2. 北京科技大学能源与环境工程学院, 北京 100083
2. School of Energy and Environmental Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China
有研究表明, 污染物排放和不利气象条件是京津冀及周边重污染的主要原因[1~10].春节和元宵节期间, 我国大多数地区都有燃放烟花爆竹的传统习俗, 烟花爆竹燃放会在短时间内释放大量颗粒物和气态污染物, 导致空气质量迅速恶化, 即使是在有利于扩散的气象条件下, 烟花爆竹燃放仍可使污染物浓度短时迅速上升[11~15], 如果遇到不利气象条件, 可能进一步加剧污染状况[16~21], 危害人体健康和生态环境质量[22~24].近年来, 京津冀及周边城市相继出台了系列烟花爆竹燃放管控规定, 推动区域环境空气质量持续改善, 如北京市自2018年加强对烟花爆竹燃放的管控后空气质量显著改善, 与烟花爆竹相关的一次离子组分浓度增长倍数和对PM2.5及其组分的贡献率逐年降低[25], 淄博和济宁等城市2018年春节期间烟花燃放对PM2.5浓度的贡献也有所下降[26].因此, 研究春节及元宵节期间京津冀及周边地区污染过程特征和主要影响因素, 对区域生态环境管理和污染防治具有重要意义.
目前, 有研究针对春节和元宵节这个特殊污染时段展开, 如石琳琳等[27]基于激光雷达大气颗粒物消光系数实时数据和颗粒物自动监测数据, 研究了2016年北京市春节期间大气颗粒物的污染特征; 孙婷婷等[28]的研究利用近地面污染物浓度数据和激光雷达组网观测数据, 结合WRF气象要素、颗粒物输送通量和HYSPLIT气团轨迹, 综合分析了2018年春节期间京津冀地区污染过程; Wang等[29]研究了2006年元宵节期间空气主要污染物及其组分的特征, 并改进了量化烟花燃放污染贡献的方法.但多数研究仅关注单一城市或单一年份[30~38], 少有对区域污染程度的整体讨论和连续多年状况的比较分析, 缺少对春节和元宵节期间预报关键因素的回顾分析讨论.为此, 本文在复盘2021年春节和元宵节期间气象影响条件和PM2.5浓度演变过程的基础上, 分析了“2+26”城市污染过程特征、2016~2021年春节和元宵节前后3 d的PM2.5日均浓度和小时浓度特征以及2019~2021年两节期间PM2.5组分特征, 考察了气象因素对PM2.5浓度的影响, 探讨了影响北京地区预报结果的关键因素, 以期对今后环境空气质量预报、区域污染防治和精细化管控提供科学参考.
1 材料与方法 1.1 研究对象研究区域为京津冀及周边大气污染传输通道上的28个城市(“2+26”城市), 包括北京市, 天津市, 河北省的石家庄、唐山、廊坊、保定、沧州、衡水、邢台和邯郸市, 山西省的太原、阳泉、长治和晋城市, 山东省的济南、淄博、济宁、德州、聊城、滨州和菏泽市, 河南省的郑州、开封、安阳、鹤壁、新乡、焦作和濮阳市.
1.2 数据来源与评价方法京津冀及周边“2+26”城市PM2.5日均值、小时均值及空气质量指数AQI, 采用中国环境监测总站国家空气质量监测网城市空气质量自动监测审核数据, 并依据《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)和《环境空气质量评价技术规范(试行)》(HJ 663-2013)进行评价.PM2.5组分数据采用国家大气颗粒物组分网“2+26”城市组分观测数据.气象观测数据和静稳天气指数来源于国家气象中心共享数据, 空气质量预报相关数据为国家空气质量预报业务系统模拟数据.
2 结果与讨论 2.1 2021年春节至元宵节期间区域污染过程分析2021年春节, “2+26”城市在2月10~14日(腊月二十九至正月初三)期间出现了一次中至重度污染过程(图 1).腊月二十九(2月10日), 京津冀及周边地面由弱东北风转为偏南风, 晚间相对湿度逐步上升, 大部城市空气污染等级在前一天基础上上升了一个级别, 主要为轻至中度污染.除夕(2月11日), O3浓度达到近一周(2月5~11日)最高值, 大气氧化性增加, 有利于NOx向NO3-转化, 导致PM2.5浓度进一步上升[图 2(a)].除夕夜间至正月初一(2月12日)凌晨, 烟花爆竹燃放叠加较高湿度有利于SO42-大量生成.正月初一夜间至正月初三(2月14日)凌晨, 相对湿度快速上升并维持在较高水平, 导致SO42-大量生成, 区域污染过程持续.初三早晨起, 东北风加强, 扩散条件逐步转好, 污染缓解.正月初四[2月15日, 图 2(b)]起至正月十三(2月24日)期间, 区域大部城市空气质量优良, 个别城市轻度污染.
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图 1 2021年春节和元宵节前后“2+26”城市AQI日均值 Fig. 1 Air quality index for "2+26" cities during the Spring Festival and the Lantern Festival in 2021 |
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图 2 2021年春节和元宵节期间PM2.5浓度、风场和相对湿度分布 Fig. 2 Concentration distribution of PM2.5, wind speed and direction, and relative humidity during the Spring Festival and Lantern Festival in 2021 |
2021年元宵节前后, “2+26”城市在2月25~28日(正月十四至正月十七)期间出现了一次轻至中度污染过程(图 1).正月十四(2月25日), 地面由东北风转为东南风, 相对湿度快速上升, 扩散条件转差.元宵节当日[2月26日, 图 2(c)], 地面转为偏南风, 且风力较小, 有利于污染物积累, 叠加晚间烟花爆竹燃放影响, 污染物浓度进一步抬升, 大部城市空气质量以良至轻度污染为主, 北京、安阳、鹤壁、阳泉和菏泽等城市在元宵节至次日期间出现中度污染.直至正月十七(2月28日), 在西北风作用下, 整个区域污染逐步缓解, 到2月28日晚间22:00, 大部城市空气质量恢复至优良水平[图 2(d)].
2.2 近年春节期间空气质量分析2021年春节期间(农历腊月二十九至正月初一)“2+26”城市ρ(PM2.5)平均值为111 μg·m-3, 其中10个城市空气质量日均浓度达到重度至严重污染水平, 相比2020年同期, ρ(PM2.5)平均值下降了43 μg·m-3, 重污染城市数量减少了13个.比较2016~2021年农历历史同期, 2016年“2+26”城市ρ(PM2.5)平均值最低, 为76 μg·m-3, 重污染城市数量最少, 为6个; 2017年和2020年ρ(PM2.5)平均值相对较高, 分别为161 μg·m-3和154 μg·m-3, 重污染城市数量也较高, 均超过20个, 分别为22个和23个(图 3).
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图 3 2016~2021年春节期间“2+26”城市PM2.5浓度及重度污染城市数量 Fig. 3 Concentration of PM2.5 and the number of heavily polluted cities during the Spring Festival in "2+26" cities in 2016-2021 |
2016~2021年春节前后3 d小时ρ(PM2.5)变化趋势表明(图 4), PM2.5浓度变化受烟花爆竹燃放影响显著. 2016年除夕当日ρ(PM2.5)最低, 未出现小时浓度超标(<75 μg·m-3), 2018、2019和2020年除夕ρ(PM2.5)水平较低(<150 μg·m-3), 2017年和2020年除夕ρ(PM2.5)水平较高, 在200 μg·m-3左右.总体上, 除夕当日10:00~17:00期间PM2.5浓度呈下降趋势, 18:00~21:00 PM2.5浓度迅速升高, 一般至正月初一02:00左右达到高峰, 随后稍有下降, 在正月初一09:00左右又出现一个峰值.
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图 4 2016~2021年春节期间“2+26”城市PM2.5小时浓度变化 Fig. 4 PM2.5 hourly concentration in "2+26" cities during the Spring Festival in 2016-2021 |
2021年除夕夜间至正月初一凌晨, 受到烟花爆竹集中燃放影响, “2+26”城市PM2.5浓度明显升高, 在正月初一(2月12日)09:00达到峰值, 小时ρ(PM2.5)为156 μg·m-3, 24个城市小时PM2.5浓度达到重度及以上污染, 其中北京、唐山、保定、廊坊、衡水、德州、滨州和安阳等8个城市小时PM2.5浓度达到严重污染.正月初一白天, 大气扩散条件持续不利, 导致污染持续时间较长, 但对比近6年正月初一PM2.5浓度水平, 2021年“2+26”城市PM2.5浓度明显下降, 浓度峰值也为近6年最低.
“2+26”城市春节期间前后3 d重度及以上污染小时数统计结果表明(图 5), 2021年累计31 h出现严重污染, 为近6年最低; 360 h出现重度污染, 为近3年最低; 重度及以上污染小时数量较2020年明显下降.
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图 5 2016~2021年春节期间“2+26”城市重度及以上污染小时数量 Fig. 5 Hours of heavy pollution and severe pollution in "2+26" cities during the Spring Festival in 2016-2021 |
2021年“2+26”城市元宵节前后(正月十四至正月十六)ρ(PM2.5)平均值为85 μg·m-3, 期间无城市空气质量日均浓度达到重度及以上污染, 相比2020年同期, ρ(PM2.5)平均值下降了10 μg·m-3, 重污染城市数量减少了6个.比较2016~2021年历史同期, 2018年“2+26”城市ρ(PM2.5)平均值最低, 为76 μg·m-3; 2019年ρ(PM2.5)平均值最高, 为133 μg·m-3; 2019年重污染城市数量最多, 为19个, 2021年重污染城市数量为0(图 6).
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图 6 2016~2021年元宵节期间“2+26”城市PM2.5浓度及重度污染城市数量 Fig. 6 Concentration of PM2.5 in "2+26" cities and the number of heavily polluted cities during the Lantern Festival in 2016-2021 |
2016~2021年元宵节前后3 d PM2.5小时浓度变化趋势见图 7.整体上, 近6年元宵节当日00:00~10:00, PM2.5浓度呈缓慢上升趋势, 在10:00~16:00 PM2.5浓度有所下降, 17:00起明显上升, 22:00左右出现一个高峰, 随后稍有下降, 在第二天09:00左右又出现一个峰值, PM2.5浓度变化受烟花爆竹燃放影响较为显著, 与除夕至正月初一期间变化趋势相近. 2021年元宵节当天小时PM2.5浓度总体较低, 未出现超过150 μg·m-3的情况. 2016年和2017年, 元宵节当日17:00 PM2.5浓度上升迅速, 2018~2021年逐年趋缓.
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图 7 2016~2021年元宵节期间“2+26”城市PM2.5小时浓度变化 Fig. 7 PM2.5 hourly concentration in "2+26" cities during the Lantern Festival in 2016-2021 |
2021年元宵节夜间至正月十六凌晨, 受到烟花爆竹集中燃放影响, “2+26”城市PM2.5浓度明显升高, 在元宵节后1 d的07:00达到峰值, 小时ρ(PM2.5)为125 μg·m-3(低于正月初一峰值09:00的156 μg·m-3), 以轻度污染为主, 北京、阳泉、菏泽、安阳和鹤壁等5个城市出现小时中度污染, 未出现重度及以上污染. 对比近6年元宵节后1 d的PM2.5浓度水平, 2021年“2+26”城市PM2.5浓度较前4年明显下降, 浓度峰值为近6年最低.
从“2+26”城市元宵节前后3 d的重度及以上污染小时数量分析, 2021年区域严重污染小时数累计为3 h, 重度污染累计为69 h, 均为近6年最低, 重度及以上污染呈下降趋势(图 8).
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图 8 2016~2021年元宵节期间“2+26”城市重度及以上污染小时数量 Fig. 8 Hours of heavy pollution and severe pollution in "2+26" cities during the Lantern Festival in 2016-2021 |
2019~2021年春节及元宵节期间国家大气颗粒物组分网“2+26”城市组分观测结果见表 1.京津冀及周边区域2019~2021年春节及元宵节前后3 d, 除2019年春节期间为ρ(有机物)最高(30.41 μg·m-3)、2020年元宵节期间为ρ(硫酸盐)最高(21.19 μg·m-3)外, 其余时段均为ρ(硝酸盐)最高, 达26.69~33.77 μg·m-3, 体现出烟花爆竹燃放叠加扩散条件不利下的污染累积的特征. 2021年春节和元宵节期间, 烟花爆竹燃放特征组分氯盐较2019年分别下降22.1%和43.9%, 微量元素分别下降为37.7%和52.3%, 表明春节和元宵节烟花爆竹燃放影响逐步降低, 烟花爆竹禁限放成效显著.
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表 1 2019~2021年春节及元宵节期间“2+26”城市区域组分均值/μg·m-3 Table 1 Mean value of PM2.5 during the Spring Festival and the Lantern Festival in 2019-2021 in "2+26" cities/μg·m-3 |
2019~2021年春节和元宵节期间“2+26”城市组分占比情况见图 9.从中可知, 烟花爆竹燃放直接排放的组分氯盐、微量元素和元素碳组分均为春节期间占比高于元宵节, 表明春节受烟花爆竹影响大于元宵节. 2021年春节及元宵节的硝酸盐占比均为近3年最高值, 分别为27.5%和35.5%, 与秋冬季非烟花爆竹燃放阶段的特征相似, 表明2021年春节和元宵节的污染以常规污染累积为主导, 且为硝酸盐主导.
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图 9 2019~2021年春节和元宵节期间区域组分占比情况 Fig. 9 Proportion of regional components during the Spring Festival and the Lantern Festival in 2019-2021 |
2019~2021年春节和元宵期间, 德州、保定和廊坊为“2+26”城市中污染较重的城市, 其烟花爆竹燃放特征组分ρ(钾离子)峰值分别为87.61、85.87和56.71 μg·m-3, 除春节及除夕烟花爆竹燃放影响, 其余时段特征组分浓度处于较低水平.德州、保定和廊坊2021年春节前后PM2.5质量浓度重构见图 10, 污染最重城市廊坊ρ(有机物)较高, 为50.20 μg·m-3, 可能与本地工业排放叠加烟花爆竹影响有关.
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图 10 2019~2021年春节和元宵节期间污染较重城市PM2.5组分小时浓度重构 Fig. 10 Reconstruction of the hourly concentration of PM2.5 components in heavily polluted cities during the Spring Festival and the Lantern Festival in 2019-2021 |
春节和元宵节期间的空气质量一方面受到烟花爆竹集中燃放等污染源排放变化影响, 另一方面, 气象因素导致的污染扩散形势变化也是影响空气质量和污染过程长短的主要因素.“2+26”城市2016~2021年PM2.5平均浓度与部分气象因子均值见表 2, 近6年春节和元宵节期间气象因子与PM2.5平均浓度趋势见图 11和图 12.通常, 地面风向和风速主导污染的水平扩散方向和速度, 相对湿度影响污染物二次反应的生成速度.
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表 2 2016~2021年“2+26”城市PM2.5平均浓度与气象因子均值 Table 2 Average concentration of PM2.5 and the average value of meteorological factors in "2+26" cities from 2016 to 2021 |
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图 11 2016~2021春节期间气象条件与PM2.5浓度 Fig. 11 Meteorological conditions and PM2.5 concentration during the Spring Festival in 2016-2021 |
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图 12 2016~2021元宵节期间气象条件与PM2.5浓度 Fig. 12 Meteorological conditions and PM2.5 concentration during the Lantern Festival in 2016~2021 |
如图 11所示, 总体上近6年除夕傍晚起至正月初一上午PM2.5浓度均呈波动上升趋势, 但2016~2019年上升幅度明显高于2020年和2021年. 2016年和2018年春节期间相对湿度较低, PM2.5浓度受除夕烟花爆竹燃放影响, 2016年在正月初一凌晨和早间两次达到高值、2018年在正月初一上午达到峰值后, 地面气压逐步增加, 污染物的垂直扩散条件改善, PM2.5浓度随后快速下降. 2017年, 受除夕傍晚烟花爆竹燃放影响, PM2.5在正月初一凌晨达到峰值后, 相对湿度由50%左右逐步增加到80%左右, 地面气压同时逐步降低, 导致区域ρ(PM2.5)平均值近40 h维持在140~220 μg·m-3左右, 随后在偏北风作用下, 相对湿度逐步下降, 地面气压逐步增加, ρ(PM2.5)平均值快速下降. 2019年, ρ(PM2.5)平均值在正月初一白天达到峰值后, 相对湿度维持在40%~60%左右, 地面气压较低, 不利于污染物垂直扩散, 直至正月初二白天地面转为偏北风控制、气压上升时, PM2.5平均浓度才开始逐步下降. 2020年和2021年春节期间, 相对湿度较前4年明显偏高, 地面以偏南风为主, 不利于污染物扩散, PM2.5平均浓度在正月初一白天到达峰值后, 未出现大幅下降, 在不利气象条件下, 区域污染过程持续.
如图 12所示, 总体上近6年元宵节傍晚起至正月十六上午PM2.5浓度均呈波动上升趋势, 但2016、2017和2019年上升幅度明显高于其他3 a. 2016年元宵节期间相对湿度较低, PM2.5浓度在元宵节烟花爆竹燃放影响下快速升高, 随后在偏北风影响下迅速回落. 2017和2019年, PM2.5浓度平均值在元宵节当晚达到峰值后, 浓度波动下降, 正月十六傍晚时起, 随相对湿度增加, 浓度再次快速上升. 2018年, PM2.5浓度平均值在元宵节当晚达到峰值后, 地面气压一直相对较低, 大部地区相对湿度维持在70%左右, 不利于污染扩散, PM2.5平均浓度未明显下降. 2020年和2021年元宵节期间, 相对湿度较前2016~2018年明显偏高, 不利于污染物扩散, 但PM2.5浓度平均值在元宵节晚间至次日凌晨小幅升高外, 在次日午后明显下降, 从侧面反映出近两年烟花爆竹燃放对元宵节期间空气质量影响程度降低.
静稳天气是指当大范围近地面大气层持续或超过24 h出现气压较均匀, 静风或风速特小的天气[39].静稳天气时, 受高低层大气综合影响, 有利于污染物和水汽在排放源附近和近地层累积, 从而造成重污染天气.因此, 为定量描述气象条件是否有利于形成重污染天气, 基于湿度、风速、逆温强度、混合层高度等反映大气温湿条件及动力状况的气象因子, 构建了静稳天气指数[40~42].该指数能定量反映大气静稳程度, 表征大气水平与垂直扩散能力大小, 客观反映气象条件对污染物的扩散能力和污染形成的影响.选取北京、石家庄、邯郸和郑州从北至南4个典型城市, 对比2021年春节至元宵节前后PM2.5浓度与静稳天气指数关系(图 13).总体上PM2.5浓度与静稳天气指数变化趋势一致, 春节和元宵节期间静稳天气指数相对较高, 扩散条件较差, 均不利于污染物扩散.
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图 13 2021春节至元宵节前后PM2.5浓度与静稳天气指数 Fig. 13 PM2.5 concentration and static stability index during the Spring Festival and Lantern Festival in 2021 |
北京地区环境空气质量与其预报准确率受多种因素影响, 首先, 在各类天气型控制下, 输送汇的演变、移动和相继的或交替的移入特征, 都会对空气质量的分布有明显的影响[43, 44], 也会影响预报的准确率.在高空稳定西风带天气型控制下, 北京所处的燕山和太行山前输送汇形成后, 受边界层天气系统演变和移动的影响, 常形成输送汇及其伴随的风向在河北平原的区域性摆动及风向转换现象, 造成各类重污染中心的同步转移, 使预报结果与监测实况有一定偏差[45, 46].
其次, 华北中尺度气象预报, 特别是华北小高压的位置、强度和其高空移动气流的强度, 以及连续多日预报产品的稳定性等因素均可影响到包括北京在内的京津冀北部地区空气质量能否受到弱冷空气的影响, 增加了预测的不确定性.腊月二十七(2月6日)预测春节期间北京地区环境空气质量时, 根据该日起报正月初一(2月12日)500 hPa高度场气象资料显示[图 14(a)], 北京位于高压中心底部南端, 风力较大, 预计此种气象条件下地面高压向南移动, 弱冷空气能够改善北京地区空气质量, 因此当时预测北京2月12日空气质量有所改善.但腊月二十九(2月9日)预报时, 500 hPa高度场气象预报资料显示华北小高压消失, 风力明显减弱[图 14(b)], 因此2月9日时预测北京地区2月12日污染可能在前一日基础上维持或加重.影响北京地区空气质量的华北地面小高压强度一般较低, 地面一般会有弱冷空气影响, 有时能明显改善北京地区环境空气质量, 但有时也存在一定的不确定性.目前, 环境质量业务预报实践中分析地面天气形势所依靠的国内外主流气象预报产品, 对于华北小高压这种中小尺度天气系统的预测还存在一定偏差, 不同时次和时效预报产品变化较大, 导致气象预报产品准确性和稳定性降低, 从而影响空气质量预报效果.
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图 14 2021年2月6日和2月9日预测2月12日的气象条件 Fig. 14 Weather conditions for February 12th forecasted on February 6th and 9th, 2021 |
再次, 冬春季节交替期间气象变化较为频繁, 降低了气象预报的准确度, 影响环境质量预报效果.从2月9日起报提前72 h WRF气象模式对风速和相对湿度的预报值与实况值比较可以看出(图 15), 春节前后气象预报偏差较大, WRF气象模式对12日风速和相对湿度的预测与实况差别较大, 从而导致空气质量模式预报结果偏差较大(图 16).其他气象预报参考产品也存在一定偏差, 进而影响预报员人工订正结果的准确度.
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图 15 2021年2月9日起报提前72 h气象模式预报与实测结果对比 Fig. 15 Comparison of 72 h advance meteorological model forecast and measured results from February 9, 2021 |
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图 16 2021年2月9日起报提前72 h空气质量模式预报与实测结果对比 Fig. 16 Comparison of the model air quality forecast 72 h in advance and the measured results from February 9, 2021 |
此外, 春节期间烟花爆竹燃放的不确定性也是影响预报结果的重要因素.近年来, 京津冀及周边地区烟花爆竹管控总体逐年加严, 从京津冀及周边三省烟花爆竹管控情况可以看出(图 17), 北京的五环内、大兴区、顺义区和石景山区以及天津、山西和河南在2021年春节和元宵节期间全域禁燃.除个别城市或区县实行较为宽松的限制燃放(仅重点区域或场所禁燃, 其他区域在规定时间内限制燃放)措施外, 北京、河北和山东的大部区域实行区域禁燃政策(规定禁放区内禁止燃放, 规定限放区内限制燃放).由于部分地区实行区域禁燃和限制燃放政策, 烟花爆竹燃放规模和强度具有较大的不确定性, 也会影响空气质量预报结果.尽管近年来烟花爆竹燃放影响降低, 但为促进环境质量持续改善, 建议进一步加强烟花爆竹燃放管控, 特别是北京五环外及其周边城市烟花爆竹燃放管控.
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限制燃放指重点区域或场所禁燃袁其他区域规定时间限制燃放 图 17 2021年京津冀及周边三省烟花爆竹管控分布示意 Fig. 17 Distribution of fireworks and firecrackers prohibited in Beijing-Tianjin-Hebei and the surrounding three provinces in 2021 |
(1) 2021年春节期间(腊月二十九至正月初一), “2+26”城市ρ(PM2.5)变化受烟花爆竹燃放影响显著, 平均值为111 μg·m-3, 10个城市日均浓度达到重度至严重污染水平, 相比2020年同期下降了43 μg·m-3, 重污染城市数量减少了13个.尽管扩散条件持续不利, 但小时峰值ρ(PM2.5)仍为2016~2021年最低, 为156 μg·m-3.
(2) 2021年“2+26”城市元宵节前后3 d的ρ(PM2.5)平均值为85 μg·m-3, 小时峰值为125 μg·m-3, 期间无城市空气质量日均浓度达到重度及以上污染, 重度及以上污染小时数量为2016~2021最低.
(3) 组分观测结果表明春节和元宵节烟花爆竹燃放影响逐步降低, 烟花爆竹禁限放成效显著, 污染以常规污染累积为主导, 且为硝酸盐主导.部分城市春节期间有机物浓度较高, 可能与本地工业排放叠加烟花爆竹影响有关.
(4) 气象因子与PM2.5浓度对比分析表明, 风速风向、地面气压和相对湿度等气象条件均会影响PM2.5浓度, 影响环境空气质量和区域污染过程的长短.华北平原边界层输送汇及其摆动、华北小高压的位置、强度和其高空移动气流的强度、烟花爆竹燃放的不确定性, 以及冬春季节交替期间气象变化频繁导致的气象预报准确度较低等, 均是影响北京地区空气质量预报结果的关键因素.
(5) 为进一步改善区域环境质量, 保护人民身体健康, 建议北京及其周边城市实行更为严格的烟花爆竹燃放管控措施.
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