中国31个城市大气污染物“春节效应”时空变化研究

邓湘文，曾小敏

陕西师范大学 地理科学与旅游学院，西安 710119

城市化和工业化进程不断加快，高强度的霾污染事件在人口密集的城市频繁发生，大气污染问题日益显著，严重影响了中国居民的身体健康（Kong et al，2015a；Maione et al，2016；Vecchi et al，2008）。春节期间（主要是正月初一凌晨）燃放烟花爆竹是中国的传统习俗，但是烟花爆竹的燃放会释放大量的颗粒物、重金属以及有毒有机物，导致空气质量在短时间内迅速恶化（Moreno et al，2007；张小玲等，2008；Yerramsetti et al，2013；Seidel and Birnbaum，2015）。烟花爆竹的主要化学成分为黑火药，其中含有大量硫磺、硝酸盐、木炭；有时烟花爆竹内会加入镁铝等金属元素，使其在燃烧时呈现不同的颜色；大量烟花爆竹集中燃放时，使空气中的颗粒物PM2.5和各种水溶性离子浓度迅速增加，并且使、、、和浓度增加（徐敬等，2006；马莹等，2016）。另一方面，春节作为中国的传统节日，期间也是中国人口大幅度迁移扩散的主要时间；大部分城市往往因为企业停产、机动车锐减和建筑工地停工等因素使得城市空气质量表现出良好的趋势（谢瑞加等，2018）。以上两种因素的叠加影响使得春节期间大气污染物浓度变化有其特殊性，本文将之定义为“春节效应”。

近年来，越来越多的研究开始关注春节期间的大气污染和空气质量的变化（张小玲等，2008；Kong et al，2015b）。张小玲等（2008）发现北京市除夕和元宵节大量燃放烟花爆竹导致颗粒物浓度（PM2.5）在短时内快速上升，但是SO2和NO2浓度没有明显变化。谢瑞加等（2018）发现泉州市烟花爆竹集中燃放时段，SO2、PM10和PM2.5浓度明显升高，尤以PM2.5的升高最为显著。据Feng et al（2012）报道，除夕夜上海市大气PM2.5质量浓度超过300 μg ∙ m−3，其中75%来源于烟花爆竹燃放。但目前的研究还存在一定局限性。在空间上，前人的研究区域主要集中在单个城市，或者长株潭、京津冀、珠三角等区域性城市群（赵伟等，2015；昌晶亮等，2016；Gao et al，2018），全国范围的研究很少；在时间上，之前的研究多集中于除夕到春节当天小时分辨率的大气污染的研究（洪盛茂等，2003；李令军等，2006；Zhang et al，2010），较长时段的大气污染变化研究还很少。另外，之前的研究焦点集中于“春节效应”的第一个方面（烟花爆竹对空气质量的影响），忽视了污染工业的关闭对于大气污染的影响。基于此，本研究利用2014年全国31个城市共270个自动监测站的主要大气污染物（PM2.5、NO2和SO2）逐日监测数据，利用极端值和方差分析方法探讨春节期间（2014-01-17 — 2014-02-14）各城市的时空分异，以期为春节期间中国城市的大气污染分布特征以及大气污染区域联防联控提供一定依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

选取31城市（22个省会、5个自治区首府、4个直辖市，不含港澳台地区）作为研究对象，分别为：北京、合肥、福州、兰州、广州、南宁、贵阳、海口、石家庄、郑州、哈尔滨、武汉、长沙、长春、南京、南昌、沈阳、呼和浩特、银川、西宁、济南、太原、西安、上海、成都、天津、拉萨、乌鲁木齐、昆明、杭州和重庆。

1.2 研究时段

研究时段为2014年春节期间（1月17日至2月14日）。由于2014年春节主流的法定假期为2014年1月30日至2月5日。因此，将研究时段分为三段：春节前期（2014年1月17日至1月29日），春节中期（2014年1月30日至2月5日）和春节后期（2014年2月6日至2月14日）。

1.3 数据来源

空气污染数据来源于城市空气质量实时发布平台（http://106.37.208.233:20035/）。一共获取了31座城市共270个自动监测站三种主要大气污染物（PM2.5、NO2和SO2）的质量浓度日变化统计数据。同一城市不同监测站的污染物浓度数据，取平均值代表该城市当天的污染物浓度数据。对应城市的日分辨率气象数据（气温、降水、相对湿度、风速）来自中国气象数据网（http://data.cma.cn/）。研究所用数据的时间跨度为2014-01-17—2014-02-14。在数据处理过程中，遵循《环境空气质量标准（GB 3095 — 2012）》，满足数据的有效性和准确性。

1.4 研究方法

（1）烟花爆竹燃放对大气污染物影响研究方法：选择烟花爆竹燃放影响最大的一天——正月初一作为研究对象。借鉴树木年轮学极端值的计算方法—— Cropper值（Cropper，1979；Neuwirth et al，2007），计算各个城市正月初一大气污染物的Cropper值。具体计算过程如下：首先，运用SPSS软件对研究时段各种污染物的变化序列进行Z—score标准化；然后，将序列进行5 d的中心滑动平均；最后，用每一年的标准化值除以5 d滑动平均值得到Cropper值。当Cropper值≤1表示没有影响；1＜Cropper值≤1.28时表示该有较弱的影响；1.28＜Cropper值≤1.645时表示有较强影响；Cropper值＞1.645时表示有极强影响。

（2）污染工业关闭对大气污染物影响研究方法：运用单因素方差分析（ANOVA）方法分析春节前期（1月17至1月29日）、春节中期（2月2日至2月5日，除去烟花爆竹燃放影响最大的1月30日至2月1日）和春节后期（2月6日至2月14日）三个时段三种大气污染物浓度是否存在显著差异。

（3）大气污染物与气象要素关系分析：运用皮尔逊相关系数法计算三种大气污染物与气温、降水、相对湿度和风速的关系，显著性检验采用双尾检验。

2 结果与讨论

2.1 春节期间三种主要大气污染物平均浓度空间分布特征

春节期间各城市PM2.5、NO2和SO2平均浓度都体现了明显的地域差异（图1）。中纬度城市PM2.5浓度普遍高于高低纬度城市，而西藏、华南地区和边境地区的部分城市其PM2.5浓度相对来说较低。其中，PM2.5平均浓度最高的城市为石家庄（210 μg ∙ m−3），最低的城市为拉萨（23 μg ∙ m−3）。从NO2平均浓度空间分布来看，各地分布不一，但华北地区及其周围城市和乌鲁木齐NO2浓度较高，NO2平均浓度最高的城市为石家庄（70 μg ∙ m−3），最低的城市为海口（13 μg ∙ m−3）。对SO2而言，北方城市SO2平均浓度普遍高于南方城市且浓度差异较大。其中，SO2平均浓度最高的城市为沈阳（156 μg ∙ m−3），最低的城市为海口（7 μg ∙ m−3）。

图1 中国春节期间三种主要大气污染物浓度的空间分布Fig. 1 Spatial distribution of three main air pollutants concentrations in 31 cities of China during the Spring Festival

综合来看，2014年春节期间中国三项污染物（PM2.5、NO2和SO2）浓度空间分布特征不尽相同，在空间上呈一定聚集特点。其中西安、武汉、华北地区及东北地区城市三项污染物浓度在全国范围内较高，拉萨、海口、福州等城市三项污染物浓度在全国范围内较低。

2.2 春节期间三种主要大气污染物受烟花燃放的 影响

根据各城市的春节烟花燃放管理条例，在春节期间的除夕夜、正月初一等时间，市区内部分地区可以燃放烟花，即实行“限放”不“禁放”的规定。2014年正月初一（1月31日）当日各城市的三种主要污染物浓度变化受烟花燃放的影响程度不同（图2）。其中各城市的PM2.5、SO2浓度变化受烟花燃放影响程度较大（不受影响的城市分别仅占34%和42%）；NO2则普遍无影响（不受影响的城市高达84%）。表明正月初一燃放烟花爆竹对大气污染物浓度升高的贡献主要体现在PM2.5和SO2上。

图2 正月初一各城市三种主要大气污染物Cropper值分布Fig. 2 Cropper value of three main air pollutants in 31 cities of China in the first day of lunar month

从空间上来看，PM2.5浓度变化受烟花燃放影响程度较小的城市主要分布在华中地区、华北地区，这些城市是中国主要的工业城市，可能是由于平日工厂开工所释放的污染物浓度大于春节期间烟花爆竹燃放所释放的污染物浓度；此外，中国的超大城市（北京和上海）也没有受到明显影响，这可能是由于平日工厂开工和人们日常活动（如取暖、行驶机动车）所释放的污染物浓度大于春节期间人口减少后烟花爆竹燃放所释放的污染物浓度。

烟花燃放对中国西部（银川、昆明等）和部分中部城市（石家庄、太原等）的大气SO2浓度没有明显影响。原因可能是这些地区自然资源（如煤矿、有色金属矿）丰富，所设立的重工业工厂（如发电厂、冶炼厂、化工厂）在非春节期间产生的SO2与春节期间烟花爆竹燃放产生的SO2大致相当（施择等，2014；翟广宇等，2015；崔凤等，2018）。

总体而言，正月初一烟花爆竹的燃放对NO2没有明显的影响，只有个别城市（乌鲁木齐和呼和浩特）受到烟花燃放影响程度较大，说明烟花燃放产生的NO2对这些城市大气污染物的影响较大。

2.3 春节前期、春节中期和春节后期三种主要大气污染物浓度对比

就全国平均情况看来，春节中期大部分城市三种主要大气污染物的浓度都比春节前期低，而与春节后期差异不明显（图3）。从空间来看，北方城市三种大气污染物浓度在春节中期与春节前期的差异比南方城市小。

对比春节前期与春节中期，PM2.5浓度变化有显著差异的城市其地理位置没有明显的集中。将其与春节期间PM2.5平均浓度对比可知，大部分PM2.5浓度变化较显著的城市其春节期间PM2.5平均浓度较低（如乌鲁木齐、昆明等），可能是较低的浓度本底导致PM2.5浓度变化较为明显。对比春节中期与春节后期，北方城市PM2.5浓度变化没有南方城市明显，可能是由于北方地区冬季取暖对其有着持续的影响。

NO2浓度在大部分城市春节前期和春节中期的变化均较为显著。NO2的主要来源为化石燃料燃烧、闪电、生物质燃烧、土壤等（Martin et al，2003），其中化石燃料燃烧的场所主要是工厂，工厂的运行与停工可能对春节前期与春节中期NO2浓度变化有明显的影响。从空间上来看，北方城市春节前期和春节中期NO2浓度差异的显著性没有南方城市明显，可能由于北方城市春节期间NO2浓度普遍大于南方城市，导致其浓度变化的显著程度没有南方城市高。北方城市中仅有拉萨和济南在春节前期与春节中期的NO2浓度变化没有显著差异。拉萨春节中期和春节前期NO2浓度没有显著差异的原因，可能是因为拉萨主要居住人口一般过藏历春节，而2014年的藏历春节在3月；而济南市春节前期和春节中期NO2浓度没有显著差异的原因，可能是当年春节期间受到冷暖气团交替控制，污染物扩散条件差从而累积，2月2日后受强冷空气影响，风速加大，大气污染物浓度降低（周姣姣和吴泉源，2018）。

对比春节中期与春节后期，各城市NO2浓度变化的显著程度降低，仅有东北方四座城市（天津、长春、哈尔滨、沈阳）、西部两座城市（乌鲁木齐、拉萨）NO2浓度变化的显著程度较高。这可能是由于春节中期空气质量较好，而大部分城市春节后期工厂返工所造成的大气污染物在短时间内累积不多。

对比春节前期与春节中期SO2浓度变化发现，差异显著的城市主要集中在南方城市。对比春节中期与春节后期发现，没有SO2浓度变化极其显著的城市。可能是由于春节中期空气质量较好，大部分城市春节后期工厂返工所造成的大气污染物在短时间内累积不多。

综合来看，2014年春节期间，中国南方城市三种空气污染物浓度变化的显著程度大于北方城市，但北方城市中乌鲁木齐、哈尔滨、长春的三种空气污染物浓度变化也较为显著。总体而言，春节效应在各城市间存在时空差异。

2.4 春节期间三种大气污染物浓度变化与气象要素的关系

从2014年春节期间气象数据来看，全国天气总体平稳，无明显冷空气影响，无强降温、强降水等重大灾害性天气，期间受弱冷空气影响，各地稍有降雨，湿度大，风速适中，污染物扩散条件较差。

气温、湿度、风速因素对不同城市的不同污染物浓度影响不一致（表1）。但总体上风速、降水与污染物浓度呈负相关，因为较大风速会加速污染物的扩散，从而导致其浓度下降；而降水导致大气污染物沉降，使其浓度下降（马莹等，2016）。由于2014年春节期间全国范围内降水并不丰富，因此降水因素对污染物浓度影响不是很大。

气温与PM2.5浓度显著相关的城市较多，其中大部分城市为正相关。温度升高时太阳的辐射强度增加，O3浓度因光解而增大，从而促使大气中的SO2和NO2等被氧化生成与，加速了前体物转化为水溶性离子的过程，从而使PM2.5质量浓度升高（Martin et al，2003）。气温与NO2和SO2浓度显著相关的城市并不多，可能是由于气温的绝对高低与NO2、SO2的扩散条件无明显关系。虽然相对湿度与三种污染物显著相关的城市很多（PM2.5、NO2和SO2浓度与其相关的城市数量分别为8个、14个和14个），但是目前关系机制还不明确，不同的学者对不同地区的研究都得出了不同的结论（Wang et al，2007；曹兰，2014；郭胜利等，2015；Li et al，2017），仍需开展进一步研究。

将该结果与春节期间三种污染物平均浓度分布进行对比可知，三种污染物浓度与气象要素的显著性与其浓度大小没有明显关系；将该结果与春节期间各城市空气污染物Cropper值分布进行对比发现，与相对湿度相关性达到显著的城市普遍受烟花燃放影响显著，可能是由于湿度对正月初一燃放烟花所造成的污染物的扩散影响较大；将该结果与春节期间空气污染物浓度变化方差分析结果进行对比得知，二者之间没有明显的关系，说明春节期间空气污染物浓度变化的主要原因可能与社会活动（如工厂开工、取暖）有关。

3 结论

（1）2014年正月初一（1月31日），烟花爆竹的燃放对于大气污染升高的影响主要体现在PM2.5和SO2浓度上，对NO2浓度变化没有明显影响。但对于华中地区、华北地区等中国主要的工业城市而言，春节期间反而出现三种主要大气污染物浓度降低的现象。可能由于平日工厂开工所释放的污染物浓度大于春节期间烟花爆竹燃放所释放的污染物浓度，导致烟花爆竹的燃放对于大气污染物浓度的影响并不明显。

（2）对比春节前期、春节中期和春节后期发现，春节中期大部分城市三种主要大气污染物的浓度都比春节前期低，而与春节后期差异不明显，其中北方城市PM2.5浓度变化没有南方城市明显，表明取暖对其有着持续的影响；大部分城市的NO2浓度变化则是在春节前期和春节中期之间有着明显差异（显著城市占94%），工厂的运行与停工对春节前期与春节中期NO2浓度变化影响较大。从空间来看，南方城市三种大气污染物浓度在春节中期与春节前期差异比北方城市大，可能与北方城市冬季供暖有一定关系。

（3）气温、湿度、风速因素对不同城市的不同污染物浓度影响不一样。但总体上风速、降水与污染物浓度呈负相关，气温与PM2.5浓度呈正相关，与NO2、SO2浓度变化无明显关系。湿度对正月初一燃放烟花所造成的污染物的扩散影响较大。春节期间空气污染物浓度变化的主要原因可能与社会活动（如工厂开工、取暖）有关。

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（4）春节期间爆竹燃放所引起的污染是暂时的，可顺应民俗，规定燃放时间和地区，并有效控制。应该着重注意工厂污染物排放的控制，以及北方供暖区域的取暖方式和来源控制。

致谢：感谢中国城市空气质量实时发布平台(http://106.37.208.233:20035/)和中国气象数据网(http://data.cma.cn/) 提供的数据共享服务。