王雯燕，唐文哲，邓小丽，李国平，张雅斌，程 龙

(1.成都信息工程学院大气科学学院，四川成都610225;2.西安市气象局，陕西西安710016)

0 引言

在重大节日及喜事庆典上燃放烟花爆竹是中国人千百年来的一种传统习俗，是春节增加欢乐气氛的一项重要文化活动。“爆竹声中一岁除，春风送暖人屠苏，千门万户瞳瞳目，总把新桃换旧符”，宋代著名文学家、政治家王安石曾这样描绘春节燃放爆竹的场景。烟花爆竹的主要成分是黑火药，含有硫磺、木炭粉、硝酸钾，有的还含有氯酸钾，彩色烟花还要加入镁粉、铁粉、铝粉、锑粉及无机盐等其他特效药物。在引发后的高温、高压条件下，烟花爆竹中的物质发生一系列化学反应，产生多种金属、非金属氧化物，放出大量烟尘颗粒，导致大气中气溶胶粒子急剧增多。在空气污染日益严重的当下，燃放烟花爆竹产生的环境影响日益受到政府相关部门和社会民众的关注。很长时间以来关于烟花爆竹人们讨论研究较多的是储存、运输不当造成的爆炸、火灾[1－3]，燃放时带来的噪声污染[4－5]，点燃时操作失误造成的人员伤残，以及燃放烟雾引发的呼吸道疾病对身体健康的影响等[6－7]，而结合气象条件分析燃放带来的环境空气质量影响方面的研究较少。文中利用2014年春节期间西安市环境监测站污染物逐小时浓度监测数据，结合大气环流形势和近地面大气层结条件，分析了燃放烟花爆竹对环境空气质量的影响，为社会公众节日庆典理性燃放烟花爆竹提供参考数据。

1 资料来源

研究时段为2014年1月28日～2月6日，所用逐小时浓度数据取自西安市环境监测站对外公开发布网站。西安环境空气质量监测点位13个，其中阎良、临潼、长安、草滩远离市区，其余站点均匀分布在市区不同位置，监测要素有 PM2.5、PM10、SO2、CO、NO2等。

研究所用大气环流数据源于Micaps资料，近地面大气温度、湿度、风等层结资料取自西安探空站08、20时(北京时，下同)秒观测数据。

2 气象条件

研究表明，区域环境空气质量状况主要受两方面的影响:污染物排放量大小和气象条件的扩散稀释能力[8－11]。在污染物排放量变化不大的情况下，气象条件对环境空气质量状况起主导作用[12]，反之，在气象条件稳定的情况下，污染物排放量增减则是影响环境空气质量的主要原因。影响污染物扩散的气象条件有大气环流形势及近地面气象要素层结结构，与此有关的气象要素主要有温度、风，降水等[13－16]。

2.1 大气环流形势

500 hPa平均高度场上，2014年1月下旬以来，整个东亚地区为“两槽一脊”形势，低槽分别位于巴湖以西和东亚140°E～150°E附近，如图1(a)所示，新疆北部到蒙古国受东西走向的锋区控制，中国西北大部地区(包括西安)在弱的暖脊影响下，受偏西气流控制，等高线稀疏，风力较小，高空无明显冷空气影响;1日08:00～2日20:00，位于贝湖西部至巴湖北部的横槽快速转竖，移至蒙古国东部，见图1(b)，受横槽转竖影响，河套至陕西上空高空西北气流增大，西安上空风力由8 m/s增大至28 m/s。

图1 2014年春节期间西安大气环流形势

海平面平均气压场上，1月30日08:00，河套以北蒙古和中国西南地区为高压区，新疆和东部沿海为低压区，西安地区位于鞍形气压场中心位置，等压线稀疏，风力较小，如图1(c)所示;30日20:00陕北、关中大部分地区受低压控制，低压中心强度和气压梯度小;2日后受横槽转竖后槽后强冷平流南下影响，由图1(d)可见，河套至关中北部的气压梯度明显增大，风力加大，2日20:00时西安风速为1.2 m/s，至4日20:00已增大到6.5 m/s，而温度从9.9℃降低到－0.2℃。

2.2 近地面大气层结

2.2.1 温度

春节期间，西安近地面大气层结连续多日出现逆温，且全部为接地逆温，如图2所示。1月28日逆温厚度低、强度大;1月29日厚度增加，强度减小，早晚逆温的厚度和强度特征几乎相同，大气层结更加趋于稳定;29日20时至2月2日08时，连续多日近地面气温保持近乎一致的特征，表现为:(1)逆温厚度大，平均高度980 m，1日20时最高1306 m，30日08时最低727 m;(2)逆温结构稳定少变，相同时次逆温强度近乎一致，且08时普遍高于20时，08时逆温强度为1.1℃/100 m～0.1℃/100 m，20时为0.4℃/100 m～0.1℃/100 m;(3)08时逆温厚度普遍低于20时的，这是因为白天太阳辐射使近地面大气缓慢增温，导致20时逆温厚度增加、强度有所减小，经过夜间辐射冷却，08时逆温厚度减少、强度增加，如此反复。但31日20时厚度没有增加反而有所减少，主要因为自青藏高原有一短波槽东移过境，冷空气势力较弱，对该日逆温厚度略有影响，但没有从根本上改变层结结构。2日20时西伯利亚强冷空气持续南下，近地面大气温度结构不断调整，厚度减小，强度增大，3日20时接地逆温结构彻底消失。

图2 2014年1月28日～2月6日西安近地面大气温度层结特征

图2中多项式拟合曲线很形象地表示出当时西安近地面大气状况。春节中前期接地逆温深厚、强度稳定，暖而轻的空气像一层厚厚的被子罩在城市上空，使上下层空气流动减弱，抑制了垂直方向的大气交换和低层湍流运动，在此气象条件下，持续燃放烟花爆竹产生的污染物在近地面大气中“无路可走”，只好原地不动[17]，不断累积。

2.2.2 风场

风对大气污染物的稀释和输送起主要作用，在一定的范围内，风速越大，污染物的扩散能力越强，也越有利于污染物环境浓度的降低。图3为春节前后近地面风场时间-高度剖面，1月28日08时至2月3日20时西安近地面大气风场受东北气流控制，中、高层(1000 m以上)风速较大，但随着高度降低风速不断减小，地面风速≤1 m/s，风向以静风居多，其次为东北偏北风;2月4日08时风速自上而下显著增大。

图3 2014年1月28日～2月6日西安近地面大气层的风向、风速时间-高度剖面图

西安位于关中河谷盆地中部，三面环山，北临黄土高原，平均海拔高度不低于1000 m，南靠秦岭，平均海拔高度不低于2000 m，西至宝鸡逐渐闭合成一峡谷，东边呈喇叭口敞开，特殊的盆地川道地形本身就具有易堆积难扩散的特点，加之逆温层厚度始终维持在1000 m左右，地面层微弱的东北风很难将污染物抬升输送出去，导致环境空气质量恶化，空气污染指数激增。

3 燃放烟花爆竹对环境空气质量的影响

对比2014年春节期间各环境监测站点大气污染物逐小时平均质量浓度发现，各监测点环境空气污染物浓度曲线变化趋势较为一致，为了消除地理位置、人口密集程度、商贸经济繁荣状况等不同在燃放数量上的影响，气溶胶逐小时质量浓度取13站平均值进行分析研究。由图4可明显看出，1月31日至2月4日，PM2.5、PM10、SO2和CO的逐小时浓度曲线受集中燃放影响出现了非常显著的异常波动。

图4 2014年1月28日～2月6日西安环境监测站主要污染物逐小时平均质量浓度

3.1 污染物浓度的变化

根据天气形势和烟花爆竹燃放时间将污染物曲线变化分为3个时段分别进行分析，各时段污染物浓度平均值如表1所示，1月31日～2月3日，PM2.5、PM10、CO浓度平均值最大，1月28日～1月30日次之，2月4日～2月6日最小。2014年1月下旬以来，西安地区在静稳天气形势下，环境空气质量已经处于重度污染，30日 PM2.5、PM10、SO2和 CO 逐小时浓度平均 值 分 别 为 247 μg/m3、337 μg/m3、97 μg/m3和3 μg/m3，已经进入严重污染状态;31日零点(除夕)烟花爆竹集中燃放时，上述特征污染物浓度最高值达到617 μg/m3、958 μg/m3、210 μg/m3和5.115 μg/m3，分别增大了1.5、1.84、1.17和0.71倍;3日16时，在强冷空气作用下各监测点浓度逐渐下降;4日(初五)是春节燃放烟花爆竹传统习俗的最后一天，各污染物浓度有所增强，但较初一大幅度降低，降低的原因一方面是由于接地逆温结构破坏后大气湍流交换能力增强，另一方面是烟花爆竹燃放量减少;2月5日后，浓度曲线在低位呈现平稳波动。

表1 2014年春节前后西安不同时段污染物浓度小时平均值

值得注意的是在烟花爆竹燃放的集中时段，PM2.5、PM10和CO曲线都表现出相对稳定的持续性特征，而SO2浓度曲线却表现出明显的异常变化，快速升高后降低、再升高。根据SO2物理化学特性可知，SO2密度比空气大，具有易液化，易溶于水的特性，一般来说早晨由于温度较低，水汽在大气中的溶解度较低，湿度大，图5为春节前后近地面大气层湿度-高度剖面图，可清楚看到早间湿度明显高于其它时间，特别是1月31日、2月1日和2月2日，距地300 m高度范围内，湿度大且湿层厚度较高，造成SO2浓度在高位时出现明显的减小波动。

图5 2014年1月28日～2月6日西安近地面大气的湿度-高度剖面图

3.2 烟花爆竹燃放对空气质量指数的影响

首要污染物是反映一个地区污染最重的污染物。为了解燃放烟花爆竹产生的特征污染物对环境空气质量影响的大小，根据国家《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》(HJ633-2012)的项目污染物浓度限值表，计算各污染物逐小时空气质量分指数(AQI)。图6为2014年春节前后西安地区污染分指数逐小时变化曲线，由于SO2和CO分指数最高值分别为64和47，与 PM2.5、PM10相比较小，因此下面重点分析PM2.5和PM10空气质量分指数的变化。

28～30日(春节前)西安地区首要污染物为PM2.5，空气质量在重度和严重污染之间波动;30日(除夕)晚上21时PM10分指数突然增加，超过PM2.5成为首要污染物;2日(初三)中午和4日(初五)零时前后，PM10分指数均超过PM2.5。上述3个时间均是春节传统民俗中燃放烟花爆竹的密集时段，表明燃放烟花爆竹产生的PM10颗粒物最多，PM2.5次之，SO2和CO的产生量较少。

3日下午16时，在强冷空气作用下各污染物分指数大幅度降低，但在降低后至4日(初五)，PM10一直为首要污染物，可见冷空气侵入对降低、清除PM2.5污染的效果比PM10明显。

图6 2014年1月28日～2月6日西安主要污染物逐小时空气质量分指数(虚线为空气质量指数类别的分界线)

4 结论

基于西安地区2014年春节前后环境空气污染物监测浓度和近地面气象观测资料，分析了这一期间的大气环流形势，在这种天气背景下污染物浓度变化特征，以及燃放烟花爆竹对环境空气质量的影响，得到如下结论:

(1)2014年春节期间，西安高空受西北气流控制，地面位于低压中心，风力较小，近地面大气存在平均高度980 m、连续4天维持的接地逆温，在特殊的盆地川道地形和接地逆温的共同作用下气象条件非常稳定。

(2)燃放烟花爆竹产生的特征污染物主要是PM2.5、PM10、SO2和 CO，除夕集中燃放时浓度最高为629 μg/m3、958 μg/m3、210 μg/m3和5.115 μg/m3，分别达到春节前期平均值的1.5、1.84、1.17和0.71倍。

(3)烟花爆竹燃放对PM10空气质量浓度影响最大，其次为PM2.5。春节后期在冷空气作用下，各污染物浓度大幅降低，并且对粒径较小的PM2.5污染清除效果最为明显。

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