北氣流控制，中、高層(1000 m以上)風速較大，但隨著高度降低風速不斷減小，地面風速≤1 m/s，風向以靜風居多，其次為東北偏北風;2月4日08時風速自上而下顯著增大。

圖3 2014年1月28日～2月6日西安近地面大氣層的風向、風速時間-高度剖面圖

西安位于關中河谷盆地中部，三面環山，北臨黃土高原，平均海拔高度不低于1000 m，南靠秦嶺，平均海拔高度不低于2000 m，西至寶雞逐漸閉合成一峽谷，東邊呈喇叭口敞開，特殊的盆地川道地形本身就具有易堆積難擴散的特點，加之逆溫層厚度始終維持在1000 m左右，地面層微弱的東北風很難將污染物抬升輸送出去，導致環境空氣質量惡化，空氣污染指數激增。

3 燃放煙花爆竹對環境空氣質量的影響

對比2014年春節期間各環境監測站點大氣污染物逐小時平均質量濃度發現，各監測點環境空氣污染物濃度曲線變化趨勢較為一致，為了消除地理位置、人口密集程度、商貿經濟繁榮狀況等不同在燃放數量上的影響，氣溶膠逐小時質量濃度取13站平均值進行分析研究。由圖4可明顯看出，1月31日至2月4日，PM2.5、PM10、SO2和CO的逐小時濃度曲線受集中燃放影響出現了非常顯著的異常波動。

圖4 2014年1月28日～2月6日西安環境監測站主要污染物逐小時平均質量濃度

3.1 污染物濃度的變化

根據天氣形勢和煙花爆竹燃放時間將污染物曲線變化分為3個時段分別進行分析，各時段污染物濃度平均值如表1所示，1月31日～2月3日，PM2.5、PM10、CO濃度平均值最大，1月28日～1月30日次之，2月4日～2月6日最小。2014年1月下旬以來，西安地區在靜穩天氣形勢下，環境空氣質量已經處于重度污染，30日 PM2.5、PM10、SO2和 CO 逐小時濃度平均 值 分 別 為 247 μg/m3、337 μg/m3、97 μg/m3和3 μg/m3，已經進入嚴重污染狀態;31日零點(除夕)煙花爆竹集中燃放時，上述特征污染物濃度最高值達到617 μg/m3、958 μg/m3、210 μg/m3和5.115 μg/m3，分別增大了1.5、1.84、1.17和0.71倍;3日16時，在強冷空氣作用下各監測點濃度逐漸下降;4日(初五)是春節燃放煙花爆竹傳統習俗的最后一天，各污染物濃度有所增強，但較初一大幅度降低，降低的原因一方面是由于接地逆溫結構破壞后大氣湍流交換能力增強，另一方面是煙花爆竹燃放量減少;2月5日后，濃度曲線在低位呈現平穩波動。

表1 2014年春節前后西安不同時段污染物濃度小時平均值

值得注意的是在煙花爆竹燃放的集中時段，PM2.5、PM10和CO曲線都表現出相對穩定的持續性特征，而SO2濃度曲線卻表現出明顯的異常變化，快速升高后降低、再升高。根據SO2物理化學特性可知，SO2密度比空氣大，具有易液化，易溶于水的特性，一般來說早晨由于溫度較低，水汽在大氣中的溶解度較低，濕度大，圖5為春節前后近地面大氣層濕度-高度剖面圖，可清楚看到早間濕度明顯高于其它時間，特別是1月31日、2月1日和2月2日，距地300 m高度范圍內，濕度大且濕層厚度較高，造成SO2濃度在高位時出現明顯的減小波動。

圖5 2014年1月28日～2月6日西安近地面大氣的濕度-高度剖面圖

3.2 煙花爆竹燃放對空氣質量指數的影響

首要污染物是反映一個地區污染最重的污染物。為了解燃放煙花爆竹產生的特征污染物對環境空氣質量影響的大小，根據國家《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633-2012)的項目污染物濃度限值表，計算各污染物逐小時空氣質量分指數(AQI)。圖6為2014年春節前后西安地區污染分指數逐小時變化曲線，由于SO2和CO分指數最高值分別為64和47，與 PM2.5、PM10相比較小，因此下面重點分析PM2.5和PM10空氣質量分指數的變化。

28～30日(春節前)西安地區首要污染物為PM2.5，空氣質量在重度和嚴重污染之間波動;30日(除夕)晚上21時PM10分指數突然增加，超過PM2.5成為首要污染物;2日(初三)中午和4日(初五)零時前后，PM10分指數均超過PM2.5。上述3個時間均是春節傳統民俗中燃放煙花爆竹的密集時段，表明燃放煙花爆竹產生的PM10顆粒物最多，PM2.5次之，SO2和CO的產生量較少。

3日下午16時，在強冷空氣作用下各污染物分指數大幅度降低，但在降低后至4日(初五)，PM10一直為首要污染物，可見冷空氣侵入對降低、清除PM2.5污染的效果比PM10明顯。

圖6 2014年1月28日～2月6日西安主要污染物逐小時空氣質量分指數(虛線為空氣質量指數類別的分界線)

4 結論

基于西安地區2014年春節前后環境空氣污染物監測濃度和近地面氣象觀測資料，分析了這一期間的大氣環流形勢，在這種天氣背景下污染物濃度變化特征，以及燃放煙花爆竹對環境空氣質量的影響，得到如下結論:

(1)2014年春節期間，西安高空受西北氣流控制，地面位于低壓中心，風力較小，近地面大氣存在平均高度980 m、連續4天維持的接地逆溫，在特殊的盆地川道地形和接地逆溫的共同作用下氣象條件非常穩定。

(2)燃放煙花爆竹產生的特征污染物主要是PM2.5、PM10、SO2和 CO，除夕集中燃放時濃度最高為629 μg/m3、958 μg/m3、210 μg/m3和5.115 μg/m3，分別達到春節前期平均值的1.5、1.84、1.17和0.71倍。

(3)煙花爆竹燃放對PM10空氣質量濃度影響最大，其次為PM2.5。春節后期在冷空氣作用下，各污染物濃度大幅降低，并且對粒徑較小的PM2.5污染清除效果最為明顯。

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