春節(jié)燃放煙花爆竹對(duì)西安空氣質(zhì)量的影響

黃少妮，屈麗瑋，姚 靜，胡 皓，劉瑞芳

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

春節(jié)燃放煙花爆竹對(duì)西安空氣質(zhì)量的影響

黃少妮，屈麗瑋，姚 靜，胡 皓，劉瑞芳

(陜西省氣象臺(tái)，西安 710014)

利用西安涇河站氣象觀測(cè)資料和西安空氣質(zhì)量指數(shù)、污染物質(zhì)量濃度等，對(duì)2014—2016年春節(jié)期間西安市空氣污染特征和氣象條件的影響進(jìn)行分析。結(jié)果表明：除夕夜間大量燃放煙花爆竹導(dǎo)致PM10和PM2.5質(zhì)量濃度短時(shí)內(nèi)驟增，但對(duì)SO2和NO2質(zhì)量濃度影響不顯著，春節(jié)期間空氣污染主要是由細(xì)顆粒物(PM2.5)造成。氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量有明顯影響。在靜穩(wěn)天氣下風(fēng)速小，湍流弱，貼地逆溫持續(xù)存在，大氣擴(kuò)散能力差，春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放，強(qiáng)污染源和大氣擴(kuò)散能力差是春節(jié)期間出現(xiàn)空氣重污染的主要原因；而冷空氣來(lái)臨時(shí)，大氣相對(duì)濕度降低，風(fēng)速增大，湍流增強(qiáng)，大氣擴(kuò)散能力增強(qiáng)，加上降水的沉降作用，是空氣質(zhì)量改善的主要?dú)庀笤颉?/p>

空氣質(zhì)量；氣象條件；春節(jié)；燃放煙花爆竹；西安

國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究表明，大量燃放煙花爆竹對(duì)大氣中顆粒物質(zhì)量濃度、SO2和NO2質(zhì)量濃度增加有明顯影響, 特別是對(duì)細(xì)顆粒物質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)最大, 燃放期間PM10和PM2.5質(zhì)量濃度分別可達(dá)平時(shí)的4倍和6倍[1-4]。也有研究表明，北京市春節(jié)燃放煙花爆竹對(duì)顆粒物質(zhì)量濃度的影響要遠(yuǎn)高于對(duì)污染氣體(SO2和NO2)的影響，特別是除夕集中燃放時(shí)段顆粒物質(zhì)量濃度短時(shí)內(nèi)快速上升[4-5]。王繁強(qiáng)等[6]研究也發(fā)現(xiàn)，2002—2007年春節(jié)期間燃放煙花爆竹導(dǎo)致西安市近地面空氣中PM10、SO2和NO2質(zhì)量濃度上升，且對(duì)近地面污染物質(zhì)量濃度的短時(shí)貢獻(xiàn)遠(yuǎn)超過(guò)固有污染源的貢獻(xiàn)。近年來(lái)霾和PM2.5受到越來(lái)越多的關(guān)注和認(rèn)識(shí)，西安地區(qū)冬季PM2.5常常是首要污染物[7]。

研究表明[8-11]，城市空氣質(zhì)量狀況主要受排放源和氣象條件的擴(kuò)散稀釋能力影響。短時(shí)間內(nèi)，污染源變化不大的情況下，有利于污染物擴(kuò)散稀釋的氣象條件將降低污染物質(zhì)量濃度，而不利于擴(kuò)散的氣象條件將造成污染物累積，導(dǎo)致污染物質(zhì)量濃度升高并造成持續(xù)性污染。燃放煙花爆竹產(chǎn)生的污染物進(jìn)入大氣后，其擴(kuò)散傳輸和轉(zhuǎn)化主要取決于氣象條件[4-5]，風(fēng)速、降水、逆溫層厚度等是影響污染物擴(kuò)散與傳輸?shù)闹饕蛩?。近年?lái)有關(guān)春節(jié)燃放煙花爆竹對(duì)西安市空氣質(zhì)量影響的相關(guān)研究以個(gè)例分析為主[12]。針對(duì)2014年至2016年春節(jié)期間(農(nóng)歷除夕至正月初六，爆竹燃放集中時(shí)段)污染物質(zhì)量濃度和氣象條件進(jìn)行研究，分析不同氣象條件下除夕夜間煙花爆竹燃放對(duì)西安市空氣質(zhì)量的影響，重點(diǎn)研究顆粒物質(zhì)量濃度變化和氣象要素之間的關(guān)系，以期為春節(jié)期間空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和空氣污染控制提供參考。

1 資料與方法

環(huán)境資料來(lái)自國(guó)家環(huán)境監(jiān)測(cè)總站網(wǎng)上發(fā)布的監(jiān)測(cè)結(jié)果，包括西安市的AQI，PM10、PM2.5、SO2和NO2日平均質(zhì)量濃度資料。氣象資料來(lái)自陜西省氣象信息中心，包括西安涇河站的風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度等常規(guī)觀測(cè)資料。研究時(shí)段為2014年1月30日—2月5日、2015年2月18日—24日和2016年2月7日—13日，其中，2014年1月30日、2015年2月18日和2016年2月7日為除夕。將農(nóng)歷除夕至正月初六作為春節(jié)時(shí)段，春節(jié)前后各15 d作為非春節(jié)期間代表，將春節(jié)和非春節(jié)期間污染物日平均質(zhì)量濃度進(jìn)行對(duì)比分析。

PM10、PM2.5、SO2和NO2的質(zhì)量濃度日偏差是指實(shí)際值與理論值或者估計(jì)值的偏差的程度，即：偏差=(春節(jié)日均值-非春節(jié)日均值)/非春節(jié)日均值×100%。

2 空氣質(zhì)量演變特征

2.1 春節(jié)期間空氣質(zhì)量指數(shù)變化

對(duì)比2014年至2016年春節(jié)期間西安市空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的變化(圖1)可以看出，這3年西安均出現(xiàn)了不同程度的空氣污染。其中，2014年春節(jié)空氣污染最為嚴(yán)重，AQI值的變化范圍為84～487，1月30日至2月2日(除夕至正月初三)持續(xù)4 d出現(xiàn)嚴(yán)重污染(AQI值gt;300)，1月31日(正月初一)AQI值最大；2015年春節(jié)期間空氣污染最輕，AQI值變化范圍為85～131，以輕度污染為主，2月18日除夕當(dāng)天AQI值最大；2016年春節(jié)期間AQI值的變化范圍為74～251，2月8日至11日(正月初一至初四)持續(xù)中到重度污染，其中2月8日(正月初一)AQI值最大。

除夕夜至初一是煙花爆竹燃放的高峰期，對(duì)應(yīng)著AQI峰值，說(shuō)明煙花爆竹燃放對(duì)空氣質(zhì)量具有直接影響。

圖1 2014—2016年春節(jié)期間西安市日平均空氣質(zhì)量指數(shù)對(duì)比

2.2 春節(jié)與非春節(jié)時(shí)段污染物對(duì)比

由表1可見(jiàn)，2014年至2016年春節(jié)和非春節(jié)期間PM10和PM2.5質(zhì)量濃度偏差均為正值，說(shuō)明PM10和PM2.5質(zhì)量濃度春節(jié)期間高于非春節(jié)期間；而SO2和NO2質(zhì)量濃度偏差多為負(fù)值，這可能與春節(jié)假日期間車輛出行明顯減少，交通流量大幅度降低，汽車尾氣排放量大大降低有關(guān)。與張小玲等[5]研究一致，即春節(jié)大量燃放煙花爆竹導(dǎo)致PM10和PM2.5顆粒物質(zhì)量濃度短時(shí)內(nèi)驟增，但對(duì)SO2和NO2質(zhì)量濃度影響不顯著。

表1 春節(jié)和非春節(jié)時(shí)段污染物日平均質(zhì)量濃度對(duì)比 μg/m3

2014年春節(jié)與非春節(jié)時(shí)段PM10和PM2.5日均質(zhì)量濃度值均顯著大于2015年和2016年的相應(yīng)時(shí)段。2014年春節(jié)與非春節(jié)期間PM2.5和PM10質(zhì)量濃度偏差分別為79.0%和73.1%，是3年中的最大值；2015年P(guān)M2.5和PM10質(zhì)量濃度偏差分別為24.0%和27.9%，是3年中的最小值。2013年12月至2014年2月是西安近年來(lái)空氣污染最為嚴(yán)重的冬季，春節(jié)前西安已連續(xù)多日出現(xiàn)重度空氣污染。2014年開(kāi)始隨著西安市環(huán)境治理措施持續(xù)加大，冬季空氣質(zhì)量有所改善。然而，2016年西安春節(jié)與非春節(jié)期間PM2.5質(zhì)量濃度偏差仍高達(dá)71.2%，接近2014年的79.0%，這主要是受不利于擴(kuò)散的氣象條件的影響。

2.3 春節(jié)期間PM2.5逐時(shí)變化

2014年和2016年西安春節(jié)期間PM10質(zhì)量濃度的日變化與PM2.5有顯著的一致性(圖略)，并且PM2.5占PM10的質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均達(dá)65%。其中，污染最嚴(yán)重的正月初一PM2.5占PM10的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在71%～80%之間，說(shuō)明細(xì)顆粒物在可吸入顆粒物中占較大比例?？梢?jiàn)，春節(jié)燃放煙花爆竹造成的空氣污染主要是由PM2.5造成的[13]。

圖2給出了2014年至2016年春節(jié)期間西安PM2.5質(zhì)量濃度逐時(shí)變化情況。2014年春節(jié)前西安連續(xù)多日出現(xiàn)嚴(yán)重空氣污染，1月29日(臘月二十九)西安PM2.5質(zhì)量濃度日均值242.2 μg/m3；除夕白天維持在300 μg/m3左右，夜間煙花爆竹集中燃放，導(dǎo)致午夜 PM2.5質(zhì)量濃度急劇上升，12時(shí)前一直維持在600 μg/m3以上，01時(shí)達(dá)峰值642 μg/m3；正月初一PM2.5日平均質(zhì)量濃度仍高達(dá)530 μg/m3；正月初二出現(xiàn)小幅回落后維持在300 μg/m3左右；直到初四午后受冷空氣南下影響，PM2.5質(zhì)量濃度才驟降到26 μg/m3。2015年春節(jié)期間，西安PM2.5平均質(zhì)量濃度僅為74.3 μg/m3，空氣質(zhì)量以輕度污染為主。2016年春節(jié)前西安空氣質(zhì)量狀況良好，除夕白天PM2.5日平均質(zhì)量濃度僅為41.3 μg/m3，除夕夜間煙花爆竹集中燃放，午夜PM2.5質(zhì)量濃度急劇上升，02時(shí)達(dá)峰值339 μg/m3；正月初一西安PM2.5日均質(zhì)量濃度為201.2 μg/m3，午后出現(xiàn)小幅回落后，一直維持在150 μg/m3左右；直到初五因冷空氣南下，PM2.5驟降到25 μg/m3左右。以上分析說(shuō)明， 2014年和2016年春節(jié)期間在不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件下，除夕夜間煙花爆竹的集中燃放，會(huì)使得PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)短時(shí)驟增的現(xiàn)象[14]，且峰值常常出現(xiàn)在正月初一凌晨01—02時(shí)。

圖2 2014—2016年春節(jié)期間西安市PM2.5質(zhì)量濃度逐時(shí)變化(漢字為農(nóng)歷日期，下同)

3 春節(jié)期間氣象條件分析

研究表明[15]，除了受除夕集中燃放煙花爆竹的影響，氣象條件也是影響春節(jié)期間空氣質(zhì)量的主要因素。當(dāng)氣象條件較穩(wěn)定，地面風(fēng)速穩(wěn)定在3 m/s以下持續(xù)一段時(shí)間時(shí)，有利于顆粒污染物不斷積累；當(dāng)風(fēng)速超過(guò)3 m/s時(shí)，有利于污染物擴(kuò)散[16]。

3.1 氣象要素逐時(shí)演變

圖3給出了2014—2016年春節(jié)期間西安相對(duì)濕度、風(fēng)速和氣溫等氣象要素的逐時(shí)演變情況。2014年西安春節(jié)污染嚴(yán)重時(shí)段地面風(fēng)速偏低，相對(duì)濕度偏高。其中，除夕到正月初一平均相對(duì)濕度為52%，地面平均風(fēng)速小于2 m/s。在這種穩(wěn)定性天氣條件下，除夕夜間大量煙花爆竹的燃放使得PM2.5質(zhì)量濃度出現(xiàn)短時(shí)驟增，直到正月初二出現(xiàn)小幅回落，之后一直至正月初四都維持高濃度。這種長(zhǎng)時(shí)間維持高濃度的現(xiàn)象一方面是由于正月初二至初三相對(duì)濕度明顯升高(平均值達(dá)70%)，另一方面地面長(zhǎng)時(shí)間以弱風(fēng)為主。低風(fēng)速、高濕度的靜穩(wěn)天氣使得污染物維持高質(zhì)量濃度且不易擴(kuò)散稀釋。正月初四凌晨，地面冷鋒過(guò)境后冷高壓南下，相對(duì)濕度由08時(shí)的72% 驟降到13時(shí)的17%，地面風(fēng)速也由08時(shí)的0.9 m/s增加到13時(shí)的4.8 m/s。大風(fēng)速、低濕度的氣象條件有利于污染物擴(kuò)散和消減，PM2.5質(zhì)量濃度由08時(shí)的415 μg/m3驟降到13時(shí)的37 μg/m3。

2015年除夕至初一西安地面平均風(fēng)速達(dá)5.3 m/s。其中初一04時(shí)出現(xiàn)7.7 m/s的大風(fēng)，有利于污染物的擴(kuò)散，因而PM2.5質(zhì)量濃度并沒(méi)有出現(xiàn)驟增現(xiàn)象，僅維持在80 μg/m3左右。正月初二受西風(fēng)槽東移影響，10時(shí)開(kāi)始西安出現(xiàn)短時(shí)雨雪天氣，地面風(fēng)速減小到2 m/s以下，大氣的水平擴(kuò)散能力減弱，加上相對(duì)濕度高達(dá)90%，PM2.5質(zhì)量濃度略有升高。之后隨著西風(fēng)槽東移，正月初三開(kāi)始地面冷高壓南下，冷空氣自北向南橫掃陜西，初四凌晨西安地面風(fēng)速再次增大，02時(shí)達(dá)7.2 m/s，同時(shí)相對(duì)濕度減小，PM2.5質(zhì)量濃度再次降低。

圖3 2014—2016年西安市春節(jié)期間每日00—23時(shí)相對(duì)濕度(黑實(shí)線)、風(fēng)速(灰色柱線)和氣溫(虛線)

與2014年相似，2016年春節(jié)西安氣象條件也不利于污染物擴(kuò)散，不同的是2016年春節(jié)前西安經(jīng)歷了一次弱冷空氣過(guò)境，空氣質(zhì)量狀況良好。除夕過(guò)后，西安地面風(fēng)速減小到2 m/s以下并持續(xù)到初四午后，相對(duì)濕度也較之前略有增大。正月初五隨著新疆北部橫槽轉(zhuǎn)豎引導(dǎo)地面冷空氣南下，陜西經(jīng)歷一場(chǎng)降溫吹風(fēng)天氣，污染物被稀釋擴(kuò)撒，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

綜上所述：在冬季靜穩(wěn)天氣條件下，風(fēng)速小，湍流弱，大氣擴(kuò)散能力差，加之春節(jié)期間集中燃放煙花爆竹，污染源加強(qiáng)和大氣擴(kuò)散條件差是春節(jié)期間出現(xiàn)空氣重污染的主要原因；而冷空氣來(lái)時(shí)，大氣相對(duì)濕度降低，風(fēng)速增大，湍流增強(qiáng)，大氣擴(kuò)散能力增強(qiáng)，加上降水的沉降作用，是空氣質(zhì)量改善的主要原因。

3.2 邊界層溫度垂直分布

逆溫層結(jié)是邊界層大氣的重要特征之一。近地層逆溫對(duì)污染物的擴(kuò)散起到抑制作用[17]，逆溫按照分布空間分為貼地逆溫和懸浮(脫地)逆溫。由于2014年春節(jié)期間西安涇河探空站數(shù)據(jù)缺測(cè)，僅給出了涇河站2015年和2016年春節(jié)期間溫度探空曲線(圖4)。2015年，在850 hPa左右存在懸浮逆溫，這主要是由于春節(jié)前西伯利亞冷渦底部不斷有冷槽分裂南下，與高原東側(cè)短波槽在西北地區(qū)東部疊加，冷暖空氣交匯于陜西上空，對(duì)流層低層暖平流的輸入有利于西安上空懸浮逆溫的形成；之后隨著高空冷渦快速東移引導(dǎo)冷空氣南下，冷鋒自北向南橫掃陜西，西安上空有鋒面逆溫形成。此時(shí)，冷空氣南下，地面風(fēng)速加大，大氣擴(kuò)散能力加強(qiáng)，污染物被稀釋擴(kuò)散。與2015年不同，2016年除夕至初四西安溫度探空曲線顯示，900 hPa以下存在貼地逆溫，逆溫強(qiáng)度在0.5～1.0 ℃/100 m。貼地逆溫的持續(xù)存在使得近地層大氣層結(jié)穩(wěn)定，空氣污染物的稀釋擴(kuò)散能力減弱，PM2.5質(zhì)量濃度維持在較高水平。這一結(jié)果與蘭州低空大氣逆溫和空氣污染的關(guān)系一致，貼地逆溫是影響市區(qū)空氣污染程度的重要因素之一[17]。

圖4 2015年和2016年春節(jié)期間涇河站08時(shí)溫度探空曲線

4 結(jié)論

春節(jié)期間煙花爆竹的集中燃放導(dǎo)致空氣顆粒物質(zhì)量濃度在除夕夜間出現(xiàn)顯著上升，說(shuō)明煙花爆竹燃放對(duì)短時(shí)間內(nèi)空氣質(zhì)量的影響顯著，同時(shí)春節(jié)期間氣象條件對(duì)空氣污染的演變有重要影響。

(1)春節(jié)期間大量燃放煙花爆竹導(dǎo)致PM10和PM2.5顆粒物質(zhì)量濃度短時(shí)內(nèi)驟增，但對(duì)SO2和NO2質(zhì)量濃度影響不顯著，春節(jié)期間空氣污染主要是由PM2.5造成的。

(2)氣象條件對(duì)空氣質(zhì)量有明顯影響。冬季在靜穩(wěn)天氣下，貼地逆溫的持續(xù)存在使得近地層大氣層結(jié)穩(wěn)定，風(fēng)速小，湍流弱，大氣擴(kuò)散能力差，春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放，強(qiáng)污染源和大氣擴(kuò)散能力差是春節(jié)期間出現(xiàn)空氣重污染的主要原因。而隨著冷空氣的到來(lái)，大氣相對(duì)濕度降低，風(fēng)速增大，湍流增強(qiáng)，大氣擴(kuò)散能力增強(qiáng)，加上降水的沉降作用，利于空氣質(zhì)量改善。

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X51

A

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1006-4354(2017)06-0018-05

2017-05-26

黃少妮(1981—)，女，漢族，陜西西安人，博士，工程師，從事天氣變化預(yù)測(cè)研究和應(yīng)用。

陜西省氣象局研究型業(yè)務(wù)重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2015Z-3)；陜西省氣象局面上科研項(xiàng)目(2017M-2)