不同氣象條件下常州市春節空氣質量及爆竹燃放對PM2.5濃度貢獻分析

趙亞芳 李春玉 葉 香 何 濤

(江蘇省常州環境監測中心，江蘇 常州 213001)

春節期間燃放煙花爆竹是我國的傳統習俗，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，從而導致空氣質量在短時間內迅速惡化，危害人體健康[1-3]。國內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]研究了北京市春節期間空氣污染特征。Wang等[5]發現北京煙花燃放造成PM2.5和PM10濃度可以達到平時的4～6倍。為定量評估煙花燃放對PM2.5濃度的貢獻，王哲等[6]基于北京市監測數據，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]應用相對比值法估算了珠三角煙花爆竹燃放對空氣質量的影響。

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

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。由于經濟、城市建設和人口的快速發展，城市環境空氣質量面臨嚴峻的挑戰，PM2.5成為秋冬季節首要污染物。本文基于常州市2013-2019年連續觀測數據分析春節期間不同等級空氣質量的氣象背景、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，從而為春節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

常規污染物數據和氣象數據來自江蘇省常州環境監測中心國控站(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速、溫度和相對濕度。資料時段為2013-2019年春節前后(臘月二十二-正月十五)逐小時和逐日數據。其中，定義臘月二十二-臘月二十九為春節前期，除夕-正月初七為春節期間，正月初八-正月十五為春節后期。

觀測站點與最近的城市道路水平距離約200 m，500 m內無明顯工業源，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，其中黃色為各轄市區主城區。

圖1 監測站點位置

2 結果與分析

2.1 春節期間空氣質量整體情況

從近7年春節前后空氣質量(圖2)看出，2014年春節前和春節期間的空氣質量最差，春節期間有3天重度污染，2017年春節期間空氣質量最好，以優良天為主。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年為優良。根據除夕和正月初一的空氣質量情況，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良這三種空氣質量情況，分析不同空氣質量形成的氣象背景以及空氣質量變化過程，并采用相對比值法定量估算爆竹燃放對PM2.5濃度的貢獻。

圖2 2013-2019年春節期間常州市空氣質量變化

2.2 春節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3天污染，期間平均風速為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，形成持續穩定的均壓場，大氣擴散條件不利，表現為高溫、高濕、低風速的氣象特征。除夕20:00高空環流偏平直，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。正月初一風速略有增加，但PM2.5濃度下降后在10:00呈現升高趨勢。由此可知風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，最大風力達到4.5 m/s，有利于污染物水平擴散，空氣質量好轉。

圖3 春節期間氣象參數變化特征

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4天達到污染水平，期間平均風速為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%，風速約0.6 m/s，空氣質量在爆竹燃放時段為輕度-中度污染，凌晨時達重度污染。正月初四起地面倒槽和冷鋒系統使得雨水天氣較多，大氣擴散條件整體較好，空氣質量維持在良。

2017年春節前期受高壓和地面冷空氣影響，大氣擴散條件較好，空氣質量以良為主。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，沒有形成持續性的污染。正月初八起，在鞍型場控制下，風速減小至0.5 m/s，相對濕度增加至64.0%，空氣質量變差。

對比3個年份除夕天氣形勢和氣象要素發現，2014年相對濕度最高，污染程度最為嚴重；2016年風速最小，污染時間最長；2017年風速最大，大氣擴散條件最為有利。表明天氣靜穩時，相對濕度對污染生成影響較大，此外，若風速低于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]研究結果相似，表明爆竹集中燃放是空氣質量惡化的主要原因。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作為參考標準污染物，定量評估爆竹燃放對PM2.5濃度的貢獻。計算公式為：

(1)

(2)

各年份非燃放時段各污染物與CO濃度的相關系數見表1。除O3與CO呈負相關，其余污染物均與CO呈正相關關系，其中PM10、PM2.5與CO的相關系數最高，近7年均穩定在0.6～0.8之間。NO2與CO相關性也較好。不同年份SO2與CO的相關性差異大。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，貢獻時間從18:00～4:00，時長為8小時，貢獻量在20時達到峰值，約377 μg/m3。

表1 春節期間非燃放時段污染物與CO濃度相關系數

圖6 除夕夜爆竹燃放對PM2.5濃度的貢獻

2016年由于爆竹燃放，共出現三個貢獻峰值，第一個峰值出現的時間與2014年一致，在20:00左右，貢獻量為147 μg/m3，另兩個峰值出現在00:00和7:00，貢獻量分別為316 μg/m3和178 μg/m3，貢獻時間從18:00～08:00，長達14小時。

2017年，春節前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貢獻量達到峰值，約70 μg/m3。2017年PM2.5估算濃度明顯高于實測濃度，這可能是由于冷空氣較強，風速高，CO濃度受氣象條件影響波動較大，從而產生了較高的估算誤差。

3 結論

基于江蘇省常州環境監測中心國控站的數據，分析了近7年不同氣象條件下春節期間空氣質量變化特征及爆竹燃放對污染物濃度影響，主要得到以下結論：

(1)春節期間爆竹燃放排放的污染物，其擴散傳輸和轉化主要依賴于天氣形勢和氣象條件。總體而言，均壓場下高濕、高溫和低風速等氣象條件有利于污染生成和持續。在區域污染情況下，若風速低于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)在天氣系統穩定時，根據相對比值法可較好地估算出爆竹燃放對PM2.5濃度貢獻。總體而言，在高污染和不利氣象條件背景下，其貢獻量可達300 μg/m3以上，是當日非燃放時段平均濃度的2～4倍，且貢獻時間長達8～14小時；在低濃度背景且擴散條件有利時，煙花爆竹對空氣質量影響相對較小，貢獻量約70 μg/m3。爆竹燃放對PM2.5貢獻峰值主要出現在20:00、0:00和7:00。