2016年长沙市环境空气质量的“周末效应”及“假日效应”

周国治，宋冰冰，罗岳平，毕军平

湖南省环境监测中心站，湖南 长沙 410019

大气污染不仅对大气能见度造成影响，对人类的身体健康也造成了较大危害。城市环境空气质量与城市居民活动息息相关，城市居民有规律的活动显著改变了空气污染物浓度的时空变化，相关研究发现[1-8]，部分城市气象站观测到的气象要素存在不同程度的周循环变化特征，气温、降水频次等都出现7 d周期的显著周循环特征，环境空气质量周末优于工作日，这被称为环境空气的“周末效应”。 另外，重要节假日期间旅游休假等活动会改变人们短期内生产、生活和出行方式，其对空气质量的影响被称为“假日效应”。颗粒物及O3污染一直是“周末效应”的研究焦点，JONES等[9]在城市背景下对颗粒物质量浓度的监测结果发现PM2.5浓度在工作日高于周末；上海市区的黑炭气溶胶粒子的研究中也表现出相似的现象；石玉珍等[3]、唐文苑等[2]对北京和上海的研究中发现O3与颗粒物的周末效应不同，O3浓度在周末明显高于工作日。在“假日效应”的研究中，春节作为中国传统节假日最受关注。在对春节的“假日效应”研究中发现：中国31个重点城市在春节期间的空气污染指数比非春节期间高约6%[10]；北京城区春节期间PM2.5等污染物浓度高于非假日期间[11]。

对于气象要素和环境空气质量产生“周末效应”的原因，不少国内外学者推断，人们生活规律的集体周期变化可能是导致污染物产生周期变化的原因。在国家的法定节假日及周末，人们作息时间和出行安排与平时工作日有所不同，从而影响污染物排放。周末及节假日人们的休假活动对空气质量的影响既包括因生产活动减少而带来污染物排放减少的有利影响，也包括节日期间大量、集中的烟花燃放[12]导致的不利影响。

研究通过获取2016年长沙市连续在线观测得到的PM10、PM2.5、NO2、O3、CO和 SO2逐时浓度资料，对污染物在工作日、周末、节假日尤其是春节的优良天数、浓度变化特征进行对比分析，研究人类的生产生活方式及生活规律对污染物浓度和空气质量的影响。

1 实验部分

1.1 资料来源

研究所用数据来自于长沙市城区9个环境空气评价点2016年连续在线观测得到的 PM2.5、PM10、CO、O3、NO2和SO2逐时浓度资料。长沙市9个环境空气评价点分布在城区各个位置，其中芙蓉区有2个，岳麓区有2个，高开区、经开区、天心区、开福区和雨花区各有1个，可以充分代表长沙市环境空气质量情况。

研究中监测点内均是采用R&P 24 h连续监测设备(美国)进行监测，可准确可靠地测量污染物的质量浓度，监测数据实时上传至中国环境监测总站。仪器的规格、维护、标定及数据处理质控方法均按照中国环境监测总站要求执行。

1.2 资料处理

根据2016年日历分布情况，剔除了法定节假日后，将2016年的PM2.5、PM10、NO2、O3、CO和SO2浓度监测资料分为工作日(星期一至星期五)和周末(星期六和星期日)2种类型进行统计，分析长沙市城区工作日、周末污染物变化特征。

另外，通过统计2016年国家法定节假日的PM2.5、PM10、NO2、O3、CO和SO2浓度资料，尤其是春节作为中国的传统节假日，是中国人民最重要的节日，人们的生产、生活、出行等方式较平常有较大变化，经过与周末调休，会有长达7 d的假日，通过统计全年、节假日及春节污染物浓度变化情况，讨论人类活动对污染物浓度的影响。

2 结果与讨论

2.1 “周末效应”

2.1.1 工作日、周末与全年日平均浓度对比

通过统计工作日、周末和全年的污染物日平均浓度(表1)，可以发现，周末的PM2.5、PM10、NO2、O3、CO和SO2日平均浓度均低于工作日及全年的日平均浓度，其中PM2.5浓度低于工作日浓度5 μg/m3，低于全年平均水平4 μg/m3，PM2.5的“周末效应”研究结果与JONES等[9]的发现结果一致，而O3浓度在周末略低于工作日，“周末效应”与北京和上海的研究结果有所不同，根据殷永泉等[13]的分析，主要是由于人们平日的活动大于周末，平日排放的汽车尾气和工业废气较多，大气中的NOx及VOCs等O3前体物浓度一般高于周末造成的。

表1 2016年长沙市工作日、周末污染物日平均浓度统计结果Table 1 Daily average concentration of pollutants on weekdays and weekends in urban area of Changsha during 2016

2.1.2 工作日与周末空气质量优良率对比

通过进一步统计工作日及周末优良天数分布情况(表2)，可以发现，周末的空气质量优良率最高，达到了74.4%，比全年的空气质量优良率高1.4%，比工作日高1.2%，结合研究中表1所示，周末污染物浓度均低于工作日及全年平均水平，说明周末长沙市环境空气质量相对工作日及全年基本情况要好。出现这种情况，研究认为主要是由3个方面的原因造成：①周末主要是公众休息时间，市民驱车出行相对较少[11]；②周末市民出行地点发生变化，不再局限在市区，车辆出城后市区内车辆相对减少，降低了机动车污染排放，有利于周末环境质量改善；③周末出行相对比较分散，不像工作日那样集中，污染相对容易扩散。

表2 2016年长沙市工作日、周末优良天数分布Table 2 Excellent days on weekdays and weekends in urban area of Changsha during 2016

2.1.3 工作日与周末污染物浓度日变化对比分析

PM2.5、PM10、NO2、O3、CO和SO2在工作日和周末的日平均浓度变化特征如图1所示。

除O3及工作日PM2.5外，其他污染物浓度的日变化曲线均表现为双峰型结构，有明显的周末浓度低于工作日浓度的“周末效应”现象；PM2.5浓度为周末出现双峰特征，但工作日中为单峰，周末PM2.5浓度比工作日平均水平低；而O3浓度日变化曲线为单峰型结构，存在周末浓度比工作日浓度略低的“周末效应”现象。

图1 2016年长沙市工作日、周末污染物平均浓度日变化曲线Fig.1 Diurnal variation of pollutants concentration on weekdays and weekends in urban area of Changsha during 2016

图1中PM2.5浓度整体上为工作日高于周末，平均高出4 μg/m3左右，早上06：00—09：00前后两者之间浓度差值比较大，最大差值出现在06：00及07：00，达到8 μg/m3以上，此时周末浓度要比工作日浓度低14.5%；工作日峰值浓度出现在23：00，周末第1个峰值出现在11：00，第2个峰值出现在21：00，出现时间较工作日提前2 h。根据《2016年长沙城市交通运行报告》，长沙交通出行早高峰为07：30—09：00，晚高峰为16：30—19：00，整体与工作日PM2.5变化趋势不完全一致。PM2.5小时浓度变化趋势与人类活动周期和气象条件密切相关[14]，分析认为除交通外，其他行业污染物排放对PM2.5影响也较大。长沙夜间逆温天气发生的频率较高[15]，由于近地逆温天气发生的频率与大气中污染物浓度呈正相关[16]，加上受湘江谷地自北向南逐渐变窄影响[17]，长沙城区地形呈南高北低态势，容易形成二次颗粒物的累积，而二次颗粒物主要来自气粒转化，多数为PM2.5[18]，由此推断，由于其他行业在工作日中污染物排放较大，白天气象条件比较有利于扩散，污染物浓度得到了缓慢下降，晚间，随着太阳辐射减弱，边界层高度降低，甚至出现近地逆温现象，导致PM2.5在近地面持续积聚，加上机动车尾气等污染物排放，通过叠加交通高峰期，可以看出早高峰时颗粒物降低速度明显低于01：00—16：00的任何时期，而污染物浓度第2个峰值在上述效应下略晚于晚高峰时间段。到了周末，其他行业污染物排放降低，交通排放的污染物慢慢凸显，呈现出更明显的早晚高峰双峰特征。且由于周末出行习惯的改变，早高峰来得更迟，而晚高峰来得较早。

工作日PM10较PM2.5呈现更明显的早晚双峰特征，且与交通出行早晚高峰高度一致，交通出行高峰结束的时间就是污染物浓度最大的时间，说明随着交通出行中污染物排放的逐渐积累，到高峰结束，PM10浓度出现最大值。从曲线上看，由于周末车辆出行减少[3]，尤其是早高峰时段，周末早高峰出行的车辆数量少，时间较工作日推后，所以PM10浓度周末与工作日差异最大值出现在早高峰开始时间，浓度差异为6 μg/m3，变化幅度达到9.1%，且周末PM10第1个高峰晚于工作日2 h左右，但第2个高峰与工作日基本同时到达，均在21：00达到最高。第2个高峰浓度值远高于早高峰值，原因也主要是受到逆温等气象因素的影响。周末PM10浓度在01：00—11：00时段均低于工作日水平，但剩下的时段除15：00—17：00外，均高于或接近工作日水平，尤其是21：00—24：00时周末PM10浓度明显高于工作日水平，研究认为主要是长沙市民周末没有早起上班的压力，晚上会活动到较晚才休息。

对O3的相关研究表明，O3日变化过程主要分为4个阶段：积累阶段、抑制阶段、光化学生成阶段和消耗阶段。O3作为二次生成物，其浓度变化与前体物浓度密切相关，因此，笔者将结合前体物NO2浓度将长沙城区O3的日变化过程分为4个阶段进行分析讨论。

NO2浓度整体变化趋势为夜间高于白天，差异最大值分别出现在凌晨01：00及上午09：00，其中凌晨01：00在周末比工作日高3 μg/m3，上午09：00在周末比工作日低3 μg/m3。原因还是上述的周末市民生活方式不同造成的。从曲线上看，NO2变化趋势与PM10基本一致，09：00达到第1个高峰，晚22：00达到第2个高峰。而从O3浓度的日变化曲线可以看出，在01：00—06：00，由于缺少太阳辐射，即使前体物NO2浓度相对较高，O3在这个时段依然保持在一天的较低水平，且周末略低于工作日浓度；06：00—08：00随着交通早高峰的来临，NO2缓慢升高，相关研究表明，此阶段NO会迅速升高[10-19]，但由于此时太阳刚刚升起，太阳辐射还比较弱，光化学反应不强烈，这时主要是NO消耗O3生成 NO2的过程。因此，此时O3浓度持续降低，O3处于抑制阶段；08：00—15：00为O3的光化学生成阶段，随着太阳辐射的逐渐增强，NO2在光化学反应下开始分解产生O3，O3浓度迅速升高，并在15：00时达到最大值(周末和工作日浓度分别为88、89 μg/m3)。在08：00—09：00时由于还处于早高峰期，NOx的排放还在增大，NO2浓度在排放与分解的过程中慢慢到达最大值，之后由于光化学反应分解慢慢降低，到15：00左右达到最低值；最后为O3的消耗阶段(15：00—24：00)，由于近地面的湍流、太阳辐射强度减弱以及交通晚高峰等多因素共同影响，O3的扩散和消耗增快，O3浓度持续降低，而由于晚高峰的到来，NOx的大量排放，且白天积累了大量的O3, NO2在晚高峰期间不断增高，加之边界层高度降低及近地逆温现象，在22：00达到最高值。

CO、SO2浓度整体上是工作日与周末基本一致，CO及SO2浓度变化幅度均不是太大，工作日与周末浓度差异也不大，CO浓度在周末的2个浓度峰值出现在09：00和20：00，均晚于工作日高峰时段，早高峰晚了2 h，晚高峰晚1 h。SO2浓度在周末的2个浓度峰值出现在10：00和19：00，早高峰晚了1 h，晚高峰早2 h。

2.1.4 工作日与周末空气优良率周循环对比

从图1的日变化曲线可以看出，长沙城区主要污染物均表现出比较明显的“周末效应”现象。为了进一步证明“周末效应”的存在，研究对优良率的周循环特征进行相关统计。表3是2016年除节假日外从星期一到星期日空气质量优良天数分布情况。2016年长沙市星期一到星期日空气质量优良率分别为64.6%、74.0%、68.0%、77.1%、79.2%、74.4%、74.4%，星期六、星期日的优良率均高于全年平均水平，而周末之后的第一天(即星期一)优良率最低，与人们对交通拥挤程度的主观感受也基本一致。

由于星期一刚从周末休闲中返回来，星期一的早高峰一般比较拥堵，车辆多且起停次数多，排放的污染物量更加大，优良率相对最低，比周末低近10%。

表3 2016年长沙市空气质量优良天数周循环分布Table 3 Excellent days weekly cycle distribution in urban area of Changsha during 2016

2.1.5 工作日与周末污染物浓度周循环对比

污染物浓度的周循环也呈现“周末效应”特征。图2表示各个污染物浓度在周循环中的距平分布，图柱表示2016年星期一到星期日污染物日平均浓度值的距平，零值线代表除节假日外各污染物年平均浓度值。PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO、O3的年均浓度值分别为72 μg/m3、52 μg/m3、15 μg/m3、38 μg/m3、1.4 mg/m3、149 μg/m3。

图2 2016年长沙市污染物浓度周循环的距平分布Fig.2 Weekly cycles distribution of pollutants concentration anomaly in urban area of Changsha during 2016

PM10和PM2.5质量浓度均星期一最高，分别为78、57 μg/m3；星期六最低，分别为69、49 μg/m3，最小值比最大值分别低4.3%，6.1%。“周末效应”比较明显。

除节假日外，全年O3的年均浓度星期一最高(158 μg/m3)，星期二最低(141 μg/m3)，根据殷永泉等[11]的分析，主要是由于人们平日的活动大于周末，排放的汽车尾气和工业废气较多，平日大气中的NOx及VOCs等O3前体物浓度一般高于周末，但由于受到能见度、温度等多方面影响[20]，长沙O3周末平均浓度比工作日略低。而NO2由于受到NO及空气中氧化剂浓度的影响，星期二、星期三均最低(37 μg/m3)，星期五最高(41 μg/m3)，周末与工作日平均浓度基本持平。

SO2及CO周末浓度均处于极低值水平，分别为15 μg/m3、1.3 mg/m3，呈现出一定的“周末效应”。

2.2 “假日效应”

从以上研究中发现，污染物浓度尤其是PM10、PM2.5浓度变化具有明显的“周末效应”，人们根据自己的生活作息时间自主安排了节假日，同“周末效应”相类似，节假日特别是长假期间污染物浓度也可能具有明显的“假日效应”。研究选取2016年全年法定节假日及春节、国庆7 d 长假作为研究对象，分别对污染物在假日和全年的浓度差异进行对比分析，验证节假日及春节是否存在与“周末效应”特征相类似的“假日效应”，统计结果详见表4、表5。

表4 2016年长沙市节假日污染物日平均浓度统计结果Table 4 Daily average concentration of pollutants on holidays in urban area of Changsha during 2016

国庆、春节假期，长沙大气环境污染情况与全年水平相比呈截然相反的情况。国庆假期，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO及O3污染物浓度分别为69 μg/m3、51 μg/m3、12 μg/m3、35 μg/m3、1.1 mg/m3及138 μg/m3，均低于全年平均水平，优良率达到85.7%，高于全年水平12.7个百分点；而春节假期，6项污染物浓度分别为97 μg/m3、84 μg/m3、30 μg/m3、25 μg/m3、1.3 mg/m3及114 μg/m3，NO2、CO及O3低于全年平均水平，PM10、PM2.5、SO2则远超过全年平均水平(分别高于全年平均水平32.9%、58.5%及87.5%)，也高于节假日平均水平14.1%、31.2%及36.4%，优良率为57.1%，低于全年平均水平15.7个百分点。

表5 2016年长沙市节假日优良天数分布Table 5 Excellent days on holidays in urban area of Changsha during 2016

国庆、春节均有7 d长假，国庆假期长沙市民以外出旅游为主，春节假期则离开长沙回家乡过年，2016年春节假期长沙在空城率排行榜中排名第十[21]，整体上除假日第一天及最后一天进城、出城车流量和人流量较大外，其他时间均较平时有所下降，污染物排放有所降低，这在国庆假期大气环境质量上表现得十分明显，而春节假期受到烟花爆竹燃放的影响，大气环境质量急剧变差[22]。

除国庆、春节7 d长假外，其他假期时间均为3 d，PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO及O3污染物平均浓度分别为87 μg/m3、61 μg/m3、23 μg/m3、41 μg/m3、2 mg/m3、150 μg/m3，优良率仅为62.5%。可以发现除PM2.5略低于假日平均水平外，其他5项污染物浓度均超过假日平均水平；6项污染物均超过全年平均水平。通过查看原始数据发现，2016年共有4 d处于元旦假期内，分别为1月1—3日、12月31日，且均为轻度污染以上天气，除去元旦假期外，3 d长假PM10、PM2.5、SO2、NO2、CO及O3污染物平均浓度分别为64 μg/m3、44 μg/m3、18 μg/m3、28 μg/m3、1.1 mg/m3、156 μg/m3，除SO2及O3略高于全年平均水平外，其他4项指标均优于全年平均水平，优良率达到83.3%，与此前“周末效应”中周末优于工作日结论一致，O3略高的原因主要是除元旦外，其他3 d 节假日均在日照较长、温度较高的季节内，有利于O3的生成。

元旦假期内的4 d均为污染天气，研究发现2015年12月22日—2016年1月7日正处于一波长达17 d的区域污染中，且1月1—3日前后日均AQI指数一度达到重度污染，元旦假期环境空气相对假期前后稍微有所改善，2016年12月31日为轻度污染，也处于一波长达7 d的区域污染时段内，假日期间比假日前后也稍微有所改善，存在一定的“假日效应”。

春节由于长沙空城率高，且持续时间长，所以NOx排放量相对较少，且春节时段太阳辐射较弱，O3的生成相对较少。

为了进一步分析春节假期PM10、PM2.5及SO2的“假日效应”，对春节假期上述3种污染物小时浓度进行分析，详见图3。

图3 2016年长沙市春节假期污染物平均浓度日变化曲线Fig.3 Diurnal variation of pollutants concentration on Spring Festival in urban area of Changsha during 2016

春节假期，由于受农历跨年影响，居民大部分从零点开始燃放烟花，持续时间长。表现在环境监测数据上就是PM10、PM2.5及SO2均在01：00达到最大值，分别为126、126、60 μg/m3，之后随着燃放量的减少浓度缓慢下降，到05：00左右，由于受“开门红”传统思想影响，烟花燃放量再次增加，此3项污染物浓度再次缓慢抬升。之后烟花燃放减少，污染物浓度快速下降，到傍晚17：00左右达到最低值。此时SO2浓度略大于全年平均值，PM10、PM2.5甚至比全年平均值还低。晚上，由于夜间欣赏烟花的需要，烟花燃放量再次上升，且受到夜晚温度下降、边界层高度降低、扩散不利等因素的影响，该3项污染物浓度又再次极速升高。

基于以上分析可推断，春节假期出现PM10、PM2.5及SO2浓度升高的“假日效应”主要是市民燃放烟花爆竹所引起；另外，春节期间具体气象条件对污染物的影响也不容忽视[23]。

3 结论

1)长沙市2016年6种污染物(PM10、PM2.5、NO2、O3、CO和 SO2)均表现出一定的“周末效应”现象，日平均浓度均低于工作日及全年的日平均浓度，其中PM2.5最为明显，周末空气质量浓度低于工作日浓度5 μg/m3，低于全年平均水平4 μg/m3，周末空气质量优良率为74.4%，也高于工作日及全年平均水平。

2)6种污染物除O3外均呈现双峰特征，由于夜晚太阳辐射减弱，边界层高度降低，甚至出现近地逆温现象，夜间污染物浓度高于白天。夜间污染物浓度峰值一般出现在22：00—01：00之间，白天峰值一般出现在08：00—09：00之间。白天污染物浓度峰值出现的时间为周末晚于工作日。

3)PM10和PM2.5浓度均为星期一最高，星期六最低，CO和SO2浓度在周末也处于相对最低水平，NO2和O3周末平均浓度略低于工作日水平或与其持平。

4)国庆、春节均有7 d长假，由于城区人口、车辆减少，国庆假期长沙大气环境质量相对较好，而春节由于受到烟花爆竹集中燃放的影响，PM10、PM2.5和SO2浓度远超过全年平均水平，分别高于全年平均水平32.9%、58.5%及87.5%。春节假期污染主要发生在凌晨、黎明及傍晚3个时间段。

5)周末和工作日污染物浓度日变化特征表明， 长沙城区污染物浓度出现峰值的时间均在市民活动较频繁的时期，与人们在周末和工作日的作息安排差异相吻合；在“假日效应”研究中发现，国庆节、春节假日大气环境变化也正好对应人为污染源排放变化的特征，这在一定程度上说明人类活动对污染物浓度及大气环境质量变化具有一定的影响。