2020年- 2023年春节期间重庆城区空气质量对比研究

熊桂洪　赵洁　余家燕　许丽萍　刘芮伶

摘要：为明晰实行烟花爆竹管控措施后重庆城区空气质量变化成因，文章基于PM2.5质量浓度、PM2.5组分及气象观测数据，对比分析了2020年- 2023年春节期间重庆城区污染物浓度变化趋势。结果表明，气象条件对于燃放高峰期和春节期间大气污染物浓度具有重要影响。春节期间PM2.5主要来源为二次源、机动车尾气、工业排放、烟花爆竹和生物质燃烧、扬尘源。2023年新冠疫情“乙类乙管”后经济复苏，机动车尾气、工业等排放增加，叠加烟花爆竹燃放影响，在气象不利条件下，春节期间PM2.5出现明显反弹。

关键词：烟花爆竹；春节期间；空气质量；组分特征；重庆

中图分类号：X51 文献标志码：B

前言

烟花爆竹的短时燃放会排放大量污染物，造成空气质量的急剧恶化。研究表明，烟花爆竹燃放对大气中PM2.5、PM10、SO2影响明显，对于春节期间PM2.5的贡献可超过20%。烟花爆竹禁限放区域的科学划定对于空气质量整体改善效果明显，同时禁放区空气质量仍受到周边非禁放区烟花爆竹燃放影响，例如安徽省2022年春节期间受不利气象条件及烟花爆竹燃放叠加影响，出现颗粒物浓度峰值较高、影响范围较广的持续污染过程。

四川盆地地形气候特殊，内源型复合大气污染特征显著，为中国污染较为严重的区域之一，在中国区域社会经济建设大背景下，研究四川盆地大气污染特征意义重大。重庆城区位于四川盆地东部，是四川盆地两个超大城市之一。为持续改善空气质量，重庆城区于2019年开始实行城区绕城高速以内烟花爆竹禁放。针对重庆城区春节期间空气质量研究，目前尚无烟花爆竹管控之后城区空气质量的对比及来源分析。研究根据2020年- 2023年重庆城区空气质量、PM2.5化学组分和气象观测数据，系统梳理分析了近年来重庆城区春节期间大气污染物质量浓度、组分及来源，对2023年春节期间污染成因作出分析，以期为后疫情时代大气污染防治提供科学参考。

1 研究概况

1.1 数据来源

大气污染物质量浓度及PM2.5组分质量浓度数据来自位于重庆城区的大气超级站，该点位能够较好的代表中心城区大气污染特征。水溶性离子来自S611型在线气体与气溶胶成分监测仪（IGAC），有机碳和元素碳来自Model4在线OC/EC监测仪（美国Sunset），金属来自AMMS - 100大气金属分析仪。为保证数据质量，根据国家标准要求，定期开展仪器流量检查、切割头清洗、标准曲线绘制等质量保证和控制工作。

观测时间为2020年- 2023年腊月廿九0时至正月十五23时，其中大年三十至十五为春节期间，基于重庆本地烟花爆竹燃放习俗定义腊月廿九0时到三十18时为燃放高峰前，三十19时到初一11时为燃放高峰期。

1.2 研究方法

采用正定矩阵因子分解（Positive Matrix Factori-zation，PMF）模型进行PM2.5来源解析，其通过最小二乘法确定PM2.5中主要来源及其贡献，计算方法为式（1）：

X = G×F+E 式（1）

式（1）中，X为受体点位样品PM2.5组分质量浓度矩阵，G是源贡献矩阵，F是源成分谱矩阵，E是残差。

2 结果与讨论

2.1 空气质量及气象条件对比

重庆城区2020年- 2023年春节及燃放高峰期大气污染物质量浓度整体水平如图1所示。春节期间，重庆城区PM10、SO2、O3和CO稳定达到《环境空气质量标准》（GB 3095 - 2012）二级标准，其中SO2浓度持续保持在低位，与近年来重庆城区优化产业结构，推进燃煤锅炉、电厂环保搬迁有关。2023年PM2.5、NO2质量浓度超过CB 3095 - 2012二级标准，分别超过国家标准限值22.7%和40. 0%，2023年春节期间空气质量为近年来同期最差。燃放高峰期PM10、SO2、NO2、O3和CO达到国家二级标准，2023年PM2.5超过国家二级标准，超过比例为42.7%。烟花爆竹燃放对颗粒物影响明显，故PM2.5浓度升高出现超标，2023年春节期间NO2浓度出现超标，反映了期间较高的交通和工业排放。

燃放高峰期PM2.5浓度相较燃放高峰前比较，一般而言，燃放高峰期受到烟花爆竹燃放影响，燃放高峰期PM2.5浓度高于燃放高峰前（2021年- 2023年）。然而，2020年燃放高峰期浓度却低于燃放高峰前，其原因为2020年燃放高峰期受到冷空气作用，风速最大（1.9 m·s-1）、降雨明显（3.2 mm）（如表1所示），气象扩散形势良好，导致2020年燃放高峰期PM2.5浓度未出现突升，2020年燃放高峰期PM2.5浓度为2020年- 2023年同期最低（PM2.5浓度仅为28 μg·m-3），甚至低于燃放高峰前和春节期间，说明气象条件对于燃放高峰期大气污染物浓度具有重要影响，在冷空气、降雨等明显气象清除作用下燃放高峰期PM2.5浓度可低于燃放高峰前。

春节期间较燃放高峰期比较而言，2020年和2023年春节期间PM2.5浓度高于燃放高峰期，2020年燃放高峰期较强的气象清除条件导致PM2.5浓度基数较低，春节中后期气象条件偏差，从而导致2020年春节期间整体PM2.5浓度高于燃放高峰期。2023年为新冠疫情“乙类乙管”后的首个春节，周边区域烟花爆竹燃放频发，燃放高峰期PM2.5绝对浓度为近年来同期最高，然而春节期间重庆城区小风频率较高，边界层高度较低，持续无有效冷空气或降雨等气象清除条件（累计降雨量仅0.2 mm），污染物浓度长时间保持在70 μg·m-3以上，导致污染频发，2023年春节期间PM2.5整体浓度甚至高于受烟花爆竹燃放影响最直接的燃放高峰期，以上说明气象条件对于春节期间大气污染物浓度影响极大，在较差的气象条件下（持续无有效冷空气和降雨、小风等）春节期间PM2.5浓度可高于燃放高峰期。

2.2 PM2.5组分特征分析

烟花爆竹燃放的主要指示组分有K、K+、Cl-、Mg2+、Ba等，因此文章采取以上组分之和进行后续分析。燃放高峰期PM2.5组分对比而言，2020年- 2023年重庆城区PM2.5中烟花爆竹燃放相关组分占比之和达到19.1%- 36. 7%，为PM2.5中浓度最大或次大的组分，其中2022年烟花爆竹相关组分为当年浓度占比最大的物种，其余年份为浓度占比第二大物种，说明烟花爆竹燃放是燃放高峰期影响PM2.5浓度的首要因素。年际对比而言，燃放高峰期烟花爆竹相关组分浓度对比为：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年烟花爆竹相关浓度最高，2020年最低。

针对春节期间，烟花爆竹相关组分的浓度变化为：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年烟花爆竹相关组分在燃放高峰期浓度不及2022年的情况下（2023年燃放高峰期浓度偏低2022年燃放高峰期浓度36.8%），春节期间烟花爆竹相关组分偏高2022年71. 7%，同时2023年春节期间烟花爆竹相关组分浓度也明显高于2020年-2021年，表明2023年春节期间在无明显气象清除条件，同时周边区域烟花爆竹“多点”燃放下，烟花爆竹相关污染在空气中长时间滞留，是2023年春节期间污染较重的重要原因之一。春节期间烟花爆竹相关组分占比而言，2022年占比最高，为13. 6%，2021和2023年相当，为11. 3% - 11. 9%，2020年最低，为10. 6%，2023年烟花爆竹相关组分占比略低于2022年，表明2023年除烟花爆竹等污染源外，其他源排放仍有较强排放，从而导致2023年烟花爆竹相关组分浓度高于2020年- 2022年，但是其占比未明显高于2020年- 2022年。对2023年深入分析发现，2023年春节期间NO2浓度出现超标，NO2浓度偏高2020年- 2022年64. 7% - 211. 1%，PM2.5中NO3 -浓度和占比也为2020年- 2023年最高，说明2023年在不利气象条件下，交通、工业等排放对2023年PM2.5的贡献较为强烈，2023年春节期间的污染为不利气象条件下，较强的本地污染源排放，叠加周边烟花爆竹燃放导致。（见图2及图3）

进一步采用比值法对PM2.5来源进行了示踪分析。首先，SO2-4/K+质量浓度比值可用于侧面反映污染主要来自于烟花爆竹燃放源还是生物质燃烧源。如表2所示，2020年- 2023年，燃放高峰期SO2-4/K+比值为1.3 -3.5，与西安、保定烟花爆竹燃放中SO2-4 -/K+比值2.9和2.4 -3.4接近，低于秸秆燃烧中的观测比值4. 6，所以燃放高峰期K+主要来自于烟花爆竹燃放。其次，NO-3与SO2-4比值（N/S）可用于指示机动车还是燃煤源影响，有研究表明机动车排放的N/S值约8-13，而燃煤锅炉等排放N/S值约0.5。2020年- 2023年春节期间，重庆城区N/S比值为0.8-1.4，其中2020年N/S值小于1，为0.8，表明2020年更多可能受燃煤源影响，2023年N/S最大（N/S比值为1. 4），再次验证2023年春节期间受机动车排放影响更明显。

2.3 PM2.5来源解析

运用PMF方法，对2020年- 2023年春节期间PM2.5进行来源解析分析，结果如图4所示，春节期间重庆城区PM2.5主要来源为二次源、机动车尾气、工业排放、烟花爆竹和生物质燃烧、扬尘源，占比分别为33. 9% - 43. 80%、23. 3% - 29. 8%、12.1%- 23.1%、6.9%-11.7%、3. 9% -8.8%。其中各年均为二次源贡献最高，其次为机动车尾气和工业排放，烟花爆竹和生物质燃烧源各年贡献存在差异，2020年贡献相对较低，贡献比例为6. 9%，原因为2020年燃放高峰期附近存在明显的气象清除作用，烟花爆竹污染及时得到有效清除，叠加春节期间为疫情管控期间，整体排放较小，从而2020年贡献最小；2022年贡献比例最高（11.7%），与燃放高峰期较高的浓度和占比相对应，说明2022年周边区域较高的烟花爆竹排放；2023年烟花爆竹和生物质燃烧源贡献比例为2020年- 2023年次高，但是机动车尾气源贡献为2020年- 2023年最大，贡献比例达到29.8%，工业排放源占比也为2021年- 2023年最大，2023年由于疫情管控政策调整，加之社会经济逐步复苏，污染排放不可避免增加，从而导致了机动车尾气、工业排放等较高的贡献，PM2.5浓度出现明显反弹。

3 结论

2020年- 2023年春节期间，重庆城区SO2、CO、O3、PM10质量浓度稳定达到国家二级标准，2023年PM2.5、NO2质量浓度超过国家二级标准限值22.7%和40. 0%。气象条件对于燃放高峰期和春节期间大气污染物浓度具有重要影响。2020年燃放高峰期受到冷空气和降雨作用气象扩散形势良好，燃放高峰期PM2.5浓度低于燃放高峰前。2023年春节期间持续无有效冷空气或降雨等气象清除条件，小风频率较高（小风频率59.6%），导致2023年春节期间PM2.5浓度甚至高于燃放高峰期。2020年- 2023年春节期间重庆城区PM2.5主要来源为二次源、机动车尾气、工业排放、烟花爆竹和生物质燃烧、扬尘源。2023年机动车尾气、工业等排放增加，叠加烟花爆竹燃放影响，春节期间PM2.5明显反弹。

基金项目：重庆市科研机构绩效激励引导专项（No.cstc2021jxj120006）；重庆市技术创新与应用发展专项重点项目（No. CSTB2022TIAD - CUX008）