2022年湖南省春节期间环境空气质量特征及来源分析

刘妍妍，王彦琦，杨 力，张 琴，黎常成，肖童觉，张 政

(1.湖南省环境监测中心站，湖南 长沙 410019；2.湖南省湘潭生态环境监测中心,411100；3.湖南省郴州生态环境监测中心，湖南 郴州 423000)

1 引言

随着经济社会的高速发展，大气污染问题日益严峻[1～4]。春节是中国人民重要的传统佳节，节日里人们燃放烟花爆竹的传统习俗在增加节日气氛的同时，也导致了空气质量短时间内迅速恶化，引发重污染天气[5～7]。烟花爆竹的主要化学成份为黑火药，其中含有大量硫磺、硝酸盐、木炭等物质，有时也会加入镁铝等金属元素[8]。大量烟花爆竹集中燃放时，使空气中的颗粒物 PM2.5和其各种水溶性离子浓度迅速增加[9]。冬季由于气温较低，近地面空气流动性较弱，逆温较多，使春节期间空气污染物更加不易扩散[10，11]。

近年来，越来越多的研究开始关注春节期间大气污染和空气质量变化[12～16]。高庆先等[15]对2020年春节期间京津冀地区的大气重污染过程分析发现，烟花爆竹燃放对 PM2.5小时峰值的贡献率最高达80%，但其影响基本只有 5～10 h。孙燕等[16]针对1981～2015年春节前后南京常规气象资料和大气环境状况研究发现，春节期间的稳定天气形势会加剧污染天气的发生。现阶段对春节期间空气污染的来源分析情况研究存在空白。

基于此，本研究对2022年1月30日至2月6日春节期间湖南省发生的一次污染过程进行研究，对全省空气质量、各项污染物浓度、颗粒物组分浓度及气象条件基础进行趋势分析，利用PMF模型解析春节期间的主要排放源，并将上述情况与去年春节空气污染进行对比。以期为春节期间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。

2 数据来源

空气污染物浓度数据来源于湖南省环境空气国控监测站点，组分数据来自湖南省环境空气复合监测站，长沙市、株洲市、湘潭市、岳阳市和益阳市颗粒物组分站，气象资料来源于湖南省气象台。

3 结果讨论

3.1 春节期间全省城市空气质量情况

2022年春节期间，受持续雨雪天气影响，湖南省扩散条件比较有利，全省空气质量较好。

1月30日(腊月廿八)全省空气质量以优良为主；1月31日至2月1日(除夕至初一)受烟花爆竹集中燃放影响，空气质量迅速转差，多地短时出现了重度污染，但受烟花爆竹管控及雨雪清除作用影响，全省日均AQI等级依然以良至轻度污染为主，仅常德市、湘潭市为中度污染；2～3日(初二至初三)，烟花燃放量有所下降，持续雨雪天气过程，全省空气质量以优良为主；4～5日(初四至初五)，受高空弱脊控制，全省以多云间晴天为主，地面北风2～3级，空气质量优至良。初六受春节返程高峰影响，个别城市空气质量有所下降，常德市出现了轻度污染，其余13个市州以优良为主，详见表1。

3.2 除夕和初一全省城市环境空气质量情况

1月31日晚至2月1日(除夕晚和初一)，受烟花爆竹集中燃放影响，全省14个城市的PM2.5浓度均快速上升。2月1日(初一)，全省PM2.5平均浓度达最高值94 μg/m3，超标0.26倍。其中，常德PM2.5浓度最高，为145 μg/m3；长沙市、株洲市和湘潭市PM2.5浓度分别为112 μg/m3、95 μg/m3和118μg/m3。湘潭市、常德市2个城市空气质量等级为中度污染，邵阳市、岳阳市、张家界市、郴州市和永州市5个城市为良，其余7个城市为轻度污染，详见图1、图2。

图1 1月31日～2月6日(除夕～初六)14个城市日均PM2.5浓度变化情况

图2 1月31日～2月6日(除夕～初六)污染等级分布城市数和全省日均PM2.5浓度变化

从小时数据分析，除夕下午18时前，空气质量变化较为平缓，到18时全省14个城市中仅常德为轻度污染，其余13个城市均为优良，PM2.5平均浓度为46 μg/m3。约20时前后，湘中、湘北多个城市PM2.5浓度开始出现大幅上涨，长沙市、株洲市、湘潭市、常德市、益阳市、怀化市、娄底市和湘西州8个城市相继出现中至重度污染过程。至初一4时，全省小时PM2.5平均浓度升至期间最高水平，为126 μg/m3，超标0.68倍；4时之后，多数城市PM2.5开始出现明显下降；至初一16时，全省各城市AQI均回到良至轻污水平。除夕至初一期间，郴州市和邵阳市小时AQI未出现轻度以上污染时段，常德市出现2 h的严重污染。

燃放烟花爆竹所带来的PM2.5浓度升高效应非常明显。除夕夜18时后，PM2.5浓度出现升高，至2月1日午后，污染程度显著缓解，详见图3。基于这个变化过程，除夕夜18时可视为PM2.5的初始浓度，全省46 μg/m3，除夕夜19时至初一下午17时，可视为PM2.5的污染浓度，全省平均95 μg/m3。两者比较，鞭炮集中燃放期间，PM2.5浓度平均升高了2.1倍。尤其是湘西州，其本底PM2.5浓度较低(36 μg/m3)，燃放鞭炮期间，PM2.5小时浓度最高达到246 μg/m3，升高了6.8倍。常德市PM2.5的浓度为全省最高，PM2.5小时浓度最高达到308 μg/m3，较本底值(82 μg/m3)也升高了3.8倍。由此可见，燃放烟花爆竹引起的PM2.5浓度增幅是比较显著的，详见图3。

图3 除夕至初一全省14个城市逐小时重污染城市数量及全省PM2.5平均浓度变化

3.3 春节期间全省污染情况同比分析

春节期间(除夕至初六)，全省PM2.5的平均浓度为51 μg/m3、PM10为59 μg/m3、SO2为5 μg/m3、NO2为11 μg/m3、CO为0.9 mg/m3、O3为78 μg/m3。与2021年春节(除夕至初六)相比，全省PM2.5的平均浓度下降12.1%，除常德市(20.6%)、张家界市(64.5%)、永州市(14.3%)和湘西州(11.9%)4个城市上升外，其它10个城市均有不同程度的下降，幅度在-32.1%～-2.2%之间，其中下降幅度较大的有长沙市(-32.1%)、株洲市(-31.3%)和郴州市(-30.8%)；全省PM10的平均浓度同比下降13.2%，除常德市(27.8%)、张家界市(47.8%)、永州市(2.1%)和湘西州(1.8%)4个城市上升外，其他10个城市均有不同程度的下降，幅度在-36.9%～-9.7%之间，其中下降幅度较大的有株洲市(-36.9%)、娄底市(-33.7%)和长沙市(-32.9%)；全省SO2、NO2、O3平均浓度分别下降28.6%、21.4%和7.1%，CO平均浓度与去年持平。见表3。

表3 2022年与2021年春节期间14个城市环境空气污染物浓度情况对比统计

初一是烟花最集中燃放的时段，对比2021年春节，今年初一全省PM2.5浓度(111 μg/m3)相较于去年初一(94 μg/m3)降低15.3%，其中邵阳、株洲、郴州下降最为明显，下降幅度分别达52.7%、48.4%和42.2%详见表4。

表4 2022年与2021年初一空气质量对比

全省小时浓度最高值出现在常德初一4时，PM2.5浓度为(308 μg/m3)，相较去年全省PM2.5小时浓度最高值(长沙初一3时)461 μg/m3下降了33.2%，PM2.5小时浓度高峰值下降明显。

3.4 春节期间气象影响条件分析

2022年春节期间阴雨天气较多，湿清除条件总体较好，但受持续静稳小风、地面弱辐合等不利气象条件影响，水平扩散条件较差。前期1月31日至2月3日(除夕至初三)，受地面冷空气和中低层切变线共同影响，省内大部分地区小到中雨，大气湿清除条件较好；初三夜间至初六白天，天气转好，气温略有回升，垂直扩散条件略有改善，同时初六受弱北风影响，湘北有输入性污染。初六夜间省内自西向东又出现新一轮雨雪天气，湿清除逐步增强。具体分析如下。

3.4.1 降雨

春节期间，全省气温偏低，出现两轮低温雨雪冰冻过程。除夕凌晨至初三白天，全省湘北、湘西地区出现雨夹雪或雪，局地出现暴雪；初三夜间至初六白天天气转好，初六夜间开始省内自西向东又出现新一轮雨雪天气，全省阴天有小到中雨，湘北出现雨夹雪或雪。

3.4.2 风

从水平扩散条件来看，除夕至初二，地面10 m风场以静风为主，湘东北-湘西南及湘中一带存在地面弱辐合线，水平扩散条件差，有利于本地污染物的积累和爆发；初三至初五以静稳天气为主，水平扩散条件差；初六开始全省逐渐转为偏北气流为主。

3.4.3 气温

除夕至初二，全省地面气温偏低，初二当天气温最低，平均值达到2.5 ℃，初三至初五，地面气温略有回升，垂直扩散条件略有改善。初六夜间受地面冷空气影响，地面气温有所下降，湘北地区24 h温度降幅达到6.6 ℃。

3.4.4 逆温

除夕至初六，全省无贴地逆温，逆温层较高且均处于边界层以上，对垂直扩散无明显影响。

3.5 颗粒物组分监测结果

由于常德市组分站缺少离子组分数据，故重点城市中只分析长沙市、株洲市、湘潭市、岳阳市和益阳市5个城市。

3.5.1 颗粒物组分分析

从除夕(31日)上午开始，岳阳市、长沙市、株洲市、湘潭市和益阳市各组分站一次燃烧排放组分和二次离子同步上升，有机物、元素碳等不完全燃烧组分浓度较平时明显升高，其中典型的烟花爆竹燃放相关的硫酸根离子、钾离子和镁离子等组分变化更为突出。

基于湖南省环境空气复合监测站PM2.5组分数据，利用PMF模型解析出春节期间主要有5类排放源，分别为二次源、烟花爆竹燃放、机动车尾气、工业排放和扬尘。

图4 颗粒物化学组成

其中1月31日夜间至2月1日凌晨烟花爆竹燃放贡献最为突出；4日午后至5日天气转晴，环境湿度大幅下降，二次源贡献明显降低；机动车排放表现为除夕及初六返程高峰贡献较大；扬尘源逐日变化较为稳定，且贡献较小；工业排放源贡献自5日起增大，表明此时工厂、企业逐渐复工，解析结果与组分分析结论较为一致。

图5 颗粒物组分时间序列

5个重点城市组分站与烟花爆竹燃放相关的组分也有同样变化，与春节前(1月30日)相比，除夕-初一(1月31日至2月1日)硫酸根、氯离子、钾离子、镁离子均为正向变化，硫酸根离子最大变化率在3%～669%范围内，其中，湘潭市颗粒物组分站点变化率最高，从节前的4.78 μg/m3升高至36.74 μg/m3；氯离子变化率在62%～2389%范围内，其中，湘潭市颗粒物组分站点变化率最高，从节前的0.65μg/m3升高至16.18 μg/m3，钾离子变化率在600%～1482%范围内，变化率最高的仍为湘潭市颗粒物组分站点，从节前的1.58 μg/m3升高至25.00 μg/m3，镁离子变化率在936%～4000%范围内，变化率最高站点为湘潭市颗粒物组分站点，从节前的0.10 μg/m3升高至4.10 μg/m3，详见表5。

表5 1月31日-2月1日(除夕至初一)重点城市及复合站主要组分增长率 %

3.5.2 较去年春节同期对比

从占比情况来看，去年烟花爆竹燃放示踪物如硫酸根、钾离子占比更大，从浓度值来看，去年春节硫酸根、钾离子、氯离子、镁离子平均浓度分别为15.6 μg/m3、7.2 μg/m3、4.6 μg/m3、1.3 μg/m3，今年春节较去年相比烟花爆竹示踪物均有明显下降，下降幅度分别为46.2%、48.2%、48.3%、67.7%，相应PM2.5平均浓度下降28.7%，烟花爆竹集中燃放时段，PM2.5峰值浓度下降42.9%(去年333 μg/m3，今年190 μg/m3)，今年春节烟花爆竹燃放影响大幅下降。

4 结论

(1)1月31日至2月1日(除夕至初一)多地短时出现了重度污染，全省PM2.5日均浓度于初一达到最高值94 μg/m3，PM2.5小时浓度在初一4时达到最高值126 μg/m3，分别超标0.26倍和0.68倍。

(2)与2021年春节期间同期对比可知，2022年春节期间空气质量较往年明显提升，全省PM2.5的平均浓度较2021年春节(除夕至初六)下降12.1%。初一全省PM2.5浓度同比降低15.3%，小时浓度峰值下降了33.2%，未产生重度污染天，同比减少3 d。

图6 特征物种时间序列

图7 颗粒物来源结构变化

(3)烟花爆竹燃放仍是加重春节期间空气污染的重要因素，集中燃放时段颗粒物总组分明显升高。颗粒物峰值时期，钾离子、硫酸根、镁离子、氯离子等烟花爆竹示踪物大幅升高，与此同时大气扩散条件较差，致颗粒物浓度迅速升高，初一昼间烟花爆竹燃放影响减弱，加之水平风速增大，垂直扩散相对好转，颗粒物浓度降至良级水平。

(4)春节期间24 h不间断空气质量预报工作为春节假期环境空气质量提供保障，对环境管理部门的管控决策提供技术支持。结合初一烟花爆竹燃放情况及空气质量实况来看，全省烟花爆竹管控效果明显。