大氣污染特征與組分分析

肖童覺 彭慶慶 潘海婷 張琴 李蔚

摘要：利用湖南省14個市州的78個城市環境空氣自動監測站主要污染物（PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3）濃度以及力合科技組分站數據、省氣象臺氣象資料，對2019年除夕至初一期間（2月4日—5日）進行了分析。結果表明，除夕期間煙花爆竹的燃放對空氣污染物濃度短時間內有非常大的貢獻，集中燃放煙花對PM10和PM2.5的小時值增長倍數貢獻明顯。對全省14個城市PM10和PM2.5的小時值最大增長倍數分別為2.4倍和1.0倍。長沙組分站數據分析中，氯離子濃度上升了約15倍，硫酸根離子濃度上升了約5倍，鉀離子濃度上升了約14倍，鎂離子濃度上升了約6倍。其中對婁底市的影響程度最高。氣象條件也是影響春節期間空氣質量的重要因素，風速小，逆溫強、濕度大和無降水等不利氣象條件使污染物濃度不斷累積，形成持續性污染過程。2019年除夕（2月4日）上午，全省14個市州城市的空氣質量總體良好，但由于受煙花爆竹的集中燃放影響，大部分城市的環境空氣質量在除夕當天下午5時后迅速轉差，發生了區域性的大氣重污染過程。

關鍵詞：除夕;春節;空氣質量;煙花爆竹;湖南;顆粒物;氣象條件

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）10-0-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.068

Abstract： The concentration of main pollutants （PM10， PM2.5， SO2， NO2， CO， O3） and the data of Lihe Technology Station and the meteorological data of the provincial meteorological observatory are used in 78 urban environmental air automatic monitoring stations in 14 cities and prefectures of Hunan Province. It was analyzed from the New Years Eve to the first day of 2019 （February 4th - 5th）. The results show that the fireworks and firecrackers during the New Years Eve have a very large contribution to the concentration of air pollutants in a short period of time. The concentrated fireworks display contributes significantly to the hourly value increase of PM10 and PM2.5. The maximum growth multiples of PM10 and PM2.5 in 14 cities in the province were 2.4 times and 1.0 times， respectively. In the data analysis of the Changsha component station， the chloride ion concentration increased by about 15 times， the sulfate ion concentration increased by about 5 times， the potassium ion concentration increased by about 14 times， and the magnesium ion concentration increased by about 6 times. Among them， the degree of influence on Loudi City is the highest. Meteorological conditions are also an important factor affecting the air quality during the Spring Festival. The wind speed is small， the adverse weather conditions such as strong temperature， high humidity and no precipitation make the concentration of pollutants accumulate continuously， forming a continuous pollution process. On the morning of New Years Eve （February 4th）， the air quality of 14 cities and prefectures in the province was generally good， but due to the concentrated discharge of fireworks and firecrackers， the ambient air quality of most cities quickly turned after 5 pm on New Years Eve. Poor， a regional process of heavy atmospheric pollution occurred.

Key words： New Years Eve; Spring Festival; air quality; Fireworks and firecrackers; Hunan; Particulate matter; Meteorological conditions

大氣污染物是一種來自自然源和認為源的復雜混合成分，受我國傳統習俗影響，大量煙花爆竹的使用，會使空氣質量在短時間內發生較大的波動，許多日常的工業和交通源排放銳減，而煙花爆竹燃放成為一種主要的短時集中且較為強烈的人為活動源，空氣中各污染物濃度也呈現明顯變化。相關研究表明，春節期間的煙花爆竹燃放是認為排放氣溶膠的主要來源，城市在特定時段集中燃放煙花爆竹會導致局部空氣質量嚴重下降，大量燃放煙花爆竹對大氣中顆粒物濃度、SO2和NO2濃度增加有明顯影響，特別是對細顆粒物濃度貢獻最大，燃放期間PM2.5和PM10濃度分別可達平時的4倍和6倍;在煙花爆竹集中燃放期間，不利于污染物擴散的氣象條件將造成污染物的累積，引起濃度升高并造成持續性污染。現基于2019年除夕至初一的自動監測數據，分析湖南省城市環境空氣質量的污染特征，ρ（PM2.5）和ρ（PM10）的變化，不利氣象條件對空氣質量的影響，為合理引導煙花爆竹燃放相關法規的修訂和污染控制措施的制定提供參考。

1 數據來源和方法

環境空氣質量監測數據來源于湖南省14個城市所設的78個國控環境空氣自動監測子站。這些監測子站主要對二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、細顆粒物（PM2.5）和可吸入顆粒物（PM10）6項主要污染物進行24小時全自動連續監測，采樣口高度距地面3～25m。氣象資料來源于湖南省氣象臺提供的《湖南冬季降水相態預報系統》，包括10m風場和2m溫度、逐6h降水、逆溫、地面相對濕度圖;中央氣象臺官網發布的全國煙花爆竹燃放氣象指數和中國環境監測總站下發的PM2.5濃度與氣象場空間分布圖。

采用統計法分析湖南省2019年除夕至初一期間主要污染物的逐時濃度變化特征、相關性分析、組分站離子與顆粒物變化以及城市煙花爆竹燃放貢獻量和增長倍數等。

2 結果與討論

2.1 除夕至初一環境空氣質量狀況

2019年除夕當天，全省14個市州城市中，湘潭、株洲、長沙、岳陽、衡陽、常德、益陽和永州等8個城市的空氣質量為輕度污染，其他6個城市為良。除夕晚上至初一期間，居民集中燃放大量的煙花爆竹，全省空氣質量明顯轉差，初一當天3個城市出現重度污染，分別為湘潭、株洲和長沙;8個城市出現中度污染，分別為岳陽、常德、衡陽、婁底、湘西、邵陽、益陽和永州;郴州為輕度污染，懷化和張家界為良。期間，湘潭為全省空氣質量最差城市，詳見圖1。由于2019年湖南省各市普遍采取了煙花爆竹禁放或限放措施，全省城市空氣質量較2018年同期相比整體有所好轉。除夕至正月初一，全省PM2.5和PM10平均濃度分別為102和145μg/m3，比2018年春節同期分別下降16.4%和12.7%。

2.2 污染評價因子變化特征

2.2.1 除夕至初一逐時濃度變化特征

由圖2可見，2019年除夕至初一期間全省14個城市環境空氣中的PM10和PM2.5平均值呈一致變化趨勢，在除夕0：00—16：00的環境空氣質量總體保持穩定;除夕上午6時，PM2.5濃度開始出現升高，至初一上午5時，PM2.5濃度逐漸回落，表明污染進入削減階段。基于這個變化過程，除夕上午6時可視為PM2.5、PM10的初始濃度，全省均值分別為55μg/m3和115μg/m3，初一上午5時為PM2.5、PM10的污染高峰濃度，全省均值分別為186μg/m3、234μg/m3。兩者比較，受煙花爆竹集中燃放影響，全省平均PM2.5、PM10濃度分別升高了2.4倍、1.0倍。尤其是婁底市初始PM2.5濃度較低，為27μg/m3，燃放鞭炮期間，PM2.5小時濃度峰值達293μg/m3，升高了9.8倍。常德市的PM2.5小時濃度峰值為全省最高，達317μg/m3，較初始值也升高了5.7倍。由此可見，煙花爆竹集中燃放引起的PM2.5濃度增幅很大，成為該時段城市環境空氣質量下降的主要貢獻源。

2.2.2 長沙市煙花爆竹燃放與PM2.5濃度關系研究

為進一步確定PM2.5濃度與煙花爆竹燃放之間的關系，調取了位于長沙高新區的力合科技園區大氣組分站監測數據。從PM2.5主要組分在線監測的結果可以看出，在煙花爆竹集中燃放的時段（除夕夜間至初一凌晨），PM2.5中氯離子、硫酸根離子、鉀離子和鎂離子的濃度均出現明顯上升。與非燃放時段（取2月4日0–18時平均值作為基準）相比，氯離子濃度上升了約15倍，硫酸根離子濃度上升了約5倍，鉀離子濃度上升了約14倍，鎂離子濃度上升了約6倍。氯離子、硫酸根離子和鉀離子等常被作為煙花爆竹的特征示蹤組分，因此可以說明煙花爆竹的燃放對PM2.5濃度的上升起到了至關重要的影響。PM2.5組分分析結果反映煙花爆竹的集中燃放會導致空氣質量迅速轉差。

圖5為臘月廿九與除夕至正月初一的水溶性離子占比圖。從圖中可知，臘月廿九占比較高的水溶性離子分別為硝酸根離子、銨根離子、硫酸根離子、鉀離子、氯離子，該5種離子具體占比分別為33.54%、29.68%、27.44%、4.09%、2.41%。除夕至初一，占比較高的水溶性離子分別為硫酸根離子、硝酸根離子、銨根離子、鉀離子、氯離子，占比分別為32.65%、20.32%、16.64%、16.37%、10.46%。對比兩者發現，煙花爆竹的集中燃放顯著改變PM2.5中的水溶性離子組成和占比，煙花爆竹的燃放對PM2.5濃度的影響不容小覷。

圖6、圖7和圖8分別為2018年和2019年除夕夜間PM2.5濃度變化趨勢對比圖和硝酸根離子、硫酸根離子、鉀離子、鎂離子濃度變化趨勢圖。從PM2.5濃度變化趨勢圖可知，PM2.5濃度均在初一凌晨3時達到最高值，對應的氯離子、硫酸根離子、鉀離子和鎂離子濃度也在同一時間段左右達到最高值，相關性明顯。對比3張圖可發現，該站點2019年PM2.5、硝酸根離子、硫酸根離子、鉀離子、鎂離子濃度均低于2018年。