黃少妮，屈麗瑋，姚 靜，胡 皓，劉瑞芳

(陜西省氣象臺，西安 710014)

春節(jié)燃放煙花爆竹對西安空氣質量的影響

黃少妮，屈麗瑋，姚 靜，胡 皓，劉瑞芳

(陜西省氣象臺，西安 710014)

利用西安涇河站氣象觀測資料和西安空氣質量指數(shù)、污染物質量濃度等，對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行分析。結果表明：除夕夜間大量燃放煙花爆竹導致PM10和PM2.5質量濃度短時內驟增，但對SO2和NO2質量濃度影響不顯著，春節(jié)期間空氣污染主要是由細顆粒物(PM2.5)造成。氣象條件對空氣質量有明顯影響。在靜穩(wěn)天氣下風速小，湍流弱，貼地逆溫持續(xù)存在，大氣擴散能力差，春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放，強污染源和大氣擴散能力差是春節(jié)期間出現(xiàn)空氣重污染的主要原因；而冷空氣來臨時，大氣相對濕度降低，風速增大，湍流增強，大氣擴散能力增強，加上降水的沉降作用，是空氣質量改善的主要氣象原因。

空氣質量；氣象條件；春節(jié)；燃放煙花爆竹；西安

國內外的相關研究表明，大量燃放煙花爆竹對大氣中顆粒物質量濃度、SO2和NO2質量濃度增加有明顯影響, 特別是對細顆粒物質量濃度貢獻最大, 燃放期間PM10和PM2.5質量濃度分別可達平時的4倍和6倍[1-4]。也有研究表明，北京市春節(jié)燃放煙花爆竹對顆粒物質量濃度的影響要遠高于對污染氣體(SO2和NO2)的影響，特別是除夕集中燃放時段顆粒物質量濃度短時內快速上升[4-5]。王繁強等[6]研究也發(fā)現(xiàn)，2002—2007年春節(jié)期間燃放煙花爆竹導致西安市近地面空氣中PM10、SO2和NO2質量濃度上升，且對近地面污染物質量濃度的短時貢獻遠超過固有污染源的貢獻。近年來霾和PM2.5受到越來越多的關注和認識，西安地區(qū)冬季PM2.5常常是首要污染物[7]。

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

1 資料與方法

環(huán)境資料來自國家環(huán)境監(jiān)測總站網(wǎng)上發(fā)布的監(jiān)測結果，包括西安市的AQI，PM10、PM2.5、SO2和NO2日平均質量濃度資料。氣象資料來自陜西省氣象信息中心，包括西安涇河站的風向、風速、氣溫、相對濕度等常規(guī)觀測資料。研究時段為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量濃度進行對比分析。

PM10、PM2.5、SO2和NO2的質量濃度日偏差是指實際值與理論值或者估計值的偏差的程度，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 空氣質量演變特征

2.1 春節(jié)期間空氣質量指數(shù)變化

對比2014年至2016年春節(jié)期間西安市空氣質量指數(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，對應著AQI峰值，說明煙花爆竹燃放對空氣質量具有直接影響。

圖1 2014—2016年春節(jié)期間西安市日平均空氣質量指數(shù)對比

2.2 春節(jié)與非春節(jié)時段污染物對比

由表1可見，2014年至2016年春節(jié)和非春節(jié)期間PM10和PM2.5質量濃度偏差均為正值，說明PM10和PM2.5質量濃度春節(jié)期間高于非春節(jié)期間；而SO2和NO2質量濃度偏差多為負值，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。與張小玲等[5]研究一致，即春節(jié)大量燃放煙花爆竹導致PM10和PM2.5顆粒物質量濃度短時內驟增，但對SO2和NO2質量濃度影響不顯著。

表1 春節(jié)和非春節(jié)時段污染物日平均質量濃度對比 μg/m3

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

2.3 春節(jié)期間PM2.5逐時變化

2014年和2016年西安春節(jié)期間PM10質量濃度的日變化與PM2.5有顯著的一致性(圖略)，并且PM2.5占PM10的質量分數(shù)平均達65%。其中，污染最嚴重的正月初一PM2.5占PM10的質量分數(shù)在71%～80%之間，說明細顆粒物在可吸入顆粒物中占較大比例?？梢姡汗?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質量濃度逐時變化情況。2014年春節(jié)前西安連續(xù)多日出現(xiàn)嚴重空氣污染，1月29日(臘月二十九)西安PM2.5質量濃度日均值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，導致午夜 PM2.5質量濃度急劇上升，12時前一直維持在600 μg/m3以上，01時達峰值642 μg/m3；正月初一PM2.5日平均質量濃度仍高達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質量濃度才驟降到26 μg/m3。2015年春節(jié)期間，西安PM2.5平均質量濃度僅為74.3 μg/m3，空氣質量以輕度污染為主。2016年春節(jié)前西安空氣質量狀況良好，除夕白天PM2.5日平均質量濃度僅為41.3 μg/m3，除夕夜間煙花爆竹集中燃放，午夜PM2.5質量濃度急劇上升，02時達峰值339 μg/m3；正月初一西安PM2.5日均質量濃度為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。以上分析說明， 2014年和2016年春節(jié)期間在不利于污染物擴散的氣象條件下，除夕夜間煙花爆竹的集中燃放，會使得PM2.5質量濃度出現(xiàn)短時驟增的現(xiàn)象[14]，且峰值常常出現(xiàn)在正月初一凌晨01—02時。

圖2 2014—2016年春節(jié)期間西安市PM2.5質量濃度逐時變化(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)期間空氣質量的主要因素。當氣象條件較穩(wěn)定，地面風速穩(wěn)定在3 m/s以下持續(xù)一段時間時，有利于顆粒污染物不斷積累；當風速超過3 m/s時，有利于污染物擴散[16]。

3.1 氣象要素逐時演變

圖3給出了2014—2016年春節(jié)期間西安相對濕度、風速和氣溫等氣象要素的逐時演變情況。2014年西安春節(jié)污染嚴重時段地面風速偏低，相對濕度偏高。其中，除夕到正月初一平均相對濕度為52%，地面平均風速小于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質量濃度出現(xiàn)短時驟增，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。這種長時間維持高濃度的現(xiàn)象一方面是由于正月初二至初三相對濕度明顯升高(平均值達70%)，另一方面地面長時間以弱風為主。低風速、高濕度的靜穩(wěn)天氣使得污染物維持高質量濃度且不易擴散稀釋。正月初四凌晨，地面冷鋒過境后冷高壓南下，相對濕度由08時的72% 驟降到13時的17%，地面風速也由08時的0.9 m/s增加到13時的4.8 m/s。大風速、低濕度的氣象條件有利于污染物擴散和消減，PM2.5質量濃度由08時的415 μg/m3驟降到13時的37 μg/m3。

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

圖3 2014—2016年西安市春節(jié)期間每日00—23時相對濕度(黑實線)、風速(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散，不同的是2016年春節(jié)前西安經(jīng)歷了一次弱冷空氣過境，空氣質量狀況良好。除夕過后，西安地面風速減小到2 m/s以下并持續(xù)到初四午后，相對濕度也較之前略有增大。正月初五隨著新疆北部橫槽轉豎引導地面冷空氣南下，陜西經(jīng)歷一場降溫吹風天氣，污染物被稀釋擴撒，空氣質量轉好。

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

3.2 邊界層溫度垂直分布

逆溫層結是邊界層大氣的重要特征之一。近地層逆溫對污染物的擴散起到抑制作用[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，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，冷空氣南下，地面風速加大，大氣擴散能力加強，污染物被稀釋擴散。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穩(wěn)定，空氣污染物的稀釋擴散能力減弱，PM2.5質量濃度維持在較高水平。這一結果與蘭州低空大氣逆溫和空氣污染的關系一致，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時溫度探空曲線

4 結論

春節(jié)期間煙花爆竹的集中燃放導致空氣顆粒物質量濃度在除夕夜間出現(xiàn)顯著上升，說明煙花爆竹燃放對短時間內空氣質量的影響顯著，同時春節(jié)期間氣象條件對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致PM10和PM2.5顆粒物質量濃度短時內驟增，但對SO2和NO2質量濃度影響不顯著，春節(jié)期間空氣污染主要是由PM2.5造成的。

(2)氣象條件對空氣質量有明顯影響。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穩(wěn)定，風速小，湍流弱，大氣擴散能力差，春節(jié)期間煙花爆竹集中燃放，強污染源和大氣擴散能力差是春節(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，大氣相對濕度降低，風速增大，湍流增強，大氣擴散能力增強，加上降水的沉降作用，利于空氣質量改善。

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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，從事天氣變化預測研究和應用。

陜西省氣象局研究型業(yè)務重點科研項目(2015Z-3)；陜西省氣象局面上科研項目(2017M-2)