不同气象条件下常州市春节空气质量及爆竹燃放对PM2.5浓度贡献分析

赵亚芳 李春玉 叶 香 何 涛

(江苏省常州环境监测中心，江苏 常州 213001)

春节期间燃放烟花爆竹是我国的传统习俗，烟花爆竹的燃放会释放大量的SO2、颗粒物、重金属以及有毒有机物，对SO2、颗粒物和NO2浓度增加有明显影响，从而导致空气质量在短时间内迅速恶化，危害人体健康[1-3]。国内外已对烟花爆竹的影响开展了系列的研究。例如，李令军等[4]研究了北京市春节期间空气污染特征。Wang等[5]发现北京烟花燃放造成PM2.5和PM10浓度可以达到平时的4～6倍。为定量评估烟花燃放对PM2.5浓度的贡献，王哲等[6]基于北京市监测数据，提出了定量估算烟花燃放对大气PM2.5影响的污染物相对比值法。赵伟等[7]应用相对比值法估算了珠三角烟花爆竹燃放对空气质量的影响。

春节期间空气质量除与污染源排放有关，气象条件的影响也较显著[8-9]。马小会等[10]研究了2006-2014年春节期间烟花爆竹燃放和气象条件对北京市空气质量的影响。张小玲等[11]、李尉卿等[12]研究发现，气象条件仍是影响春节期间整体空气质量的主要因素，特别是持续高浓度污染主要与小风、逆温、高湿等不利污染物扩散的稳定天气有关。

常州市位于江苏省南部、长江下游南岸，属长江三角洲中心地带，沪宁线中点。由于经济、城市建设和人口的快速发展，城市环境空气质量面临严峻的挑战，PM2.5成为秋冬季节首要污染物。本文基于常州市2013-2019年连续观测数据分析春节期间不同等级空气质量的气象背景、污染物浓度变化特征，并采用相对比值法定量估算烟花爆竹燃放对颗粒物浓度的贡献，从而为春节期间大气污染防治方案提供必要的决策支持。

1 材料与方法

常规污染物数据和气象数据来自江苏省常州环境监测中心国控站(31.45°N，119.57°E)，污染物种类包括：PM2.5、PM10、NO2、SO2、CO和O3，气象资料包括对污染物影响较大的风速、温度和相对湿度。资料时段为2013-2019年春节前后(腊月二十二-正月十五)逐小时和逐日数据。其中，定义腊月二十二-腊月二十九为春节前期，除夕-正月初七为春节期间，正月初八-正月十五为春节后期。

观测站点与最近的城市道路水平距离约200 m，500 m内无明显工业源，交通源和生活源对其有一定影响。观测位置如图1所示，图中不同色块代表常州各辖市区，其中黄色为各辖市区主城区。

图1 监测站点位置

2 结果与分析

2.1 春节期间空气质量整体情况

从近7年春节前后空气质量(图2)看出，2014年春节前和春节期间的空气质量最差，春节期间有3天重度污染，2017年春节期间空气质量最好，以优良天为主。除夕和正月初一为爆竹燃放最为密集的时段，大量污染物集中排放易引起空气质量迅速恶化，其中2013年和2014年为重度污染，2016年为轻度污染和中度污染，2018年和2019年为良和轻度污染，2015年和2017年为优良。根据除夕和正月初一的空气质量情况，选2014年、2016年和2017年分别代表重度污染、轻度至中度污染和优良这三种空气质量情况，分析不同空气质量形成的气象背景以及空气质量变化过程，并采用相对比值法定量估算爆竹燃放对PM2.5浓度的贡献。

图2 2013-2019年春节期间常州市空气质量变化

2.2 春节前后气象条件的影响

图3、图4给出了2014、2016和2017年研究期间的风速、温度和相对湿度等气象要素及除夕20:00的高空与地面天气图(来源：http://222.195.136.24/forecast.html)。2014年腊月二十三至腊月二十五PM2.5持续3天污染，期间平均风速为1.4 m/s，相对湿度为44.5%，气温为8.9℃。自腊月二十八起地面高压入海，形成持续稳定的均压场，大气扩散条件不利，表现为高温、高湿、低风速的气象特征。除夕20:00高空环流偏平直，常州市处于偏西气流控制中，近地面为偏东气流，相对湿度在80%左右，风速约1 m/s，PM2.5浓度每小时最大升高约150 μg/m3。正月初一风速略有增加，但PM2.5浓度下降后在10:00呈现升高趋势。由此可知风速增加不一定改善大气扩散条件，而随着边界层高度抬升垂直湍流交换可能增加污染物浓度，延长污染时间。正月初三起，受西路冷空气南下影响，最大风力达到4.5 m/s，有利于污染物水平扩散，空气质量好转。

图3 春节期间气象参数变化特征

2016年腊月二十五起常州市在高压底部弱气压场控制下，PM2.5浓度持续4天达到污染水平，期间平均风速为1.2 m/s，相对湿度为56.6%，气温为3.1℃。除夕20:00高空为西北气流，地面受L型高压控制，相对湿度约36.0%，风速约0.6 m/s，空气质量在爆竹燃放时段为轻度-中度污染，凌晨时达重度污染。正月初四起地面倒槽和冷锋系统使得雨水天气较多，大气扩散条件整体较好，空气质量维持在良。

2017年春节前期受高压和地面冷空气影响，大气扩散条件较好，空气质量以良为主。除夕20:00高空西北冷平流强，相对湿度约60%，地面风速约2 m/s，爆竹燃放期间PM2.5峰值浓度96 μg/m3，没有形成持续性的污染。正月初八起，在鞍型场控制下，风速减小至0.5 m/s，相对湿度增加至64.0%，空气质量变差。

对比3个年份除夕天气形势和气象要素发现，2014年相对湿度最高，污染程度最为严重；2016年风速最小，污染时间最长；2017年风速最大，大气扩散条件最为有利。表明天气静稳时，相对湿度对污染生成影响较大，此外，若风速低于1.5 m/s且增加幅度小，可能因湍流交换作用而延长污染时间。

图4 2014、2016、2017年除夕夜20:00天气图(左：500hPa天气图，右：地面天气图)

2.3 除夕夜烟花燃放对污染物浓度的影响

从图5看出，在除夕夜爆竹集中燃放期间SO2、PM10、PM2.5浓度迅速上升，NO2上升幅度较小，O3则有下降的趋势，CO浓度变化较小。各污染物变化情况与谢瑞加等[13]研究结果相似，表明爆竹集中燃放是空气质量恶化的主要原因。不同气象条件下，各污染物变化幅度存在差异，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年除夕各污染物变化幅度最小。

图5 春节期间污染物浓度变化特征

2.4 除夕夜爆竹燃放对PM2.5浓度影响的定量评估

采用相对比值法[6]，取CO作为参考标准污染物，定量评估爆竹燃放对PM2.5浓度的贡献。计算公式为：

(1)

(2)

各年份非燃放时段各污染物与CO浓度的相关系数见表1。除O3与CO呈负相关，其余污染物均与CO呈正相关关系，其中PM10、PM2.5与CO的相关系数最高，近7年均稳定在0.6～0.8之间。NO2与CO相关性也较好。不同年份SO2与CO的相关性差异大。由此可见，采用相对比值法估算PM2.5浓度具有一定的参考价值。

图6结果显示，在除夕非集中燃放时段12:00-18:00，2014年和2016年估算浓度与实测浓度接近，表明估算效果较好。2014年若无爆竹燃放PM2.5浓度在150～200 μg/m3，贡献时间从18:00～4:00，时长为8小时，贡献量在20时达到峰值，约377 μg/m3。

表1 春节期间非燃放时段污染物与CO浓度相关系数

图6 除夕夜爆竹燃放对PM2.5浓度的贡献

2016年由于爆竹燃放，共出现三个贡献峰值，第一个峰值出现的时间与2014年一致，在20:00左右，贡献量为147 μg/m3，另两个峰值出现在00:00和7:00，贡献量分别为316 μg/m3和178 μg/m3，贡献时间从18:00～08:00，长达14小时。

2017年，春节前PM2.5背景浓度低，由于大气扩散条件好，爆竹燃放对PM2.5浓度的影响并不显著，在20:00和00:00贡献量达到峰值，约70 μg/m3。2017年PM2.5估算浓度明显高于实测浓度，这可能是由于冷空气较强，风速高，CO浓度受气象条件影响波动较大，从而产生了较高的估算误差。

3 结论

基于江苏省常州环境监测中心国控站的数据，分析了近7年不同气象条件下春节期间空气质量变化特征及爆竹燃放对污染物浓度影响，主要得到以下结论：

(1)春节期间爆竹燃放排放的污染物，其扩散传输和转化主要依赖于天气形势和气象条件。总体而言，均压场下高湿、高温和低风速等气象条件有利于污染生成和持续。在区域污染情况下，若风速低于1.5 m/s且增加幅度小，随着边界层高度抬升垂直湍流交换可能使污染时间延长。

(2)爆竹燃放对不同污染物浓度影响存在差异。在各气象条件和污染背景下，爆竹燃放对SO2、PM10和PM2.5浓度影响最显著，其中PM2.5浓度每小时最大可升高150 μg/m3。NO2浓度升高幅度相对较小，O3则有降低的趋势，CO受烟花爆竹影响较小。

(3)在天气系统稳定时，根据相对比值法可较好地估算出爆竹燃放对PM2.5浓度贡献。总体而言，在高污染和不利气象条件背景下，其贡献量可达300 μg/m3以上，是当日非燃放时段平均浓度的2～4倍，且贡献时间长达8～14小时；在低浓度背景且扩散条件有利时，烟花爆竹对空气质量影响相对较小，贡献量约70 μg/m3。爆竹燃放对PM2.5贡献峰值主要出现在20:00、0:00和7:00。