近年来，短期空气质量恶化事件以及其对人类健康的长期影响越来越受到人们的关注(Tertre et al.，2002; Yorifuji et al.，2010; Pope et al.，2006).其中，春节作为中国最重要的节日，会在短时间内燃放大量的烟花爆竹，进而导致空气质量在短时间内急剧恶化.燃放烟花爆竹可能造成伤亡事故(Van Kamp et al.，2006; Witsaman et al.，2006)，同时会释放大量的颗粒物(Vecchi et al.，2008)、气态污染物(Attri et al.，2001; Ravindra et al.，2003)、金属元素和有机成分(Moreno et al.，2007; Wang et al.，2007)，进而降低能见度(Vecchi et al.，2008).周变红等(2013)研究表明春节期间有机碳(OC)、元素碳(EC)、水溶性有机碳(WSOC)、非水溶性有机碳(WIOC)高于春节期间的其他正常时段1.7倍、1.2倍、1.4倍和2.2倍.乔利平(2014)研究表明燃放烟花爆竹对上海PM和SO₂的影响最为显著，对NO_x和CO的影响较弱.Drewnick等(2006)利用飞行时间气溶胶质谱(TOF-AMS)研究显示，德国美因茨新年夜燃放烟花对钾、硫酸盐、有机物和氯化物的影响显著.Kulshrestha等(2004)的研究发现印度排灯节期间Ba、K、Al、Sr是节前的1091、25、18和15倍；Tsai等(2012)在台湾地区也发现元宵节期间 PM_2.5中Mg、K、Pb和Sr是非燃放时段的10倍以上.Babu等(2001)发现印度排灯节期间黑炭浓度增加了3倍以上，邹强等(2014)研究发现苏州烟花爆竹燃放高峰期OC的浓度明显上升，赵金平等(2011)发现泉州春节期间多环芳烃的浓度明显高于正常时段.张小玲等(2008)研究表明气象条件是影响北京春节期间整体空气质量的主要因素.

目前，北京(王占山等，2015)、上海(Zhang et al.，2010)、南京(王红磊等，2014)、西安(周变红等，2013)、太原(耿红等，2015)、泉州(赵金平等，2011)等地也已率先开展了研究燃放烟花爆竹对环境空气质量的影响.但是长三角沿海城市春节期间空气质量的研究还相对较少，特别是多点位的连续时间尺度的研究更是缺乏.嘉兴市作为长三角地区的重要沿海城市，是浙江北部的沪杭、苏杭交通干线中枢，与上海、杭州、宁波、绍兴、苏州等城市相距均不到百公里，属于典型的亚热带季风气候，冬季湿冷，盛行偏北气团，不利于污染物扩散.研究春节期间的大气污染特征，对认识和了解烟花爆竹燃放对大气污染物形成的影响具有重要意义.此外，嘉兴春节期间，工业生产、建筑施工等活动水平大幅下降，周边地区污染源排放量也明显降低，烟花爆竹燃放为该时间段主要污染源.因此，本研究利用2015年嘉兴市区春节期间3个监测站点的常规污染物(PM₁₀、PM_2.5、SO₂、NO₂、CO、O₃)数据和南湖区残联站的OC和EC，分析了烟花爆竹的燃放对颗粒物质量浓度、污染气体浓度和OC/EC的浓度的影响，分析了嘉兴市不同功能区和不同空气质量条件下烟花爆竹的燃放对大气污染物的污染特征的影响，为合理引导烟花爆竹燃放相关法规的修订和污染控制措施的制定提供参考.

大气环境监测数据来自嘉兴市空气质量自动监测网络，分别为嘉兴市南湖区残疾人联合会楼顶的监测站点(残联站，北纬30°45′，东经120°47′，海拔高度28.5 m，距地高度约25 m)，清河小学监测站点(清河小学站，北纬30°46′，东经120°44′，海拔高度23.5 m，距地高度约20 m)和市区北部的大气特征污染因子监测站(北部站，北纬30°47′，东经120°44′，海拔高度10.5 m，距地高度约7 m)(见图 1).残联站位于嘉兴市的新城区，周围以居民区为主，没有明显的污染排放源；清河小学站为嘉兴市的老城区，人口较为密集，交通相对拥堵；北部站位于穆湖森林公园西岸，距东侧禾欣实业和韩泰轮胎约500 m和900 m，距北侧晓星化纤约1000 m，能够大致反映工业区的污染物变化特征.其中，残联站和清河小学站是嘉兴市2个国控点位，北部站是市控点位，3个站点装备了先进的大气成分自动监测设备，基础设施条件较完善，各监测站点周边位置及地理环境如图 1所示.2015年的观测时间为2015年2月1日—28日，其中2月18日00：00—2月24日23：00作为春节期间，其余时间段作为非春节期间.2013年春节期间为2月9日—2月15日，非春节期间为2月1日—2月8日和2月16日—2月28日；2014年春节期间为1月31日—2月6日，非春节期间为1月1日—1月30日和2月7日—2月28日.

图 1(Fig. 1)

图 1 监测站点分布图 Fig. 1 Locations of the monitoring stations

残联站和清河小学站的PM₁₀和PM_2.5采用美国热电公司生产的SHARP-5030颗粒物监测仪.监测仪采用β射线衰减的原理，颗粒物样品采集在C14碳源和检测器之间.2个站点的污染气体观测采用美国热电环境设备公司的EMS系统(包括42i化学发光NO-NO₂-NO_x分析仪、49i紫外发光O₃分析仪、43i脉冲荧光SO₂分析仪和48i气体相关滤光CO分析仪)，具体的仪器参数见文献(沈利娟等，2014).残联站同时监测了OC、EC颗粒物，采用Sunset Laboratory的半连续OCEC仪器，应用NIOSH5040方法测定OC和EC，具体原理和过程见文献(Rattigan et al.，2010).北部站的PM₁₀和PM_2.5采用美国热电公司生产的1405DF监测仪，采用滤膜动态测量系统(FDMS)配合微量振荡天平法(TEOM)，将室外空气(加热后)抽入以恒定速度通过一张滤膜，持续称量滤膜的质量并实时测量质量浓度.污染气体采用美国API生产的M100E紫外荧光SO₂分析仪、M201E高精度化学发光NO_x/TNX分析仪，具体的仪器参数见文献(张磊，2008)，所有数据均采用小时值.

图 2为2月18日至2月24日7 d时间内3个站点PM₁₀和PM_2.5浓度变化和日变化趋势.由图可见，3个站点的PM₁₀和PM_2.5浓度的时间变化趋势大致相同，除夕(2月18日)凌晨开始颗粒物浓度开始缓慢上升，除夕当天出现典型的两峰一谷分布特征，在07：00和13：00左右分别出现峰值.残联站、清河小学站和北部站在13：00左右的PM₁₀浓度分别为132、168和155 μg·m^-3，是非春节期间PM₁₀均值(88、93、70 μg·m^-3)的1.5、1.8和2.2倍；PM_2.5浓度分别为74、82和53 μg·m^-3，是非春节期间PM_2.5均值(61、71、35 μg·m^-3)的1.2、1.2和1.5倍.19日凌晨07：00出现峰值，残联站和清河小学PM₁₀浓度分别为101和146 μg·m^-33，是非春节期间的1.1和1.6倍；PM_2.5浓度分别为66和79 μg·m^-3，是非春节期间的1.1和1.1倍；北部站由于该时段内缺少对应数据，在此不做对比.之后降水颗粒物浓度迅速降低.2月21日04：00出现一个小峰值，随后颗粒物浓度持续缓慢升高.22日20：00—23日01：00颗粒物浓度达到春节期间最大值，残联站、清河小学站和北部站的PM₁₀浓度分别高达190、263和147 μg·m^-3，是非春节期间的2.2、2.8和2.1倍；PM_2.5浓度分别高达156、158和78 μg·m^-3，是非春节期间的2.6、2.2和2.2倍.研究发现，烟花爆竹燃放集中时段大气颗粒物的平均数浓度、表面积浓度和体积浓度较未受烟花爆竹燃放影响同时段平均值均有明显增加，且不同粒径段的颗粒物所受影响程度不一(赵素平，2012)，PM_2.5化学组分中无机离子(如K⁺、SO^2-₄、Cl^-、Mg²⁺、Na⁺)的上升是导致春节期间PM_2.5升高的重要污染来源(王占山等，2015).Wang等(2007)对2006年北京市元宵节期间空气质量的研究表明，NO^-₃的平均浓度是平日的7倍.之后颗粒物浓度迅速降低，并维持在较低水平，这说明烟花爆竹的燃放可使得空气质量急剧恶化，但是这种影响持续时间较短，这与王红磊等(2014a，2014b)的研究基本一致.23日之后PM_2.5浓度较低且变化不大，PM₁₀出现几次零星的峰值.由PM的日变化规律可发现春节期间和非春节期间3个站点PM均在下午18：00—19：00出现峰值，这主要为边界层日变化造成.但是春节期间3个站点PM在00：00也存在峰值，这主要由烟花爆竹的燃放造成，这与国内外研究者认为燃放烟花爆竹会明显增加颗粒物浓度(Barman et al.，2009; Chang et al.，2011; Joly et al.，2010; 赵金平等，2011; 周变红等，2013)的结果较为一致.此外由图 2还可发现春节期间PM₁₀在00：00的峰值变化要大于PM_2.5的峰值变化，这说明烟花爆竹燃放对嘉兴市PM₁₀的影响更大.

图 2(Fig. 2)

图 2 春节期间和非春节期间PM2.5和PM10时间序列和日变化趋势 Fig. 2 Time series and diurnal variations of PM2.5 and PM10 during firework and non-fireword period

由图 2可发现由于监测站点的周边环境不同，PM受烟花爆竹燃放的影响程度也不同.烟花爆竹燃放导致00：00相对于23：00的PM₁₀浓度增幅为清河小学(29.1%)>残联站(4.1%)>北部站(2.7%).PM_2.5浓度增幅为清河小学(5.4%)，残联站(3.6%).由图 1可知残联站和清河小学站周边均为居民区，北部站周边多为工厂为工业区.工厂在春节期间多处于放假停产状态，因此影响最小.

图 3为不同站点SO₂、NO₂、CO和O₃在春节期间和非春节期间的平均日变化特征.烟花爆竹在燃放时会释放大量的CO、SO₂、SO₃、NO_x和各种氧化物，这些气态污染物在适宜的大气环境中经过化学和光化学反应生成H₂SO₄和HNO₃气体，当城市大气中原生粒子浓度较高时，它们会在原生粒子上凝结并与其中的某些物质发生反应，转化成硫酸盐和硝酸盐(金军等，2007)，进而增加颗粒物浓度水平.春节期间3个站点的SO₂浓度在00：00—01：00时间段内分别出现明显的峰值，北部站由于地理位置和观测仪器的不同，其峰值浓度低于其他两个站点，表明烟花爆竹燃放对SO₂的影响比较显著，00：00相对于23：00的浓度增幅为清河小学站(42.2%)>残联站(36.5%)>北部站(34.5%).NO₂浓度在春节期间的日变化较为平缓，没有出现明显的峰值，3个站点NO₂浓度从22：00到00：00之间呈现较弱的上升趋势，说明NO₂受春节烟花爆竹影响相对较弱，其中增幅为清河小学站(15.8%)>残联站(9.2%)>北部站(8.1%).春节期间，残联站的CO浓度在21：00后开始缓慢上升直至次日早晨，清河小学的CO浓度在00：00左右出现明显的峰值，且峰值浓度高于对应时段内的非春节期间平均小时值，随后有所下降，表明烟花爆竹燃放对CO的贡献较大，清河小学站的浓度增幅(6.7%)大于残联站(5.7%).此外，春节期间CO浓度在11：00—17：00这一时间段内远高于非春节期间的平均小时值，清河小学站点周边地区为嘉兴市老城区，人口较为密集，生物质和煤炭等CO人为排放源较多.春节期间夜间的O₃浓度高于非春节期间，Attri等(2001)研究发现烟花爆竹燃放时可产生大量的波长在240 nm以下的亮光，这些辐射可将O₂解离为O，进而可促进臭氧的生成，如式(1)所示.

图 3(Fig. 3)

图 3 春节期间和非春节期间污染气体的日变化 Fig. 3 Diurnal variations of traces gases during firework and non-firework period

由于近年来灰霾事件频发，针对春节期间大量燃放烟花爆竹造成的空气质量恶化的情况，2012年12月11日杭州市、嘉兴市、湖州市签订了《杭嘉湖市界重点区域烟花爆竹“打非治违”联动机制工作协议》，建立了杭嘉湖市界重点区域烟花爆竹“打非治违”工作联动机制和联席会议制度(http://news.haining.gov.cn/bmdt/201212/t20121213_255293.htm).嘉兴周边地区也逐步对春节期间烟花爆竹燃放时间做了相应规定，如杭州规定2013年春节可燃放烟花爆竹为18 d，2014年为4 d，2015年仅为3 d(http://biz.zjol.com.cn/system/2014/11/13/020355516.shtml).为了验证政策实施以来对春节期间烟花爆竹燃放的影响，对2013—2015年春节期间和非春节期间3个站点的PM₁₀、PM_2.5、SO₂、NO₂、CO、O₃的平均值进行对比分析，结果如图 4所示.

图 4(Fig. 4)

图 4 2013—2015年春节期间和非春节期间的污染物浓度对比 Fig. 4 Comparisons of air pollutants during firework and non-firework period in 2013—2015

根据中国天气(http://www.weather.com.cn/)记录可知，2013年2月6—9日和2月17—20日，2014年1月7—22日、2月8—18日和26—28日，2015年2月5—9日和22—27日嘉兴分别有冷空气过境，冷空气带来降温降水过程.由香港天文台(http://gb.weather.gov.hk/)公布的天气图可知，2013年春节期间嘉兴多位于高压中心，等压线稀疏，天气形式稳定.2014年春节期间除2月1日嘉兴受弱低压控制外，其余时段均受大陆冷高压的控制.2015年春节期间除2月21日受低压控制外，其余时段也均为高压控制，且等压线较为稀疏.综上所述，2013—2015年春节前后均有不同程度的冷空气影响嘉兴，春节期间嘉兴主要受高压控制，天气形式稳定.即2013—2015年嘉兴春节期间天气形式基本一致，污染物受天气条件的影响差异较小.

由于2013年残联站春节期间PM₁₀数据缺失，对该时段的数据不做具体分析.除2013年，春节期间的PM₁₀和PM_2.5浓度均不同程度的低于非春节期间.2013年春节期间(2月10日)出现了1次以PM_2.5为首要污染物的重度污染过程，清河小学站和北部站的PM₁₀日均浓度分别达到283和240 μg·m^-3，残联站、清河小学站和北部站的PM_2.5浓度分别达到182、268和180 μg·m^-3.2014—2015年，残联站、清河小学站和北部站春节期间PM₁₀浓度相比非春节期间均值的平均降幅为10.3%、6.8%和12.2%，PM_2.5浓度平均降幅为15.4%、13.2%和18.1%.

由图 4可知2013—2015年春节期间SO₂和NO₂浓度均不同程度的低于非春节期间，残联站、清河小学站和北部站SO₂的平均降幅分别为42.5%、45.1%和46.1%，NO₂的平均降幅为43.9%、38.8%和29.7%.CO在2013和2015年春节期间的浓度低于非春节期间的平均值，而2014年春节期间要高于非春节期间.2014年春节期间(2月2日)出现了1次重度污染过程，此次过程不同于2013年春节期间的重度污染过程，除了颗粒物浓度相对较高外，CO在该日的日均浓度分别高达2813和2786 μg·m^-3，小时浓度最高达到4100和3700 μg·m^-3.2013、2015年春节期间，残联站和清河小学站CO浓度的平均降幅分别为20.4%和15.1%.2013—2015年，O₃在春节期间的浓度均高于非春节期间，残联站和清河小学站的平均增幅分别为20.1%和22.1%.可见，虽然受春节期间烟花爆竹燃放的影响，但大气污染物浓度(除O₃)整体上要低于非春节期间的平均水平，表明污染源减排对空气质量的正影响较为明显.O₃作为二次生成物，在春节期间的浓度均要高于非春节期间.

由图 4可知，2013年3个站点颗粒物浓度的增幅相差不大，PM₁₀浓度在春节期间的增幅为18.9%~19.8%，PM_2.5浓度在春节期间的增幅为20.0%~28.7%.2014—2015年3站点颗粒物浓度在春节期间均低于非春节期间，北部站在2014年PM₁₀的降幅最大可达20.4%，而在2015年降幅最低仅为4.1%；残联站正好相反，2014年PM₁₀降幅最低(3.3%)，2015年降幅最大(17.2%).3个站点PM_2.5在2014年春节期间的降幅分别为残联站(7.9%)、清河小学站(0.9%)和北部站(15.8%)，在2015年的降幅分别为残联站(22.8%)、清河小学站(25.6%)和北部站(20.3%).

由图 4可知，2013—2015年，SO₂浓度在不同监测站点的降幅较为一致，整体表现为2014年春节期间的降幅最高(73.5%~82.2%)，其次为2015年(48.0%~54.2%)，2013年最低(2.6%~8.0%).3个站点NO₂浓度在2015年的降幅较为一致(34.6%~38.8%)，在2013和2014年的降幅为残联站(30.7%和62.4%)>清河小学站(26.7%和51.1%)>北部站(17.0%和37.6%).CO浓度在2013和2014年的降(增)幅均表现为清河小学站高于残联站，而在2015年相反.残联站和清河小学站CO浓度在2013年的降幅为13.9%和23.9%，在2014年的增幅为2.6%和22.6%，在2015年的降幅为27.0%和6.2%.2013—2015年，O₃浓度的增幅在残联站和清河小学站的相差不大，表明春节期间O₃浓度的分布较为均匀.残联站和清河小学站2013年春节期间O₃的增幅分别为18.4%和17.3%，2014年的增幅为23.0%和23.6%，2015年的增幅为18.9%和20.5%.

图 5为不同空气质量条件下，烟花爆竹燃放对残联站PM、OC和EC浓度分布的影响情况.当0≤AQI≤50时为优(天气)，51≤AQI≤100时为良(天气)，AQI≥101时为污染(天气).当AQI为优时，PM₁₀和PM_2.5在春节期间均呈三峰分布，PM₁₀峰值分别出现在04：00、08：00和16：00，PM_2.5峰值出现在04：00、08：00和19：00，PM₁₀和PM_2.5均在04：00达到最高值(43和25 μg·m^-3).PM₁₀和PM_2.5在非春节期间呈双峰分布，峰值均出现在07：00和21：00，PM₁₀和PM_2.5在21：00达最高值(74和51 μg·m^-3).当AQI为良时，PM₁₀和PM_2.5均未出现明显的峰值特征，春节期间在00：00出现最高值(95和62 μg·m^-3)，非春节期间18：00—19：00出现最高值(98和63 μg·m^-3).当AQI为污染时，PM₁₀和PM_2.5自10：00浓度开始快速增加，13：00以后春节期间的浓度值均要高于非春节期间的浓度值；PM₁₀和PM_2.5在非春节期间呈双峰分布，峰值均出现在10：00和19：00，各物种的峰值浓度相当.总体来说，非春节期间PM在不同空气质量条件下的日变化分布基本一致，均为双峰型分布，峰值多与上下班高峰期对应.而在春节期间PM的日变化受烟花爆竹燃放的影响更大，且这种影响随着污染程度的增加而变大.

图 5(Fig. 5)

图 5 不同空气质量条件下PM、OC和EC的日变化 Fig. 5 Diurnal variations of PM, OC and EC under different air quality conditions

当AQI为优时，OC日均值在春节期间(8.4 μg·m^-3)要高于非春节期间(7.9 μg·m^-3)，春节期间OC出现多个峰值；EC在非春节期间呈双峰分布，峰值出现在07：00和18：00；春节期间在午后12：00开始浓度急剧上升，18：00出现峰值.Babu等(2001)、周变红等(2013)和邹强(2014)研究发现烟花爆竹的燃放可产生大量的OC和BC.嘉兴烟花爆竹的燃放对OC的影响较大.春节期间EC的变化主要由于人们出行时间发生变化造成.当AQI为良时，OC、EC在春节期间的变化较平稳，在02：00出现极大值；在非春节期间呈双峰分布，峰值出现在08：00和18：00，在18：00达最高值(13.8和5.0 μg·m^-3).当AQI为污染时，春节期间OC、EC浓度在12：00之后呈上升趋势，类似于AQI为优的变化特征，00：00出现极大值；在非春节期间呈双峰分布，峰值出现在08：00—09：00和17：00—18：00，各物种的峰值浓度相当.可见烟花爆竹燃放对嘉兴市OC、EC 有不同程度的影响.AQI为优和污染条件时，其日变化受烟花爆竹燃放的影响较大.

当AQI为优时，SO₂、NO₂和CO的日变化在春节期间均较为平缓，在02：00出现峰值，主要是由烟花爆竹燃放造成；非春节期间在21：00—23：00出现最高值(31、63和580 μg·m^-3).O₃在春节期间00：00出现高值，这也说明了烟花爆竹燃放能产生一定的O₃.

当AQI为良时，SO₂、NO₂和CO在春节期间00：00出现峰值，随后缓慢下降.SO₂和NO₂在04：00开始升高，07：00—12：00之间出现峰值；CO浓度波动较大，出现多个峰值.在非春节期间SO₂在09：00出现最高值(34 μg·m^-3)，NO₂和CO呈双峰分布，09：00和18：00分别出现峰值，18：00出现最高值(70和780 μg·m^-3).O₃在春节和非春节期间均为单峰型分布，峰值出现14：00左右.但是夜间春节期间O₃浓度远高于非春节期间浓度，说明烟花爆竹的燃放对O₃的影响在夜间要大于白天.当AQI为污染时，SO₂在春节和非春节期间均为双峰型分布，但是在春节期间峰值分别位于04：00和15：00—16：00，非春节期峰值出现在10：00和18：00，春节期间SO₂在04：00达最高值(45 μg·m^-3)，之后迅速降低，说明受烟花爆竹的影响较大.春节期间NO₂变化平缓，在夜间浓度较大，0：00出现最大值52 μg·m^-3，08：00—12：00出现最低值.CO在春节期间日变化与NO₂类似，在07：00出现最低值，随后开始上升并保持在较高的浓度水平，但是存在较多波动.非春节期间，NO₂和CO均呈双峰分布，峰值出现在07：00—08：00和18：00—21：00.当AQI为污染时，烟花爆竹燃放对SO₂、NO₂和CO浓度分布的影响最显著.O₃在春节期间为双峰型分布，07：00—08：00出现峰值，主要受烟花爆竹的燃放的影响.

1)春节烟花爆竹燃放显著影响PM₁₀和PM_2.5的浓度，残联站、清河小学和北部站在23日00：00左右达最高值，PM₁₀浓度分别为190、263和147 μg·m^-3，是非春节期间的2.2、2.8和2.1倍，PM_2.5浓度分别高达156、158和78 μg·m^-3，是非春节期间的2.6、2.2和2.2倍.烟花爆竹燃放对污染气体的影响存在差异，对CO和SO₂的浓度影响较大，对NO₂和O₃的浓度影响较小.由于监测站点周边环境不同，烟花爆竹燃放对大气污染物的影响程度也不同，烟花爆竹燃放对嘉兴市老城区大气污染物的影响最大，其次是新城区，对工业区影响最小.

2)污染源减排对大气污染物的影响比较大，2013—2015年嘉兴市春节期间大气污染物浓度(PM₁₀、PM_2.5、SO₂、NO₂、CO)整体要低于非春节期间，其中SO₂的降幅最大为42.5%~46.1%，NO₂(29.7%~43.9%)，CO(15.1%~20.1%)的降幅次之，PM_2.5的降幅为13.2%~18.1%，PM₁₀的降幅最小为6.8%~12.2%.O₃作为二次生成物，在春节期间的浓度均要高于非春节期间，增幅为20.1%~22.1%.

图 6(Fig. 6)

图 6 不同空气质量条件下污染气体的日变化 Fig. 6 Diurnal variations of trace gases under different air quality conditions

3)春节期间PM的日变化受烟花爆竹燃放的影响较大，且这种影响随着污染程度的增加而变大.烟花爆竹燃放对嘉兴市OCEC 有不同程度的影响，AQI为优和污染时，其日变化受烟花爆竹燃放的影响较大.AQI为污染时，春节期间SO₂、NO₂、CO、O₃日变化受烟花爆竹燃放的影响最显著.