燃放烟花爆竹对北京城区气溶胶细粒子的影响

第6卷第5期2006年10月

文章编号：1009-6094（2006）05-0079-04

安全与环境学报

JournaIofSafetyancEnvironment

了研究。1

观测实验

VoI.6No.5Oct，2006

燃放烟花爆竹对北京城区气溶胶细粒子的影响!

徐

敬

1，2

测点具体选择在位于白石桥地区的北京舞蹈学院主楼顶。采样时间为2003年1月30日—2月25日，共获得27c有效数据。PM2.5和PM10质量浓度数据由美国RSP公司生产

，丁国安，颜

鹏，章建成，王淑凤，

的TEOM1400A颗粒物监测仪采集。采集原理基于微振荡天平法，采样时间间隔为0.51。在TEOM仪器旁路连接ACCU系统进行膜采样，采样膜选用TefIon膜和石英膜，每种膜隔天连续241采样，得到TefIon采样膜12张、石英采样膜15张，分别做20种元素（Mg、AI、Si、P、S、CI、K、Ca、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、和9种离子（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、Cu、Zn、AS、Se、Br、Pb）

孟昭阳1，张养梅1，刘玉彻1，张小玲2

（1中国气象局大气成分观测与服务中心，北京100081；

北京100089；2中国气象局北京城市气象研究所，

北京100081）3国家气象中心，

摘

要：为了研究燃放烟花爆竹对空气中气溶胶细粒子污染的影响，

采用TEOM于2003年1月31日—2月25日对PM2.5和PM10质量浓度和化学成分进行了研究，分析了春节期间北京城区气溶胶细粒子的污染特征。结果显示：燃放烟花爆竹会导致空气中PM2.5在短时间内上升到很高的水平，最大小时平均质量浓度达549!g/m3

，

平均每小时质量浓度增加100!g/m3左右。并且随着PM2.5质量浓度的上升，PM2.5在PM10中的比例也明显上升，

两者质量浓度小时平均值的比值最大可达0.9。稳定天气条件下，燃放高峰期过后随着粒径在2.5~10!m之间的较粗粒子的沉降（约需3~41），PM10的质量浓度下降，但PM2.5/PM10的比值仍持续偏高。燃放烟花爆竹导致PM2.5中以燃烧为代表的元素（S、P、AS）、部分金属元素（AI、Fe、Ti、Se、K）、可溶性离子成分以及OC的升高。这些成分与烟花爆竹的金属粉末、无机盐类，以及复杂的S、P化合物等主要成分吻合。

关键词：环境学；大气环境；北京；PM2.5；PM10；烟花爆竹中图分类号：X131.1

文献标识码：A

0引言

PM2.5是PM10中粒径较小的部分，

又称为细粒子，对人体健康的危害及对环境的污染在颗粒物中最为突出［1，2］

，因

此对PM2.5的成分、污染气象条件、来源等问题的研究也受

到越来越多的重视。大量研究结果表明［3-9］，目前北京地区

PM2.5污染较重，PM2.5的质量浓度水平存在明显的季节差异和日变化，并与气象条件密切相关。地面扬尘、建筑源、燃煤、机动车排放等是PM2.5重要的污染源。

北京自1993年开始实施《北京市关于禁止燃放烟花爆竹的规定》，但在春节期间偷放的现象却并没有杜绝，且近年有逐年增加趋势。北京市人大于2005年8月召开了立法听证会，最终建议：除夕-正月初七，限时限地燃放。

以往在“禁放”的背景下，人们在燃放烟花爆竹对环境影响的问题上关注较少，缺乏相关研究，几乎没有此类报道。为了研究燃放烟花爆竹对大气环境的影响，在2003年1—2月底进行了为期1个月的PM2.5和PM10监测，其中1月31日—2月7日适逢春节（除夕—正月初七）。本文利用TEOM在线监测颗粒物质量浓度和气溶胶膜采样的方法，对春节期间PM2.5质量浓度、化学成分，以及其与PM10的相互关系进行!收稿日期：2005-03-29

作者简介：徐敬，硕士，助理研究员，从事大气环境监测和研究。基金项目：国家重点基础研究发展规划项目（Tg1999045700）

；国家科学技术部国际科技合作重点项目（2004DFA06100）；科技部公益性重点研究项目（2001DIA10009）

。SO24-、

NO3-、F-、CI-），以及OC、EC分析。其中元素采用中子活化（NAA）和质子激发X射线能谱（PIXE）方法分析；可溶性

离子SO24-、

NO3-、F-、CI-和NH4+质量浓度用DENIX型离子色谱仪分析，阳离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+用原子吸收分

析［11］

；OC、EC质量浓度采用电热解方法分析。

结果分析

2.1

质量浓度2.1.1

逐时变化

图1是颗粒物质量浓度的逐时变化。PM2.5和PM10的

质量浓度变化呈现一致趋势。2003年1月31日是除夕，入夜后随着新年钟声响起，鞭炮声陆续不绝至次日清晨。从图1可以看出，燃放烟花爆竹高峰时段PM2.5和PM10小时平均质量浓度异常高，最大小时平均质量浓度同时出现在2月1日06：00，分别为549!g/m3和634!g/m3，而非燃放时段两者最高小时平均浓度在300!g/m3和400!

g/m3左右。图1春节前后PM2.5和PM10质量浓度的逐时变化

Fig.1

HourlyaveragemassconcentrationofPM2.5andPM10

2.1.2日变化

据文献［12］报道，PM2.5质量浓度有明显的日变化，而且各季日变化规律不同。冬季日变化显示PM2.5和PM10均有两个峰值，主峰值出现在夜间（23：00前后），次峰值出现在早晨（9：00前后）。这两个峰值出现的时间与气象条件日变化和交通运输密切相关。图2是春节前后PM2.5和PM10平均质量浓度日变化。本次观测中，春节后的日变化和以往研究结果的冬季日变化规律相同。春节期间（除夕-初七）8c平均日变化同样呈双峰型，每日夜间23：00开始质量浓度明显上升，次日05：00开始下降，其间是1个明显的主峰值区。这个峰值区持续时间长，质量浓度高，远远超过了中午前后的次峰值区。和非节日期间的日变化相比，春节期间主峰值区持

VO .6NO.5安全与环境学报第6卷第5期

图2

Fig.2

春节前后PM2.5和PMl0质量浓度平均日变化

DailychangeofaveragemassconcentrationofPM2.5andPMl0

续的时段与人们燃放烟花爆竹的时间相吻合。日常受交通运输的影响出现在每日早晨的峰值区在假日期间没有出现；春节期间的次峰值出现在中午前后。这可能与节日期间人们作息习惯改变，并且气温较低人们出门活动时间较晚有关。

春节期间和春节后PM2.5/PM10的日变化规律见图3。非节日期间该比值自每日的19：次日08：00前后开始上升，00开始下降。这段时间内的比值在0.5~0.6之间。次峰值出现在15：这个峰值的出现可能与光化学反应有关。00前后，春节期间自每日的23：次日05：00开始上升，00开始下降。这种规律与质量浓度变化规律一致。此外，夜间主峰值区的值较非节日期间明显偏高，其中凌晨02：00-06：00连续41大于0.8。虽然自05：但每日下午仍分布在0.600呈下降趋势，比非节日期间约为0.5的平均水平偏高。其中，~0.7之间，

非节日期间为0.53，春节期间为0.71。综合上面结果可以得出：燃放烟花爆竹导致空气中细粒子的质量浓度上升，PM2.5在PM10中的比例显著提高。2.1.3

燃放鞭炮和天气条件的影响

气象条件是污染物稀释扩散最重要的因子，在污染排放源一定的情况下决定着污染状况。地面观测记录显示，除夕（1月31日）夜为小风、静稳的天气形势。图4给出了1月31日和2月1日08：00的温度廓线。从图4中可以清楚地看出，逆温层顶在1月31日和2月1日08：00均有逆温层存在，10001Pa以下。这种贴近地面的逆温层极不利于近地层污染物的扩散，并且这种形势维持时间较长。受2月3日夜间冷空气活动的影响，4日08：00逆温形势被破坏。表1列出了风速和相对湿度。1月31日-2月4日每日41的风向、

除夕夜稳定的天气条件下，PM2.5和PM10质量浓度在（图5）。随着新年钟声的20：00—22：00均维持在较低的水平敲响，燃放鞭炮数量增加，PM2.5和PM10质量浓度在1日

表l

Tablel

1月31日

时间

风向东北

东北东西南

风速/湿度/

-1

（m・S）%

221

33402946

风向静风东北东西南

g/m3上升到10700：00分别由31日23：00的67!g/m3和100!

至g/m3和129!g/m3，11后分别达到327!g/m3和367!g/m3，!

2月1日06：00出现了最大小时平均浓度。随后，PM2.5和PM10质量浓度均明显下降，31后两者均下降到了较低的水平。PM2.5和PM10比值的逐时变化也呈现了同样的趋势（图

图3春节前后PM2.5/PMl0比值平均日变化Fig.3

DailychangeofPM2.5/PMl0

图4

Fig.4

08：00时的温度廓线

Temperatureprofileinthemorning

l月3l日-2月4日不同时刻风向风速和相对湿度

Humidity，winddirectionandspeedfromJanuary3ltoFebruary42月1日风速/湿度/

-1

（m・S）%

221

60803857

风向东北东北东北南

2月2日风速/湿度/

-1

（m・S）%

342

74412337

风向西南西南西南静风

2月3日风速/湿度/

-1

（m・S）%

210

69815769

风向西北西北西北西北

2月4日风速/湿度/

-1

（m・S）%

573

25292323

02：0008：0014：0020：00

2006年l0月徐敬，等：燃放烟花爆竹对北京城区气溶胶细粒子的影响Oc ，

2006

，5）l月3l日23：00前后PM2.5/PMl0逐渐上升；在2月l日其中0l：00：00—06：00大于0.8，00—02：00为0.9，06：00后下降，在0.7~0.8之间。2.2

化学成分

烟花爆竹主要成分是黑火药，含有硫磺、木炭粉、硝酸钾和氯酸钾，为了达到闪光的效果还要加入铝、铁、锑等金属粉末和无机盐。当烟花爆竹点燃后，木炭粉、硫磺粉、金属粉末等在氧化剂的作用下迅速燃烧，产生含碳、氮、硫等的气体及金属氧化物的粉尘，同时产生大量光和热。为了验证燃放鞭炮对PM2.5化学组成的影响，对春节期间4个样品和春节后以及OC和EC的分析。为了8个样品做了元素和离子成分，

便于比较，把PM2.5中的元素成分以质量浓度l!g

・m-3为界分作两组。结果（图6）显示：元素Al、S、K、Fe、P、Ti、V、Ni、As和Se质量浓度春节期间高于春节后，特别是元素S、P、K明显偏高。S、K元素偏高与烟花爆竹中的硫磺和钾盐的成分吻合；而P元素根据其挥发和凝结机理，它在细粒子中代表了

二次污染源

［l3］

。本文的结果中这个源很可能与燃烧有关。除此之外，元素As也是燃烧的典型元素。Al、Fe、Ti、Se等金属元素则很可能来自烟花爆竹中制造焰火效果的金属粉末。与春节期间的结果相比，节后以地壳元素为代表的Zn、Mg、Ca、Si等元素质量浓度明显上升，以汽车尾气排放为代表的Br、Pb元素以及钢铁制造业为代表的Mn、Cu、Cl元素也比节日期间偏高。PM2.5离子成分结果（图7）显示，分析的9种离

子K+、Na+、Ca2+、Mg2+、NH4+、SO24-、NO3-、F-、Cl-春节期的均高于节后，特别是NH4+、SO24-、

NO3-尤为突出。此外，OC和EC比较显示，

春节期间OC的浓度高于节后，而EC则相反，但差别不大。由上面分析可以看出，燃放烟花爆竹导致了PM2.5中以燃烧为代表的元素、

部分金属元素的升高；而节后恢复正常工作和生产，相应的交通运输量增大，汽车尾气排放和工业生产的代表元素，以及地壳元素明显上升。

3讨论

综合前面分析可以看出，烟花爆竹燃放导致空气中颗粒物质量浓度明显上升，并且上升速度较快。稳定的天气条件下遇燃放爆竹高峰期时，PM2.5和PMl0极高质量浓度持续的时间可达5~61左右，并且随着可吸入颗粒物质量浓度的上升，细粒子成分的比例也相应增加，比值维持在0.8~0.9之间。随着燃放源的减少，颗粒物浓度逐渐下降，PM2.5/PMl0比值也呈下降趋势，但最终维持在0.7~0.8的较高水平。这

个结果明显高于北京地区0.55的平均状况

［4］

。由此得出，烟花爆竹燃放导致了空气中可吸入颗粒物浓度的上升，特别是其中细粒子成分的升高尤为明显。随着燃放源的减少，数小时后PMl0的质量浓度会下降，但仍然较高。此时可吸入颗粒物以PM2.5为主，说明PMl0质量浓度下降主要以较大粒径粒子的沉降为主。通过本次观测结果，可以大致估算出粒径在2.5~l0!m的较粗粒子在稳定天气条件下的自然沉降

时间大约为3~41。

4结论

l）

燃放烟花爆竹会导致空气中PM2.5和PMl0质量浓度在短时间内迅速上升，两者最大小时平均质量浓度分别为549!g/m3和634!g/m3。

5除夕夜PM2.5和PM10质量浓度及比值逐时变化（1月31日20：00-2月1日20：00）

Fig.5

HourlychangeofPM2.5/PM10ValueintheLunarNewYear’sEVe

（a）高质量浓度元素

（b）微量元素

图6春节前后PM2.5元素质量浓度比较Fig.6

ComparisonofelementconcentrationinPM2.5

图7春节前后PM2.5离子质量浓度比较Fig.7

ComparisonofionconcentrationinPM2.5

图

Voi.6No.5安全与环境学报第6卷第5期

燃放烟花爆竹导致PM2.5在PM10中的比例明显升2）

高，除夕夜燃放烟花爆竹高峰时段出现的PM2.5和PM10小时平均值的最大比值达0.9。

燃放烟花爆竹导致PM2.5中以燃烧为代表的元素（S、3）

、部分金属元素（Ai、、可溶性离子成分以及P、As）Fe、Ti、Se、K）OC浓度的明显升高。

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Source

apportionment

fine

particies

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WANGShu-feng1，ZHANGYang-mei1，MENGZhao-yang1，LIUYu-che1，ZHANGXiao-iing2

（1CenterforAtmosphereWatchandServices，ChineseMeteoroiogi-caiAdministration，Beijing10081，China；2InstituteofUrbanMete-oroiogy，ChineseMeteoroiogicaiAdministration，Beijing100089，China；3NationMeteoroiogicaiCenter，Beijing100081，China）Abstract：Thepresentarticieaimstoreporttheauthors’investigationoftheeffectsofthefirecrackers’settingoffonfineparticiepoiiutioninBeijing’sdowntownareasduringtheSpringFestivaiperiodin2003.UsingTEOM（Taperedeiementosciiiatingmicrobaiance）se-ries1400Ainstrument，theauthorsobservedthedataofmassconcen-trationofPM2.5andPM10.Indoingtheinvestigation，wehaveiinkedACCUsystemtothebypassofTEOMinstrument，withsomefiiteraerosoisampiescoiiected.AndthenthechemicaicompositionofPM2.5wasanaiyzedwiththeabovementionedmethod.TheresuitsoftheabovesaidinvestigationreveaithatthefirecrackersfiringmadetheconcentrationofPM2.5extremeiyhighinashortmomentwithitsactuaiiyhouriymaximummassconcentrationreaching549!g/m3fromourobserveddata.WhiietheincreasingspeedofPM2.5masscon-centrationwentupasabout100!g/m3per-hourduringthedense

firecrackerstime.Inaddition，whenthemassconcentrationofPM10wasincreasing，thevaiueofPM2.5/PM10wouidaisoincreasesimui-taneousiybygettingto0.9.Underthestabieweathercondition，highconcentrationofPM2.5andPM10mayiast5-6hourswhenthefire-crackerswerefiringforiongertime.Insuchasituation，thesedimen-tationoftheparticieswhosediameterremainedfrom2.5to10!mmayieadtothedroppingoftheconcentration，thoughthepercentageofPM2.5inPM10maykeephigh.Thus，thefirecrackersmadetheconcentrationoftheeiementsS，P，As，Ai，Fe，Ti，Se，andK，theorganiccarbon，somesoiubieionsofPM2.5higher.Inconciusion，aiitheanaiogicaicompositionsoffireworks，suchasmetaiiicpowder，inorganicsait，suifidandphosphidecanbeprovedincorrespondencewiththeactuaipoiiutionthatoccurred.

Keywords：environmentaiscience；firecrackers；Beijing；PM2.5；

PM10；atmosphericenvironment

CLCnumber：X131.1

Documentcode：A

ArticleID：1009-6094（2006）05-0079-04

［［［［［［［［［［

燃放烟花爆竹对北京城区气溶胶细粒子的影响

作者：

徐敬，丁国安，颜鹏，章建成，王淑凤，孟昭阳，张养梅，刘玉彻，张小玲， XUJing， DING Guo-an， YAN Peng， ZHANG Jian-cheng， WANG Shu-feng， ZHANG Yang-mei， MENG Zhao-yang， LIU Yu-che， ZHANG Xiao-ling

徐敬,XU Jing(中国气象局大气成分观测与服务中心,北京,100081;中国气象局北京城市气象研究所,北京,100089)，丁国安,颜鹏,王淑凤,孟昭阳,张养梅,刘玉彻,DING Guo-an,YANPeng,WANG Shu-feng,ZHANG Yang-mei,MENG Zhao-yang,LIU Yu-che(中国气象局大气成分观测与服务中心,北京,100081)，章建成,ZHANG Jian-cheng(国家气象中心,北京,100081)，张小玲,ZHANG Xiao-ling(中国气象局北京城市气象研究所,北京,100089)安全与环境学报

JOURNAL OF SAFETY AND ENVIRONMENT2006,6(5)11次

作者单位：

刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

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10.洪也.周德平.齐颖.刘丹.马雁军.刘宁微.甘露林东北地区气溶胶质量浓度分布特征[期刊论文]-干旱区地理2010(2)

11.洪也.马雁军.李潮流.刘宁微.高少鹏.张云海沈阳冬季灰霾日大气颗粒物元素粒径分布特征[期刊论文]-环境科学研究 2011(6)

12.洪也.马雁军.韩文霞.周德平.刘宁微.张云海.王扬锋沈阳市冬季大气颗粒物元素浓度及富集因子的粒径分布[期刊论文]-环境科学学报 2011(11)

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