2020年- 2023年春節期間重慶城區空氣質量對比研究

熊桂洪　趙潔　余家燕　許麗萍　劉芮伶

摘要：為明晰實行煙花爆竹管控措施后重慶城區空氣質量變化成因，文章基于PM2.5質量濃度、PM2.5組分及氣象觀測數據，對比分析了2020年- 2023年春節期間重慶城區污染物濃度變化趨勢。結果表明，氣象條件對于燃放高峰期和春節期間大氣污染物濃度具有重要影響。春節期間PM2.5主要來源為二次源、機動車尾氣、工業排放、煙花爆竹和生物質燃燒、揚塵源。2023年新冠疫情“乙類乙管”后經濟復蘇，機動車尾氣、工業等排放增加，疊加煙花爆竹燃放影響，在氣象不利條件下，春節期間PM2.5出現明顯反彈。

關鍵詞：煙花爆竹；春節期間；空氣質量；組分特征；重慶

中圖分類號：X51 文獻標志碼：B

前言

煙花爆竹的短時燃放會排放大量污染物，造成空氣質量的急劇惡化。研究表明，煙花爆竹燃放對大氣中PM2.5、PM10、SO2影響明顯，對于春節期間PM2.5的貢獻可超過20%。煙花爆竹禁限放區域的科學劃定對于空氣質量整體改善效果明顯，同時禁放區空氣質量仍受到周邊非禁放區煙花爆竹燃放影響，例如安徽省2022年春節期間受不利氣象條件及煙花爆竹燃放疊加影響，出現顆粒物濃度峰值較高、影響范圍較廣的持續污染過程。

四川盆地地形氣候特殊，內源型復合大氣污染特征顯著，為中國污染較為嚴重的區域之一，在中國區域社會經濟建設大背景下，研究四川盆地大氣污染特征意義重大。重慶城區位于四川盆地東部，是四川盆地兩個超大城市之一。為持續改善空氣質量，重慶城區于2019年開始實行城區繞城高速以內煙花爆竹禁放。針對重慶城區春節期間空氣質量研究，目前尚無煙花爆竹管控之后城區空氣質量的對比及來源分析。研究根據2020年- 2023年重慶城區空氣質量、PM2.5化學組分和氣象觀測數據，系統梳理分析了近年來重慶城區春節期間大氣污染物質量濃度、組分及來源，對2023年春節期間污染成因作出分析，以期為后疫情時代大氣污染防治提供科學參考。

1 研究概況

1.1 數據來源

大氣污染物質量濃度及PM2.5組分質量濃度數據來自位于重慶城區的大氣超級站，該點位能夠較好的代表中心城區大氣污染特征。水溶性離子來自S611型在線氣體與氣溶膠成分監測儀（IGAC），有機碳和元素碳來自Model4在線OC/EC監測儀（美國Sunset），金屬來自AMMS - 100大氣金屬分析儀。為保證數據質量，根據國家標準要求，定期開展儀器流量檢查、切割頭清洗、標準曲線繪制等質量保證和控制工作。

觀測時間為2020年- 2023年臘月廿九0時至正月十五23時，其中大年三十至十五為春節期間，基于重慶本地煙花爆竹燃放習俗定義臘月廿九0時到三十18時為燃放高峰前，三十19時到初一11時為燃放高峰期。

1.2 研究方法

采用正定矩陣因子分解（Positive Matrix Factori-zation，PMF）模型進行PM2.5來源解析，其通過最小二乘法確定PM2.5中主要來源及其貢獻，計算方法為式（1）：

X = G×F+E 式（1）

式（1）中，X為受體點位樣品PM2.5組分質量濃度矩陣，G是源貢獻矩陣，F是源成分譜矩陣，E是殘差。

2 結果與討論

2.1 空氣質量及氣象條件對比

重慶城區2020年- 2023年春節及燃放高峰期大氣污染物質量濃度整體水平如圖1所示。春節期間，重慶城區PM10、SO2、O3和CO穩定達到《環境空氣質量標準》（GB 3095 - 2012）二級標準，其中SO2濃度持續保持在低位，與近年來重慶城區優化產業結構，推進燃煤鍋爐、電廠環保搬遷有關。2023年PM2.5、NO2質量濃度超過CB 3095 - 2012二級標準，分別超過國家標準限值22.7%和40. 0%，2023年春節期間空氣質量為近年來同期最差。燃放高峰期PM10、SO2、NO2、O3和CO達到國家二級標準，2023年PM2.5超過國家二級標準，超過比例為42.7%。煙花爆竹燃放對顆粒物影響明顯，故PM2.5濃度升高出現超標，2023年春節期間NO2濃度出現超標，反映了期間較高的交通和工業排放。

燃放高峰期PM2.5濃度相較燃放高峰前比較，一般而言，燃放高峰期受到煙花爆竹燃放影響，燃放高峰期PM2.5濃度高于燃放高峰前（2021年- 2023年）。然而，2020年燃放高峰期濃度卻低于燃放高峰前，其原因為2020年燃放高峰期受到冷空氣作用，風速最大（1.9 m·s-1）、降雨明顯（3.2 mm）（如表1所示），氣象擴散形勢良好，導致2020年燃放高峰期PM2.5濃度未出現突升，2020年燃放高峰期PM2.5濃度為2020年- 2023年同期最低（PM2.5濃度僅為28 μg·m-3），甚至低于燃放高峰前和春節期間，說明氣象條件對于燃放高峰期大氣污染物濃度具有重要影響，在冷空氣、降雨等明顯氣象清除作用下燃放高峰期PM2.5濃度可低于燃放高峰前。

春節期間較燃放高峰期比較而言，2020年和2023年春節期間PM2.5濃度高于燃放高峰期，2020年燃放高峰期較強的氣象清除條件導致PM2.5濃度基數較低，春節中后期氣象條件偏差，從而導致2020年春節期間整體PM2.5濃度高于燃放高峰期。2023年為新冠疫情“乙類乙管”后的首個春節，周邊區域煙花爆竹燃放頻發，燃放高峰期PM2.5絕對濃度為近年來同期最高，然而春節期間重慶城區小風頻率較高，邊界層高度較低，持續無有效冷空氣或降雨等氣象清除條件（累計降雨量僅0.2 mm），污染物濃度長時間保持在70 μg·m-3以上，導致污染頻發，2023年春節期間PM2.5整體濃度甚至高于受煙花爆竹燃放影響最直接的燃放高峰期，以上說明氣象條件對于春節期間大氣污染物濃度影響極大，在較差的氣象條件下（持續無有效冷空氣和降雨、小風等）春節期間PM2.5濃度可高于燃放高峰期。

2.2 PM2.5組分特征分析

煙花爆竹燃放的主要指示組分有K、K+、Cl-、Mg2+、Ba等，因此文章采取以上組分之和進行后續分析。燃放高峰期PM2.5組分對比而言，2020年- 2023年重慶城區PM2.5中煙花爆竹燃放相關組分占比之和達到19.1%- 36. 7%，為PM2.5中濃度最大或次大的組分，其中2022年煙花爆竹相關組分為當年濃度占比最大的物種，其余年份為濃度占比第二大物種，說明煙花爆竹燃放是燃放高峰期影響PM2.5濃度的首要因素。年際對比而言，燃放高峰期煙花爆竹相關組分濃度對比為：2022年（25.6 μg·m-3）>2023年（16.2μg·m-3）>2021年（10.6μg·m-3）>2020年（7.6μg·m-3），2022年煙花爆竹相關濃度最高，2020年最低。

針對春節期間，煙花爆竹相關組分的濃度變化為：2023年（7.9 μg·m-3）>2022年（4.6μg·m-3）>2021年（3.4μ9·m-3）> 2020年（3.2μg·m-3），2023年煙花爆竹相關組分在燃放高峰期濃度不及2022年的情況下（2023年燃放高峰期濃度偏低2022年燃放高峰期濃度36.8%），春節期間煙花爆竹相關組分偏高2022年71. 7%，同時2023年春節期間煙花爆竹相關組分濃度也明顯高于2020年-2021年，表明2023年春節期間在無明顯氣象清除條件，同時周邊區域煙花爆竹“多點”燃放下，煙花爆竹相關污染在空氣中長時間滯留，是2023年春節期間污染較重的重要原因之一。春節期間煙花爆竹相關組分占比而言，2022年占比最高，為13. 6%，2021和2023年相當，為11. 3% - 11. 9%，2020年最低，為10. 6%，2023年煙花爆竹相關組分占比略低于2022年，表明2023年除煙花爆竹等污染源外，其他源排放仍有較強排放，從而導致2023年煙花爆竹相關組分濃度高于2020年- 2022年，但是其占比未明顯高于2020年- 2022年。對2023年深入分析發現，2023年春節期間NO2濃度出現超標，NO2濃度偏高2020年- 2022年64. 7% - 211. 1%，PM2.5中NO3 -濃度和占比也為2020年- 2023年最高，說明2023年在不利氣象條件下，交通、工業等排放對2023年PM2.5的貢獻較為強烈，2023年春節期間的污染為不利氣象條件下，較強的本地污染源排放，疊加周邊煙花爆竹燃放導致。（見圖2及圖3）

進一步采用比值法對PM2.5來源進行了示蹤分析。首先，SO2-4/K+質量濃度比值可用于側面反映污染主要來自于煙花爆竹燃放源還是生物質燃燒源。如表2所示，2020年- 2023年，燃放高峰期SO2-4/K+比值為1.3 -3.5，與西安、保定煙花爆竹燃放中SO2-4 -/K+比值2.9和2.4 -3.4接近，低于秸稈燃燒中的觀測比值4. 6，所以燃放高峰期K+主要來自于煙花爆竹燃放。其次，NO-3與SO2-4比值（N/S）可用于指示機動車還是燃煤源影響，有研究表明機動車排放的N/S值約8-13，而燃煤鍋爐等排放N/S值約0.5。2020年- 2023年春節期間，重慶城區N/S比值為0.8-1.4，其中2020年N/S值小于1，為0.8，表明2020年更多可能受燃煤源影響，2023年N/S最大（N/S比值為1. 4），再次驗證2023年春節期間受機動車排放影響更明顯。

2.3 PM2.5來源解析

運用PMF方法，對2020年- 2023年春節期間PM2.5進行來源解析分析，結果如圖4所示，春節期間重慶城區PM2.5主要來源為二次源、機動車尾氣、工業排放、煙花爆竹和生物質燃燒、揚塵源，占比分別為33. 9% - 43. 80%、23. 3% - 29. 8%、12.1%- 23.1%、6.9%-11.7%、3. 9% -8.8%。其中各年均為二次源貢獻最高，其次為機動車尾氣和工業排放，煙花爆竹和生物質燃燒源各年貢獻存在差異，2020年貢獻相對較低，貢獻比例為6. 9%，原因為2020年燃放高峰期附近存在明顯的氣象清除作用，煙花爆竹污染及時得到有效清除，疊加春節期間為疫情管控期間，整體排放較小，從而2020年貢獻最小；2022年貢獻比例最高（11.7%），與燃放高峰期較高的濃度和占比相對應，說明2022年周邊區域較高的煙花爆竹排放；2023年煙花爆竹和生物質燃燒源貢獻比例為2020年- 2023年次高，但是機動車尾氣源貢獻為2020年- 2023年最大，貢獻比例達到29.8%，工業排放源占比也為2021年- 2023年最大，2023年由于疫情管控政策調整，加之社會經濟逐步復蘇，污染排放不可避免增加，從而導致了機動車尾氣、工業排放等較高的貢獻，PM2.5濃度出現明顯反彈。

3 結論

2020年- 2023年春節期間，重慶城區SO2、CO、O3、PM10質量濃度穩定達到國家二級標準，2023年PM2.5、NO2質量濃度超過國家二級標準限值22.7%和40. 0%。氣象條件對于燃放高峰期和春節期間大氣污染物濃度具有重要影響。2020年燃放高峰期受到冷空氣和降雨作用氣象擴散形勢良好，燃放高峰期PM2.5濃度低于燃放高峰前。2023年春節期間持續無有效冷空氣或降雨等氣象清除條件，小風頻率較高（小風頻率59.6%），導致2023年春節期間PM2.5濃度甚至高于燃放高峰期。2020年- 2023年春節期間重慶城區PM2.5主要來源為二次源、機動車尾氣、工業排放、煙花爆竹和生物質燃燒、揚塵源。2023年機動車尾氣、工業等排放增加，疊加煙花爆竹燃放影響，春節期間PM2.5明顯反彈。

基金項目：重慶市科研機構績效激勵引導專項（No.cstc2021jxj120006）；重慶市技術創新與應用發展專項重點項目（No. CSTB2022TIAD - CUX008）