大氣污染特征與組分分析

肖童覺彭慶慶潘海婷張琴李蔚Summary：利用湖南省14個市州的78個城市環(huán)境空氣自動監(jiān)測站主要污染物（PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3）濃度以及力合科技組分站數(shù)據(jù)、省氣象臺氣象資料，對2019年除夕至初一期間（2月4日—5日）進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，除夕期間煙花爆竹的燃放對空氣污染物濃度短時間內(nèi)有非常大的貢獻(xiàn)，集中燃放煙花對PM10和PM2.5的小時值增長倍數(shù)貢獻(xiàn)明顯。對全省14個城市PM10和PM2.5的小時值最大增長倍數(shù)分別為2.4倍和1.0倍。長沙組分站數(shù)據(jù)分析中，氯離子濃度上升了約15倍，硫酸根離子濃度上升了約5倍，鉀離子濃度上升了約14倍，鎂離子濃度上升了約6倍。其中對婁底市的影響程度最高。氣象條件也是影響春節(jié)期間空氣質(zhì)量的重要因素，風(fēng)速小，逆溫強(qiáng)、濕度大和無降水等不利氣象條件使污染物濃度不斷累積，形成持續(xù)性污染過程。2019年除夕（2月4日）上午，全省14個市州城市的空氣質(zhì)量總體良好，但由于受煙花爆竹的集中燃放影響，大部分城市的環(huán)境空氣質(zhì)量在除夕當(dāng)天下午5時后迅速轉(zhuǎn)差，發(fā)生了區(qū)域性的大氣重污染過程。Key：除夕;春節(jié);空氣質(zhì)量;煙花爆竹;湖南;顆粒物;氣象條件：X51：A：2095-672X（2019）10-0-03DOI：10.16647/15-1369/X.2019.10.068Abstract：Theconcentrationofmainpollutants（PM10，PM2.5，SO2，NO2，CO，O3）andthedataofLiheTechnologyStationandthemeteorologicaldataoftheprovincialmeteorologicalobservatoryareusedin78urbanenvironmentalairautomaticmonitoringstationsin14citiesandprefecturesofHunanProvince.ItwasanalyzedfromtheNewYearsEvetothefirstdayof2019（February4th-5th）.TheresultsshowthatthefireworksandfirecrackersduringtheNewYearsEvehaveaverylargecontributiontotheconcentrationofairpollutantsinashortperiodoftime.TheconcentratedfireworksdisplaycontributessignificantlytothehourlyvalueincreaseofPM10andPM2.5.ThemaximumgrowthmultiplesofPM10andPM2.5in14citiesintheprovincewere2.4timesand1.0times，respectively.InthedataanalysisoftheChangshacomponentstation，thechlorideionconcentrationincreasedbyabout15times，thesulfateionconcentrationincreasedbyabout5times，thepotassiumionconcentrationincreasedbyabout14times，andthemagnesiumionconcentrationincreasedbyabout6times.Amongthem，thedegreeofinfluenceonLoudiCityisthehighest.MeteorologicalconditionsarealsoanimportantfactoraffectingtheairqualityduringtheSpringFestival.Thewindspeedissmall，theadverseweatherconditionssuchasstrongtemperature，highhumidityandnoprecipitationmaketheconcentrationofpollutantsaccumulatecontinuously，formingacontinuouspollutionprocess.OnthemorningofNewYearsEve（February4th），theairqualityof14citiesandprefecturesintheprovincewasgenerallygood，butduetotheconcentrateddischargeoffireworksandfirecrackers，theambientairqualityofmostcitiesquicklyturnedafter5pmonNewYearsEve.Poor，aregionalprocessofheavyatmosphericpollutionoccurred.Keywords：NewYearsEve;SpringFestival;airquality;Fireworksandfirecrackers;Hunan;Particulatematter;Meteorologicalconditions大氣污染物是一種來自自然源和認(rèn)為源的復(fù)雜混合成分，受我國傳統(tǒng)習(xí)俗影響，大量煙花爆竹的使用，會使空氣質(zhì)量在短時間內(nèi)發(fā)生較大的波動，許多日常的工業(yè)和交通源排放銳減，而煙花爆竹燃放成為一種主要的短時集中且較為強(qiáng)烈的人為活動源，空氣中各污染物濃度也呈現(xiàn)明顯變化。相關(guān)研究表明，春節(jié)期間的煙花爆竹燃放是認(rèn)為排放氣溶膠的主要來源，城市在特定時段集中燃放煙花爆竹會導(dǎo)致局部空氣質(zhì)量嚴(yán)重下降，大量燃放煙花爆竹對大氣中顆粒物濃度、SO2和NO2濃度增加有明顯影響，特別是對細(xì)顆粒物濃度貢獻(xiàn)最大，燃放期間PM2.5和PM10濃度分別可達(dá)平時的4倍和6倍;在煙花爆竹集中燃放期間，不利于污染物擴(kuò)散的氣象條件將造成污染物的累積，引起濃度升高并造成持續(xù)性污染。現(xiàn)基于2019年除夕至初一的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析湖南省城市環(huán)境空氣質(zhì)量的污染特征，ρ（PM2.5）和ρ（PM10）的變化，不利氣象條件對空氣質(zhì)量的影響，為合理引導(dǎo)煙花爆竹燃放相關(guān)法規(guī)的修訂和污染控制措施的制定提供參考。1數(shù)據(jù)來源和方法環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于湖南省14個城市所設(shè)的78個國控環(huán)境空氣自動監(jiān)測子站。這些監(jiān)測子站主要對二氧化硫（SO2）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）、臭氧（O3）、細(xì)顆粒物（PM2.5）和可吸入顆粒物（PM10）6項主要污染物進(jìn)行24小時全自動連續(xù)監(jiān)測，采樣口高度距地面3～25m。氣象資料來源于湖南省氣象臺提供的《湖南冬季降水相態(tài)預(yù)報系統(tǒng)》，包括10m風(fēng)場和2m溫度、逐6h降水、逆溫、地面相對濕度圖;中央氣象臺官網(wǎng)發(fā)布的全國煙花爆竹燃放氣象指數(shù)和中國環(huán)境監(jiān)測總站下發(fā)的PM2.5濃度與氣象場空間分布圖。采用統(tǒng)計法分析湖南省2019年除夕至初一期間主要污染物的逐時濃度變化特征、相關(guān)性分析、組分站離子與顆粒物變化以及城市煙花爆竹燃放貢獻(xiàn)量和增長倍數(shù)等。2結(jié)果與討論2.1除夕至初一環(huán)境空氣質(zhì)量狀況2019年除夕當(dāng)天，全省14個市州城市中，湘潭、株洲、長沙、岳陽、衡陽、常德、益陽和永州等8個城市的空氣質(zhì)量為輕度污染，其他6個城市為良。除夕晚上至初一期間，居民集中燃放大量的煙花爆竹，全省空氣質(zhì)量明顯轉(zhuǎn)差，初一當(dāng)天3個城市出現(xiàn)重度污染，分別為湘潭、株洲和長沙;8個城市出現(xiàn)中度污染，分別為岳陽、常德、衡陽、婁底、湘西、邵陽、益陽和永州;郴州為輕度污染，懷化和張家界為良。期間，湘潭為全省空氣質(zhì)量最差城市，詳見圖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，全省城市空氣質(zhì)量較2018年同期相比整體有所好轉(zhuǎn)。除夕至正月初一，全省PM2.5和PM10平均濃度分別為102和145μg/m3，比2018年春節(jié)同期分別下降16.4%和12.7%。2.2污染評價因子變化特征2.2.1除夕至初一逐時濃度變化特征由圖2可見，2019年除夕至初一期間全省14個城市環(huán)境空氣中的PM10和PM2.5平均值呈一致變化趨勢，在除夕0：00—16：00的環(huán)境空氣質(zhì)量總體保持穩(wěn)定;除夕上午6時，PM2.5濃度開始出現(xiàn)升高，至初一上午5時，PM2.5濃度逐漸回落，表明污染進(jìn)入削減階段。基于這個變化過程，除夕上午6時可視為PM2.5、PM10的初始濃度，全省均值分別為55μg/m3和115μg/m3，初一上午5時為PM2.5、PM10的污染高峰濃度，全省均值分別為186μg/m3、234μg/m3。兩者比較，受煙花爆竹集中燃放影響，全省平均PM2.5、PM10濃度分別升高了2.4倍、1.0倍。尤其是婁底市初始PM2.5濃度較低，為27μg/m3，燃放鞭炮期間，PM2.5小時濃度峰值達(dá)293μg/m3，升高了9.8倍。常德市的PM2.5小時濃度峰值為全省最高，達(dá)317μg/m3，較初始值也升高了5.7倍。由此可見，煙花爆竹集中燃放引起的PM2.5濃度增幅很大，成為該時段城市環(huán)境空氣質(zhì)量下降的主要貢獻(xiàn)源。2.2.2長沙市煙花爆竹燃放與PM2.5濃度關(guān)系研究為進(jìn)一步確定PM2.5濃度與煙花爆竹燃放之間的關(guān)系，調(diào)取了位于長沙高新區(qū)的力合科技園區(qū)大氣組分站監(jiān)測數(shù)據(jù)。從PM2.5主要組分在線監(jiān)測的結(jié)果可以看出，在煙花爆竹集中燃放的時段（除夕夜間至初一凌晨），PM2.5中氯離子、硫酸根離子、鉀離子和鎂離子的濃度均出現(xiàn)明顯上升。與非燃放時段（取2月4日0–18時平均值作為基準(zhǔn)）相比，氯離子濃度上升了約15倍，硫酸根離子濃度上升了約5倍，鉀離子濃度上升了約14倍，鎂離子濃度上升了約6倍。氯離子、硫酸根離子和鉀離子等常被作為煙花爆竹的特征示蹤組分，因此可以說明煙花爆竹的燃放對PM2.5濃度的上升起到了至關(guān)重要的影響。PM2.5組分分析結(jié)果反映煙花爆竹的集中燃放會導(dǎo)致空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)差。圖5為臘月廿九與除夕至正月初一的水溶性離子占比圖。從圖中可知，臘月廿九占比較高的水溶性離子分別為硝酸根離子、銨根離子、硫酸根離子、鉀離子、氯離子，該5種離子具體占比分別為33.54%、29.68%、27.44%、4.09%、2.41%。除夕至初一，占比較高的水溶性離子分別為硫酸根離子、硝酸根離子、銨根離子、鉀離子、氯離子，占比分別為32.65%、20.32%、16.64%、16.37%、10.46%。對比兩者發(fā)現(xiàn)，煙花爆竹的集中燃放顯著改變P