2018年春节期间京津冀及周边区域空气质量分析

解淑艳，王胜杰，刀 谞，郑皓皓，洪 纲，张 霞

1.中国环境监测总站，国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012 2.中国气象工程咨询中心，北京 100081 3.石家庄市环境监控中心，河北 石家庄 050022

中国农历春节期间燃放烟花爆竹是我国的传统习俗，已有2000多年的历史。春节期间烟花爆竹燃放主要集中在除夕、初一、初五(破五)、元宵节等时段，会使空气质量在短时间内显著恶化。烟花爆竹的主要成分是黑火药，含有硫磺、木炭粉、硝酸钾等成分，有的还含有氯酸钾、镁粉、铁粉、铝粉、锑粉和无机盐等成分，复杂的化学组成会造成空气中多种污染物浓度快速升高[1-6]。燃放烟花爆竹能够使空气中颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等污染物超标，PM10和PM2.5浓度可达平时的4～6倍，产生的气溶胶粒子含有重金属、元素碳和二次污染物等多种污染物，对人体健康造成影响[1-2，7-11]。对2003年春节期间北京市空气质量研究[12]表明，烟花爆竹的燃放会导致PM2.5中以燃烧为代表的元素(S、P 和As)、部分金属元素(Al、Fe、Ti、Se 和K) 和可溶性离子成分浓度升高。对2006 年元宵节期间北京市的研究[13]表明，烟花爆竹的燃放会造成气溶胶中一次成分 (如Ba、K、Sr、Pb、Mg 等) 和二次成分(如SO42-和NO3-) 的含量比正常情况下高出5倍以上。

本研究从气象条件、大气污染物浓度和颗粒物化学组分等方面对2018年春节期间京津冀及周边区域空气质量状况进行分析，并与近几年春节期间空气质量进行比较。

1 数据来源与评价方法

2018年春节期间指2018年2月15日(除夕)至21日(初六)，2017年春节期间指2017年1月27日(除夕)至2月2日(初六)，2016年春节期间指2016年2月7日(除夕)至13日(初六)，2015年春节期间指2015年2月18日(除夕)至24日(初六)。

京津冀及周边区域是指北京、天津、河北、山东、山西、河南、内蒙古部分城市在内的70个城市(图1)，该区域空气质量分析是基于70个城市国控空气自动监测站的城市评价点数据进行，数据均来自中国环境监测总站国家城市环境空气质量监测网，监测项目包括SO2、NO2、PM10、PM2.5、CO、O3。

注：底图源自国家测绘地理信息局网站(http:∥map.sbsm.gov.cn/mcp/index.asp)下载的1∶4 000政区版中华人民共和国地图(2008年6月国家测绘局制)，审图号为GS(2008)1 400号，下载日期为2015年7月16日，下同。图1 京津冀及周边区域空气质量监测城市分布示意图Fig.1 Distribution of monitroing cities in in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas

城市国控空气自动监测站严格按照《环境空气质量自动监测技术规范》(HJ/T 193—2005)和《国家环境监测网环境空气自动监测质量管理办法(试行)》《国家环境空气质量监测网城市站运行管理实施细则(试行)》等有关要求进行，监测数据经过审核和复核。分析评价参照《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663—2013)有关要求进行，评价以城市为基本单元，京津冀及周边区域SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度均值为70个城市SO2、NO2、PM10、PM2.5浓度均值的算术平均，区域CO第95百分位均值(CO-95per)为70个城市CO第95百分位日均质量浓度的算术平均，区域O3-8 h第90百分位均值(O3-8 h-90per)为70个城市O3第90百分位日最大8 h质量浓度的算术平均，各级别天数比例为70个城市各级别天数比例的算数平均；城市小时空气质量级别、日空气质量级别依据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ 633—2012)计算。本文中颗粒物在线污染源解析、单颗粒质谱监测数据均来自国家大气颗粒物组分监测网，气象数据来自韩国天气网(http:∥222.195.136.24)。

2 结果与讨论

2.1 全国整体空气质量状况

2018年春节期间，全国338个地级及以上城市优良天数比例为69.1%，轻度及中度污染天数比例为24.1%，重度及以上污染天数比例为6.8%，重度及以上污染天数比例较2017年春节期间减少1.2个百分点。汾渭平原、京津冀及周边、长江中游城市群优良天数比例低于50%。汾渭平原空气污染最重，重度及以上污染天数占比接近1/3，较2017年春节期间明显升高，升高了14.2个百分点。京津冀及周边区域优良天数比例不足50%，重度及以上污染天数比例为18.0%，其中以京津冀地区污染最重，超标天数比例为68.1%，是所有区域中超标天数最多的区域。长三角和珠三角空气质量较好，优良天数比例超过88%，珠三角未出现重度及以上污染。成渝地区、黄淮平原优良天数比例分别为56.2%、54.1%，空气质量优于京津冀及周边区域。

2018年春节期间，全国338个城市PM2.5平均质量浓度为64 μg/m3，超过年二级标准限值0.83倍；PM10平均质量浓度为91 μg/m3，超过年二级标准限值0.3倍；SO2平均质量浓度为20 μg/m3，NO2平均质量浓度为22 μg/m3，O3-8 h-90per为99 μg/m3，CO-95per为1.4 mg/m3，未超过年二级标准限值。2015年春节期间(图2)，全国338个城市PM2.5平均浓度为4年中最低，2016—2018年春节期间呈逐年下降趋势。2016年长三角、珠三角PM2.5平均浓度低于全国平均浓度，其他区域均高于全国平均浓度。2018年春节期间京津冀及周边区域PM2.5平均质量浓度为96 μg/m3，高于全国平均水平，2015—2018年春节期间京津冀及周边区域PM2.5平均质量浓度总体呈升高趋势，均值为89 μg/m3，分别是全国338个城市、长三角、珠三角4年同期均值的1.34、1.65、2.22倍，低于汾渭平原4年同期均值11.0%。珠三角、汾渭平原、黄淮平原、长江中游城市群PM2.5平均浓度整体呈升高趋势，长三角、成渝地区PM2.5平均浓度总体呈下降趋势。

图2 各区域2015—2018年春节期间PM2.5浓度Fig.2 Concentration of PM2.5 during the Spring Festival from 2015 to 2018

2.2 京津冀及周边区域空气质量状况

2.2.1 京津冀及周边区域总体情况

2018年春节期间，京津冀及周边区域空气质量较差，平均优良天数比例为44.1%，较2017年春节期间下降9.2个百分点，重度污染比例为15.3%，严重污染比例为2.7%，重度及以上污染比例较2017年春节期间增加5.7个百分点。京津冀及周边区域PM2.5平均质量浓度为96 μg/m3，PM10平均质量浓度为 131 μg/m3，SO2平均质量浓度为36 μg/m3，NO2平均质量浓度为29 μg/m3，CO-95per为1.9 mg/m3，O3-8 h-90per为105 μg/m3，较2017年春节期间分别升高12.9%、升高2.3%、下降32.1%、下降3.3%、下降9.5%、升高25.0%。2018年春节期间，京津冀及周边区域中有33个城市出现了88 d重度及以上污染，是2015年以来出现重度及以上污染城市数量最少、天数最多的一年，河北邢台、山西晋城、河南焦作是区域中污染最重的城市，出现了5 d重度及以上污染，PM2.5平均质量浓度分别为207、183、150 μg/m3，PM2.5平均质量浓度超过150 μg/m3的城市主要集中在河北、山西。

2.2.2 小时浓度分析

2018年春节期间，京津冀及周边区域的70个城市中有65个城市出现2 398 h重度及以上污染，占全部小时数(70个城市×7 d×24 h=11 760 h)的20.4%(图3)，除夕(2月15日)19:00开始出现小时重污染城市，至初一(2月16日)10:00重污染城市数量达到34个，为春节期间最多的时刻，此后污染过程一直持续，小时重污染城市数量波动变化均不少于5个。河北邢台、石家庄、邯郸，山西晋城、长治、临汾，河南焦作、安阳、洛阳9个城市小时重污染比例超过50%(出现重度及以上污染小时数占该城市全部小时数的比例)，河北邢台小时重污染比例为72.0%，为区域最重，PM2.5小时最大值为454 μg/m3，未出现“爆表”(PM2.5质量浓度大于500 μg/m3)情况；河北衡水、山西阳泉、河南南阳、山东德州4个城市小时重污染比例介于40%～50%之间，其他城市小时重污染比例低于40%。北京小时重污染比例为11.3%，PM2.5小时最大值为276 μg/m3，未出现PM2.5小时 “爆表”情况，与2017年春节相比有明显改善(表1)。

图3 2018年春节期间京津冀及周边区域重度及以上污染城市数、PM2.5浓度逐时统计图Fig.3 Hourly statistics of severe and above polluted cities and PM2.5 concentrations in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas during the 2018Spring Festival

表1 京津冀及周边部分城市重污染情况统计表

2.2.3 污染过程分析

2018年春节期间，京津冀及周边区域空气污染持续时间较长，期间略有缓解，总体呈污染连片、时间连续的特点。除夕(2月15日)上午，区域空气质量整体较好，河北南部、山西西部开始出现污染，至除夕(2月15日)晚上，空气污染范围急剧扩大，污染浓度迅速上升，京津、河北中南部、山西中西部地区出现重度到严重污染(图4)。初一(2月16日)早晨，区域中重度污染比例较高，京津冀、山东西部、山西和河南大部以重度污染为主，其中山西中部、河北中部、河南北部等地出现严重污染，为整个过程中最重的时段。随后受冷空气影响，污染范围逐渐向南收缩，污染程度快速下降。初一晚上，京津、河北北部空气质量优良，京津冀及周边区域持续污染，山西东南部、河北南部、河南大部和山东西部出现重度以上污染。初二(2月17日)之后，京津冀及周边区域均存在不同程度的重污染，污染范围和程度有所差异，以石家庄、邢台、邯郸、晋城、长治为中心的区域污染最重。至初六(2月21日)早晨，北京、河北西北部空气质量优良，其他地区以轻到中度污染为主，局地重度污染，污染过程有所缓解(图4)。

图4 2018年春节期间京津冀及周边区域PM2.5浓度分布示意图Fig.4 Distribution of PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas during the 2018 Spring Festival

2.3 颗粒物组分分析

京津冀及周边区域部分城市在线污染源解析表明(图5)：2018年除夕(2月15日)至初六(2月21日)，北京首要污染源为机动车尾气源，占比为28.7%；张家口、保定、太原、郑州首要污染源为燃煤源，占比分别为32.5%、30.3%、26.0%、20.2%；廊坊首要污染源为二次无机源，占比为21.8%；石家庄市首要污染源为工业工艺源，占比为29.7%。太原和廊坊的烟花源占比高于其他城市，张家口和太原的燃煤源占比高于其他城市，北京机动车尾气源高于其他城市，保定和石家庄的工业工艺源占比高于其他城市，北京、廊坊和郑州的二次无机源占比高于其他城市。2018年除夕(2月15日)至初六(2月21日)，北京市烟花爆竹来源占全部污染源的5.7%，廊坊市烟花爆竹源占比超过10%，太原、郑州和张家口占比分别为9.0%、8.7%和8.6%。

图5 区域内部分城市颗粒物来源解析结果Fig.5 Analysis of the source of particulates in some cities in the region

北京、石家庄、张家口、廊坊、保定5个城市单颗粒质谱污染来源解析结果表明(图6)，自除夕(2月15日)下午开始，随着PM2.5浓度的上升，Al3+、Ba2+、Fe3+、Mg2+、K2Cl+等与烟花爆竹燃放相关物质浓度有不同程度的上升。北京除夕(2月15日)晚21：00起，各种水溶性离子组分浓度快速上升，其中K+、Cl-和Mg2+浓度上升最快，除夕(2月15日)24：00，质量浓度分别为25.8、18.9、3.4 μg/m3，较除夕(2月15日)下午18:00分别上升8.8、4.9、17.7倍，初一(2月16日)02：00降至常态水平。初五(2月20日)18：00后K+、Cl-、Mg2+浓度开始上升，至22:00达到峰值，但离子浓度小于除夕(2月15日)深夜的最高值。与2017年初一和初二相比，2018年北京、保定烟花源贡献率与贡献浓度明显下降，石家庄烟花源贡献浓度有所下降，表明受烟花爆竹影响有所减少。

2.4 气象条件分析

从气象影响因素分析，2018年初一(2月16日)开始，京津冀及周边区域总体为静稳天气，在微风、高湿、逆温等不利气象条件综合影响下，大气污染不断积累和二次转化，使区域整体空气质量转差。

2月15日，京津冀地区受空中暖平流和地面弱气压场控制，处于静稳天气条件，20：00后在锋前低压辐合气象条件以及烟花爆竹燃放等不利条件共同影响下，区域性空气质量恶化明显。16—17日，在微风、高湿、弱辐合不利气象条件、偏南风和偏东风外来污染物传输共同作用下，污染物浓度升高，空气质量转差，后期受东北部地区弱冷空气影响，北京、天津、廊坊等地区扩散条件短暂轻微改善。17日08：00至18日08：00，京津冀地区处于微风静稳状态，气象条件不利于污染物扩散，其中，石家庄等南部城市处于倒槽辐合中心，气象条件十分不利于污染物扩散，造成京津冀地区空气污染物浓度表现为南部高北部低的现象。18日08：00至19日08：00，京津冀地区受空中暖脊和地面高后倒槽弱气压场控制，长时间处于微风静稳状态，气象条件不利于污染物扩散，在微风、增湿、弱辐合不利气象条件及偏南风外来污染物传输共同作用下，颗粒物浓度不断累积，空气质量有所恶化。19日08：00之后，京津冀地区受空中暖脊和锋前辐合区控制，加之连续多日长时间处于微风静稳状态，污染扩散气象条件持续不利，颗粒物累积作用明显，出现较大范围重度污染，保定、石家庄等中南部城市地面和低空双重辐合，水平、垂直方向均不利于污染物扩散，使城市空气质量达到重度至严重污染。20日凌晨，受东北方向冷空气影响，京津冀北部地区气象条件有利于污染物扩散。20—21日，京津冀地区先后受冷暖气团控制，污染扩散条件由有利逐渐转为不利，在微风、静稳等不利气象条件作用下，污染物浓度逐渐升高。

图6 京津冀及周边区域部分城市单颗粒质谱烟花污染来源解析Fig.6 Analysis of the pollution sources of single particle mass spectrometry in some cities in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas

2.5 历年春节期间空气质量比较

2016—2018年春节期间，京津冀及周边区域优良天数比例呈升高趋势，空气质量总体改善。PM2.5、O3-8 h-90per总体呈升高趋势，SO2、NO2、PM10平均质量浓度总体呈下降趋势，CO-95per总体持平(图7)。

注：除CO质量浓度单位为mg/m3外，其他污染物质量浓度单位均为μg/m3。图7 2015—2018年春节期间京津冀及周边区域各项污染物浓度Fig.7 Concentrations of pollutants in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas during the Spring Festival from 2015 to 2018

图9 2015—2018年春节期间逐时重污染城市数统计图Fig.9 Heavy pollution city statistics During the Spring Festival from 2015 to 2018

2015—2018年春节期间京津冀及周边区域逐时PM2.5平均浓度变化趋势见图8,逐时重污染城市数见图9。

图8 2015—2018年春节期间京津冀及周边区域逐时PM2.5平均浓度变化趋势Fig.8 The trend of hourly PM2.5 concentration change during the Spring Festival period from 2015 to 2018 in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas

从PM2.5小时浓度变化趋势分析，2015—2018年春节期间，京津冀及周边区域PM2.5小时浓度峰值均出现在初一(2月16日)02：00，分别为248、255、277、190 μg/m3。2018年春节期间PM2.5小时浓度峰值较2017年春节期间下降了31.2%，较2015年春节期间下降了23.4%。2015—2018年春节期间，PM2.5小时浓度出现爆表(大于500 μg/m3)的城市数分别为20个(119 h)、23个(66 h)、24个(90 h)、13个(26 h)，爆表城市数和爆表小时数均呈现先升高后下降的趋势，2018年明显低于前3年，表明2018年春节期间重污染程度较往年较轻。

2015—2018年春节期间，京津冀及周边区域出现的重污染小时数分别为1 552、2 316、1 714、2 398 h，占比分别为13.2%、19.7%、14.6%、20.4%，总体呈升高趋势，空气质量有所恶化。2015—2017年春节期间，基本出现3～4次污染过程，每个污染过程相对独立，2018年春节期间呈现污染过程连续且范围较大的特点，与以往3年有所不同。

2018年春节期间，京津冀及周边区域PM2.5浓度明显高于2015—2017年(图10)，PM2.5平均质量浓度较2017年春节期间增加11 μg/m3；京津冀、山西中部、河北中部、河南北部地区空气污染尤其明显。内蒙古北部区域空气质量较好，且呈逐年改善趋势。区域南部空气质量较差，PM2.5平均质量浓度(不含内蒙古)为107 μg/m3，较2017年春节期间增加14 μg/m3，明显高于区域北部，重污染区域主要集中在以石家庄、邢台、邯郸、长治、晋城为中心的区域，总体呈恶化趋势。

图10 2015—2018年春节期间京津冀及周边区域PM2.5浓度分布Fig.10 Distribution of PM2.5 concentration in Beijing-Tianjin-Hebei and surrounding areas during the Spring Festival from 2015 to 2018

3 结论

1)2018年除夕至初六期间，京津冀及周边区域空气质量较差，出现较大范围污染，主要集中在京津冀、山西大部、河南大部及山东西部地区，其中以石家庄、邢台、邯郸、晋城、长治为中心的区域污染最重。

2)除夕下午开始，北京、石家庄、张家口、廊坊、保定5个城市烟花爆竹燃放相关离子(如Al3+、Ba2+等)浓度有不同程度增加。与2017年初一、初二相比，2018年北京、保定烟花源贡献率与贡献浓度明显下降。

3)源解析结果表明，除夕至初六，北京首要污染源为机动车尾气源，张家口、保定、太原、郑州等城市为燃煤源，廊坊为二次无机源，石家庄为工业工艺源。廊坊市烟花爆竹源占比超过10%，北京市烟花爆竹来源占比相对较小，占5.7%。

4)气象条件分析表明，2018年初一开始，京津冀及周边区域总体为静稳天气，微风、高湿、逆温等不利气象条件导致大气污染物不断积累和二次转化，使区域空气质量有不同程度恶化。