2017年除夕至初一期间湖南省城市环境空气污染特征分析

张琴，刘妍妍，彭庆庆，李蔚，罗岳平，曾钰，樊璠

(1.湖南省环境监测中心站，湖南 长沙 410019；2.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，湖南 长沙 410019；3.湖南省气象台，湖南 长沙 410118)

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2017年除夕至初一期间湖南省城市环境空气污染特征分析

张琴1，2，刘妍妍1,2，彭庆庆1,2，李蔚3，罗岳平1,2，曾钰1,2，樊璠1,2

(1.湖南省环境监测中心站，湖南 长沙 410019；2.国家环境保护重金属污染监测重点实验室，湖南 长沙 410019；3.湖南省气象台，湖南 长沙 410118)

对2017年除夕至初一期间(1月27—28日)，湖南省14个市州的78个城市环境空气自动监测站点数据进行了分析。结果表明，烟花爆竹的集中燃放会在短时间内造成严重的大气污染，其中，对PM10和PM2.5影响最为显著，其次是SO2，NO2和O3受影响程度相对最小。集中燃放烟花对PM10和PM2.5的小时值增长倍数贡献明显。对全省14个城市PM10和PM2.5的小时值最大贡献量分别为195～652和116～680 μg/m3；最大增高倍数分别为1.8～10.5倍和2.2～15.8倍。其中对郴州市的影响程度最高。城市集中燃放烟花爆竹期间，ρ(PM2.5)/ρ(PM10)明显上升，初一01:00最大值为0.69。气象条件也是影响春节期间空气质量的重要因素，风速小、逆温强、湿度大和无降水等不利气象条件使污染物浓度不断累积，形成持续性污染过程。

春节； 烟花爆竹； 空气质量； 气象条件；可入肺颗粒物；可吸入颗粒物；湖南

Abstract：The air quality of Hu’nan Province during Spring Festival (from January 27 to January 28 in 2017 )was analyzed in this paper.The results showed that the fireworks resulted in severe air pollution in a short time which had a significant impact on PM10and PM2.5,followed by SO2,and minimum effect on NO2and O3relatively.The hourly average concentration of PM10and PM2.5and growth multiples all could be influenced by setting of firecrackers.The maximum value of hourly concentration of PM10and PM2.5were 195 ～ 652 μg/m3and 116～680 μg/m3， respectively. The maximum growth multiples of PM10and PM2.5were 1.8～10.5 times and 2.2～15.8 times, respectively. Chenzhou had been the most affected city among 14 cities in our province.At the meanwhile,the ratio ofρ(PM2.5)/ρ(PM10) increased significantly,and the maximum ratio ofρ(PM2.5)/ρ(PM10) was 0.69 at 01:00 a.m.on Lunar New Year’s day. Weather conditions were also the key factors affecting the air quality during the Spring Festival.The adverse weather conditions such as small wind speed, strong temperature resistance, high humidity and no precipitation made the concentration of pollutants accumulate continuously and formed a continuous pollution process.

Keywords：Spring festival; Fireworks; Air quality; Weather conditions；PM2.5；PM10；Hu’nan

春节期间燃放烟花爆竹是我国延续了2 000多年的传统习俗。但大量烟花爆竹的使用，会使空气质量在短时间内发生剧烈波动，空气中污染物浓度也呈现明显变化[1-2]。相关研究表明[3-10]，城市在特定时段集中燃放烟花爆竹会导致局部空气质量严重下降，大量燃放烟花爆竹对大气中颗粒物浓度、SO2和NO2浓度增加有明显影响，特别是对细颗粒物浓度贡献最大，燃放期间ρ(PM2.5)和ρ(PM10)分别可达平时的4倍和6倍；在烟花爆竹集中燃放期间，不利于污染物扩散的气象条件将造成污染物的累积，引起浓度升高并造成持续性污染。

现基于2017年除夕至初一的自动监测数据，分析湖南省城市环境空气质量的污染特征，ρ(PM2.5)和ρ(PM10)的变化，不利气象条件对空气质量的影响，为合理引导烟花爆竹燃放相关法规的修订和污染控制措施的制定提供参考。

1 研究方法

环境空气质量监测数据来源于湖南省14个城市所设的78个国控环境空气自动监测子站。这些监测子站主要对SO2、NO2、CO、O3、PM2.5和PM106项主要污染物进行24 h全自动连续监测，采样口高度距地面3～25 m。

气象资料来源于湖南省气象台提供的《湖南冬季降水相态预报系统》，包括10 m风场和2 m温度、逐6 h 降水、逆温、地面相对湿度图，以及中央气象台官网发布的全国烟花爆竹燃放气象指数和中国环境监测总站下发的ρ(PM2.5)与气象场空间分布图。

采用统计法分析湖南省2017年除夕至初一期间主要污染物的逐时浓度变化特征、相关性分析、ρ(PM2.5)/ρ(PM10)变化以及城市烟花爆竹燃放贡献量和增长倍数等。

2 结果与讨论

2.1 除夕至初一城市环境空气质量状况

2017年除夕和初一，全省14个城市的空气质量均受到不同程度污染。1月27日除夕当天，全省14个城市空气质量为轻度至中度污染，其中，岳阳、常德、张家界和邵阳4个城市为中度污染。1月28日大年初一，空气质量明显转差，14个城市中，长沙、株洲、岳阳、常德、娄底和邵阳6个城市为严重污染，湘潭、张家界、益阳、郴州和湘西5个城市为重度污染，衡阳、怀化和永州3个城市为中度污染，见图1。

2.2 主要污染物浓度变化特征

2.2.1 除夕至初一逐时浓度变化特征

2017年除夕至初一期间主要污染物逐时质量浓度变化见图2。

图1 2017年除夕至初一期间各污染等级城市数量分布

图2 2017年除夕至初一期间主要污染物逐时质量浓度变化

由图2可见，2017年除夕至初一期间全省14个城市环境空气中的PM10和PM2.5平均值呈一致变化趋势：在除夕00:00—17：00的环境空气质量总体保持稳定；从18:00开始，PM10和PM2.5的值逐渐升高，初一00:00—02：00为陡增阶段，并于初一上午出现2个较为明显的峰值。ρ(PM10)最大峰值出现在初一03:00，为537.1 μg/m3，升幅高达207.4%(以除夕18：00值为基准)；之后持续约6 h并一直处于较高浓度，且在初一09:00达到第二个峰值461.6 μg/m3。PM2.5最大峰值出现在初一04：00，为375.6 μg/m3，升幅高达290%(以除夕18:00值为基准)，之后持续约4 h并一直处于较高浓度水平，且在初一08:00达到第二个峰值339.4 μg/m3。ρ(SO2)变化和颗粒物的浓度变化规律有一定类似，除夕00：00—23：00其值基本保持稳定，且一直处于较低水平(9.9～29.5 μg/m3)，其值在初一00：00—01：00为陡增阶段，01：00出现峰值，为163.6 μg/m3，升幅高达456.5%(以初一00：00值为基准)，之后其值迅速下降。次峰出现在初一09:00，为64.6 μg/m3。

O3分别在除夕15：00和初一16:00达到峰值90.9 和82.9 μg/m3，但整体波动比较平缓，且ρ(O3)的升降与颗粒物的浓度变化规律呈现较为相反的状态，在初一00：00—02:00，此时为ρ(颗粒物)陡增阶段，ρ(O3)反而逐渐下降，且之后持续7 h一直处于低值(19.6～30.4 μg/m3)，表明集中燃放烟花爆竹并不会导致近地面ρ(O3)的增加。而NO2则一直维持在低浓度水平，其值为13.7～39.3 μg/m3，远低于国家标准限值，表明集中燃放烟花爆竹也不会产生较明显的NO2污染。

污染物逐时浓度变化规律显示，除夕18：00，按传统习俗正是开始吃团圆饭的时候，烟花爆竹燃放量开始逐步增加，PM10、PM2.5值相应呈上升趋势，但ρ(SO2)未发生明显变化；初一00：00是“辞旧岁，迎新年”的关键节点，也是烟花爆竹燃放最集中的时段，而此时的ρ(SO2)在1 h内就从29.4 μg/m3骤升至最大峰值163.6 μg/m3，升幅高达456.5%，之后迅速下降；PM10、PM2.5值也在00:00—02:00出现剧烈的攀升，但直至初一03：00和04:00才分别达到最大峰值。峰值出现的时间比烟花爆竹集中燃放时间略有滞后，且PM10、PM2.5值一直保持在高值，表现出一定的累积效应。初一09:00，PM10、PM2.5和SO2值均达到第2个小高峰，这与初一早上“开财门”燃放烟花爆竹的习俗吻合。

综上所述，烟花爆竹的集中燃放短时间内对ρ(SO2)的骤升有明显影响，但从累积效应来看，受燃放影响最明显的是PM10和PM2.5，而NO2和O3受燃放烟花爆竹的影响不大。

2.2.2 相关性分析

鉴于集中燃放烟花爆竹只对PM2.5、PM10和SO23项污染物的浓度产生明显影响，分别对其进行两两相关性分析，结果详见图3(a)(b)(c)。

图3 2017年除夕至初一期间SO2和PM2.5、SO2和PM10、PM2.5和PM10的相关性分析

由图3可见，除夕至初一期间，PM2.5和PM10的相关系数R为0.99，可见，PM2.5和PM10呈现高度正相关性，表明集中燃放烟花爆竹时会导致ρ(PM10)急剧增加，同时ρ(PM2.5)也随之迅速增高，两者存在极好的同步性。而SO2和PM2.5以及SO2和PM10的相关性研究表明，其也具有较好的正相关性，相关系数R分别为0.56和0.59，说明集中燃放烟花爆竹在导致ρ(PM2.5)、ρ(PM10)迅速升高的同时，ρ(SO2)也会有所升高，但SO2与PM2.5和PM10之间的同步性较差。究其原因，主要是由于SO2是气态分子，受分子运动和空气流动的影响，扩散较快，污染持续时间相对较短；而PM2.5和PM10是颗粒物，其粒径远远大于SO2，所以扩散较SO2缓慢得多，污染持续时间相对较长[11]，因此，集中燃放期间，ρ(SO2)变化与ρ(PM2.5)、ρ(PM10)变化有差异。

2.3ρ(PM2.5)、ρ(PM10)变化规律

2.3.1ρ(PM2.5)/ρ(PM10)

ρ(PM2.5)/ρ(PM10) 是反映颗粒物来源与贡献的重要指标。由图4可见，全省所有监测站点PM2.5和PM10逐小时平均值的ρ(PM2.5)/ρ(PM10) 为0.52～0.78，表明除夕至初一期间，主要颗粒污染物是PM2.5。

图4 2017年除夕至初一期间PM2.5和PM10逐时值和比值变化

从逐时值变化来看，除夕00:00—17：00，ρ(PM2.5)/ρ(PM10) 出现了短时升高和逐渐降低的一个过程。在这期间，PM2.5值基本保持稳定，是PM10先出现小幅下降然后缓慢上升所致，这主要与本地污染累积有关。

除夕夜18：00开始，烟花爆竹燃放量开始增加，ρ(PM2.5)/ρ(PM10) 也开始逐步上升，表明烟花爆竹的燃放对PM2.5值的上升有显著影响；烟花爆竹集中燃放时段为初一00：00—01：00，此时ρ(PM2.5)/ρ(PM10) 最大为0.69，而最高比值出现的时间在初一06:00(0.76)，可能是因为颗粒物扩散滞后的结果；初一07:00—23：00，ρ(PM2.5)/ρ(PM10) 呈小幅波动但基本保持稳定，表明PM2.5和PM10的变化趋势大致相同。

2.3.2 对城市PM10和PM2.5值的最大贡献量和最大增长倍数分析

将除夕17:00的值看作未受烟花爆竹影响的基准值，除夕至初一时段内的小时峰值看作受烟花爆竹影响最严重时的小时值数据，分析烟花爆竹燃放对PM2.5和PM10小时值的贡献，结果见表1。由表2可见，2017年除夕至初一期间烟花爆竹的燃放对全省14个城市PM10小时值的贡献量在195～652 μg/m3，其中对株洲市的贡献量最高；对PM2.5小时值的贡献量在116～680 μg/m3，其中对岳阳市的贡献量最高。表明燃放活动能够导致PM10和PM2.5的小时值显著升高，造成空气严重污染。

表1 2017年除夕至初一烟花爆竹燃放对14个城市PM10和PM2.5小时值贡献量测算结果 μg/m3

将除夕17：00的值看作未受烟花爆竹影响的基准值，同除夕至初一时段内各城市的PM10和PM2.5小时峰值对比见图5(a)(b)。由图5可见，14个城市的ρ(PM10)分别增高1.8～10.5倍，ρ(PM2.5)分别增高2.2～15.8倍。郴州的城市环境空气质量一直较好，基准浓度值相对最低，燃放烟花爆竹产生的影响大，所以其值增幅最大。

图5 除夕至初一14个城市PM10、PM2.5小时峰值和增长倍数

3 除夕至初一期间PM2.5和PM10 值暴增的原因

春节期间，ρ(PM2.5)在ρ(PM10)中占比有所变化，主要是受生活影响的程度增加，尤其受不利气象条件限制，加剧了污染程度。

3.1 烟花爆竹集中燃放

27—28日大年初一凌晨为烟花爆竹燃放的集中时段，湖南省是烟花爆竹燃放最为严重的区域之一，烟花爆竹燃放指数高，在极不适于燃放烟花爆竹的条件下(图6和图7，来源于中央气象台官网发布和中国环境监测总站下发的预报产品)，大量燃放烟花爆竹加重了全省空气污染程度，使全省的城市空气质量从良-轻度污染急剧加重为重度-严重污染。

3.2 不利气象条件

3.2.1 近地面风速小，不利于本地污染物扩散

湖南省位于北纬30°08′—24°38′，东经108°47′—114°15′之间。2017年1月27日—28日10 m风场和2 m温度见图8,(a)(b)(c)(d)为27日，(e)(f)(g)(h)为28日 。由图8可见，27日全天省内由微风转为以弱北风为主；28日上午为微风，至28日下午湘东转为弱南风。总体而言，除夕至初一期间，近地面以微风或无风为主，天气形势整体静稳，无明显的外来污染物输入，但也不利于污染物水平扩散。

图6 大年初一全国烟花爆竹燃放气象指数

图7 大年初一01:00 ρ(PM2.5)与气象场空间分布

图8 2017年1月27—28日 10 m风场和2 m温度

3.2.2 夜间逆温层加强，促进了大气污染物聚积

图9为2017年1月27—28日全省逆温图,(a)(b)为27日，(c)(d)为28日，黑色线为1 000和925 hPa的温度差值，差值为负值则存在贴地逆温；蓝色线为850和700 hPa的温度差值，红色线为925和850 hPa的温度差值。由图9可见，除夕白天(27日)，全省几乎无贴地逆温影响。初一(28日)凌晨至下午，湘东及湘南大部分地区均出现了较强逆温，混合层高度较低，不利于污染物的垂直扩散。

图9 2017年1月27—28日全省逆温图

3.2.3 相对湿度较大，有利于污染物吸湿增长

图10为2017年1月28日08:00和20:00地面相对湿度情况。28日08：00，全省西部地区相对湿度为60%～80%；东半部相对湿度较大，为80%～100%，十分有利于污染物的吸湿增长。直至28日夜间，全省相对湿度才明显降低。

3.2.4 降水条件差，不利于污染物的清除

图11为2017年1月27—28日湖南省逐6 h降水量分布情况,(a)(b)(c)(d)为27日，(e)(f)(g)(h)为28日。除夕至初一，全省除西北部地区出现0.1～1 mm零星小雨外，基本未出现有效湿沉降，不利于大气污染物被雨水冲刷清除。

图11 2017年1月27—28日全省降水量

4 结论

(1) 2017年除夕至初一，集中燃放烟花爆竹对湖南省14个城市环境空气质量造成了严重影响，除夕当天城市空气质量以轻-中度污染为主，但烟花爆竹集中燃放后，初一当天全省有11个城市为重度污染和严重污染；

(2) 烟花爆竹的燃放可以导致空气中的PM10、PM2.5、SO2等污染物值上升，其中对PM10和PM2.5的影响最为显著，对ρ(SO2)也有较明显的影响，而NO2和O3几乎不受影响；

(3) 烟花爆竹集中燃放时段，颗粒物会在短时间内出现峰值，但峰值出现的时间比集中燃放时间略有滞后，显示出一定的累积效应；而SO2峰值正好为烟花爆竹燃放时期，之后其值迅速下降；

(4) 集中燃放烟花对PM10和PM2.5小时值贡献明显，对全省14个城市PM10和PM2.5小时值最大贡献量分别为195～652 和116～680 μg/m3；最大增高倍数分别为1.8～10.5倍和2.2～15.8倍。其中对郴州市的影响程度最高；

(5) 气象条件对空气质量和污染物浓度的变化有重要影响。风速小、逆温强、湿度大和无降水等不利气象条件使污染物浓度不断累积，形成持续性污染过程。

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AirQualityCharacteristicsinHu’nanProvinceduringSpringFestivalin2017

ZHANG Qin1,2，LIU Yan- yan1,2，PENG Qing- qing1,2，LI Wei3，LUO Yue- ping1,2，ZENG Yu1,2，FAN Fan1,2

(1.Hu’nanEnvironmentalMonitoringCenter，Changsha,Hu’nan410019，China；2.NationalEnvironmentalProtectionKeyLaboratoryofHeavyMetalPollutionMonitoring，Changsha,Hu’nan410019，China；3.Hu’nanMeteorologicalObservatory，Changsha,Hu’nan410118，China)

10.3969/j.issn.1674- 6732.2017.05.011

X513

B

1674-6732(2017)05-0045-07

2017-04-18；

2017-05-06

环保部公益性行业科研专项基金资助项目(201509019)；湖南省社科基金重大招标基金资助项目(14DA12)

张琴(1986—)，女，工程师，硕士，主要从事空气质量监测与预报工作。