大气污染特征与组分分析

肖童觉 彭庆庆 潘海婷 张琴 李蔚

摘要：利用湖南省14個市州的78个城市环境空气自动监测站主要污染物（PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3）浓度以及力合科技组分站数据、省气象台气象资料，对2019年除夕至初一期间（2月4日—5日）进行了分析。结果表明，除夕期间烟花爆竹的燃放对空气污染物浓度短时间内有非常大的贡献，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的小时值最大增长倍数分别为2.4倍和1.0倍。长沙组分站数据分析中，氯离子浓度上升了约15倍，硫酸根离子浓度上升了约5倍，钾离子浓度上升了约14倍，镁离子浓度上升了约6倍。其中对娄底市的影响程度最高。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。2019年除夕（2月4日）上午，全省14个市州城市的空气质量总体良好，但由于受烟花爆竹的集中燃放影响，大部分城市的环境空气质量在除夕当天下午5时后迅速转差，发生了区域性的大气重污染过程。

关键词：除夕;春节;空气质量;烟花爆竹;湖南;颗粒物;气象条件

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：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

大气污染物是一种来自自然源和认为源的复杂混合成分，受我国传统习俗影响，大量烟花爆竹的使用，会使空气质量在短时间内发生较大的波动，许多日常的工业和交通源排放锐减，而烟花爆竹燃放成为一种主要的短时集中且较为强烈的人为活动源，空气中各污染物浓度也呈现明显变化。相关研究表明，春节期间的烟花爆竹燃放是认为排放气溶胶的主要来源，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PM2.5和PM10浓度分别可达平时的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2019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 数据来源和方法

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二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、细颗粒物（PM2.5）和可吸入颗粒物（PM10）6项主要污染物进行24小时全自动连续监测，采样口高度距地面3～25m。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10m风场和2m温度、逐6h降水、逆温、地面相对湿度图;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PM2.5浓度与气象场空间分布图。

采用统计法分析湖南省2019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、组分站离子与颗粒物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 除夕至初一环境空气质量状况

2019年除夕当天，全省14个市州城市中，湘潭、株洲、长沙、岳阳、衡阳、常德、益阳和永州等8个城市的空气质量为轻度污染，其他6个城市为良。除夕晚上至初一期间，居民集中燃放大量的烟花爆竹，全省空气质量明显转差，初一当天3个城市出现重度污染，分别为湘潭、株洲和长沙;8个城市出现中度污染，分别为岳阳、常德、衡阳、娄底、湘西、邵阳、益阳和永州;郴州为轻度污染，怀化和张家界为良。期间，湘潭为全省空气质量最差城市，详见图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，全省城市空气质量较2018年同期相比整体有所好转。除夕至正月初一，全省PM2.5和PM10平均浓度分别为102和145μg/m3，比2018年春节同期分别下降16.4%和12.7%。

2.2 污染评价因子变化特征

2.2.1 除夕至初一逐时浓度变化特征

由图2可见，2019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0：00—16：00的环境空气质量总体保持稳定;除夕上午6时，PM2.5浓度开始出现升高，至初一上午5时，PM2.5浓度逐渐回落，表明污染进入削减阶段。基于这个变化过程，除夕上午6时可视为PM2.5、PM10的初始浓度，全省均值分别为55μg/m3和115μg/m3，初一上午5时为PM2.5、PM10的污染高峰浓度，全省均值分别为186μg/m3、234μg/m3。两者比较，受烟花爆竹集中燃放影响，全省平均PM2.5、PM10浓度分别升高了2.4倍、1.0倍。尤其是娄底市初始PM2.5浓度较低，为27μg/m3，燃放鞭炮期间，PM2.5小时浓度峰值达293μg/m3，升高了9.8倍。常德市的PM2.5小时浓度峰值为全省最高，达317μg/m3，较初始值也升高了5.7倍。由此可见，烟花爆竹集中燃放引起的PM2.5浓度增幅很大，成为该时段城市环境空气质量下降的主要贡献源。

2.2.2 长沙市烟花爆竹燃放与PM2.5浓度关系研究

为进一步确定PM2.5浓度与烟花爆竹燃放之间的关系，调取了位于长沙高新区的力合科技园区大气组分站监测数据。从PM2.5主要组分在线监测的结果可以看出，在烟花爆竹集中燃放的时段（除夕夜间至初一凌晨），PM2.5中氯离子、硫酸根离子、钾离子和镁离子的浓度均出现明显上升。与非燃放时段（取2月4日0–18时平均值作为基准）相比，氯离子浓度上升了约15倍，硫酸根离子浓度上升了约5倍，钾离子浓度上升了约14倍，镁离子浓度上升了约6倍。氯离子、硫酸根离子和钾离子等常被作为烟花爆竹的特征示踪组分，因此可以说明烟花爆竹的燃放对PM2.5浓度的上升起到了至关重要的影响。PM2.5组分分析结果反映烟花爆竹的集中燃放会导致空气质量迅速转差。

图5为腊月廿九与除夕至正月初一的水溶性离子占比图。从图中可知，腊月廿九占比较高的水溶性离子分别为硝酸根离子、铵根离子、硫酸根离子、钾离子、氯离子，该5种离子具体占比分别为33.54%、29.68%、27.44%、4.09%、2.41%。除夕至初一，占比较高的水溶性离子分别为硫酸根离子、硝酸根离子、铵根离子、钾离子、氯离子，占比分别为32.65%、20.32%、16.64%、16.37%、10.46%。对比两者发现，烟花爆竹的集中燃放显著改变PM2.5中的水溶性离子组成和占比，烟花爆竹的燃放对PM2.5浓度的影响不容小觑。

图6、图7和图8分别为2018年和2019年除夕夜间PM2.5浓度变化趋势对比图和硝酸根离子、硫酸根离子、钾离子、镁离子浓度变化趋势图。从PM2.5浓度变化趋势图可知，PM2.5浓度均在初一凌晨3时达到最高值，对应的氯离子、硫酸根离子、钾离子和镁离子浓度也在同一时间段左右达到最高值，相关性明显。对比3张图可发现，该站点2019年PM2.5、硝酸根离子、硫酸根离子、钾离子、镁离子浓度均低于2018年。