哈爾濱供暖期間PM2.5污染狀況及其與氣象因子的相關性分析

汪永英　張雪梅　韓冬薈　孟琳　郭敏　段文標

摘要 [目的]研究哈爾濱供暖期間PM2.5污染狀況及其與氣象因子的相關性。[方法]針對北方城市哈爾濱冬季供暖期和非供暖期PM2.5和PM10的濃度變化特征以及供暖期間PM2.5濃度與氣象因子的相關性進行分析。[結果]2014年全年空氣質量在二級以上達標的天數為244 d，未達標天數占33%；供暖期PM2.5和PM10的質量濃度顯著高于非供暖期，平均值分別是非供暖期的3.34和2.49倍，且11月份濃度值達到最高；供暖期間的首要污染物質為PM2.5，非供暖期間首要污染物質為PM10；供暖期間PM2.5在PM10中的比重也高于非供暖期；PM2.5質量濃度與日均氣溫呈顯著的正相關關系，與日最大能見度呈顯著的負相關關系，與日均氣壓、日均風速和總輻射存在不顯著的負相關關系，與日均濕度、總云量存在不顯著的正相關關系。[結論]該研究為空氣質量預報、大氣污染防治和農業生產技術更新提供理論依據。

關鍵詞 供暖期；PM2.5；氣象因子；污染狀況；相關性

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-185-05

伴隨著工業化的不斷進步，以PM10和PM2.5為首的顆粒物污染日漸嚴重，它們不但是造成城市空氣污染的主要原因之一，且已成為我國許多大中城市空氣污染中的首要污染物，也是我國大氣污染研究的重要內容之一。特別是近幾年，身處在東北邊陲的的哈爾濱也難逃霧霾天氣的影響和危害。PM2.5（細顆粒物）是指大氣中直徑≤2.5 μm的固體顆粒或液滴的總稱，屬于可入肺的顆粒物。雖然細顆粒物只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質量和能見度等有重要的影響[1]。PM2.5的大小約是頭發絲的1/20，富含大量的有毒、有害物質，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠，因而對人體健康和大氣環境質量的影響更大，它會直接干擾肺部氣體交換，引發哮喘、支氣管炎和心血管病等多種疾病。PM2.5也是病毒和細菌的載體，促進呼吸道傳染病的傳播。哈爾濱是典型的北方城市，以SO2和顆粒物為主要污染物的煤煙型污染比較嚴重。該研究通過分析市區2014年全年PM2.5和PM10的濃度變化以及供暖期間PM2.5與各氣象條件的相關性，反映出哈爾濱市PM2.5的污染狀況和影響供暖期PM2.5質量濃度的主要氣象因素，為整體衡量哈爾濱市PM2.5的污染狀況提供理論支持，為空氣質量預報、防治大氣污染和農業生產技術的更新提供理論依據[2]。

1 資料與方法

所有數據均根據哈爾濱市環保網（http：//www.hrbhbj.gov.cn）提供的監測點信息和2014年各月的環境質量月報結果分析獲得。氣象數據資料則來自于哈爾濱市氣象局和黑龍江省墾區氣象服務系統網站中的相關逐日資料。2014年1～12月的PM2.5和PM10數據均根據每日的觀測數據經過處理后得到的供暖期和非供暖期的平均值。供暖期是指一年中的1～3月、11～12月，非供暖期指一年中的5～9月，4和10月為過渡期。相關數據處理和分析均采用SPSS16.0系統。

2012年環境空氣質量指數（AQI）技術規定（試行） （HJ633-2012） 中規定，將用空氣質量指數（AQI）替代原有的空氣污染指數（API）。AQI共分優、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴重污染6級（表1）。當PM2.5日均值濃度達150 μg/m3時，AQI即達200；當PM2.5日均濃度達250 μg/m3時，AQI即達300；PM2.5日均濃度達500 μg/m3時，對應的AQI指數達500。空氣質量按照空氣質量指數大小分為6級，相對應空氣質量的6個類別，指數越大、級別越高說明污染的情況越嚴重，對人體的健康危害也就越大[3]。

2 結果與分析

2.1 PM2.5和PM10供暖期與非供暖期的不同空氣質量等級天數的比較 近年來國內外對我國大氣PM2.5所進行的一系列的試驗和監測結果表明，城市PM2.5污染有加劇的趨勢[2，4-5]。通過查詢和對哈爾濱市每日空氣質量指數類別數據的處理并總結各類別對應的天數（表2），2014年全年空氣質量為優和良的天數分別為62和182 d，說明全年的空氣質量67%為二級以上的標準，達標天數為244 d。形成輕度污染甚至達到嚴重污染的天氣為121 d，未達標的空氣質量標準占全年的33%左右。2014年全年的空氣質量為優的天數主要集中在5～9月，這期間屬于非供暖期，氣溫逐漸升高，相對濕度比較適宜，且每年的雨季也在這段期間，每個月均會出現10 d左右的降水天氣，所以整個天氣條件非常有利于污染物的稀釋和擴散，因此在這段非供暖期間幾乎沒有出現污染天氣。重度污染甚至嚴重污染天氣現象主要出現在供暖期間的1～3、11～12月，在這段時間內，每個月中幾乎有半個月的時間是晴天或多云的天氣，氣溫比較低，氣壓比較高，大氣的運動相對比較穩定，均不利于空氣污染物的擴散，所以在這期間出現了比較嚴重的污染天氣。過渡期是指由非供暖期轉換為供暖期間的10月和供暖期轉換為非供暖期的4月，因為每年的10月20日和4月20日是哈爾濱全城供暖開栓和停止供暖的日期，有的供熱單位還會根據天氣情況的冷暖提前供熱或停熱，但最遲不會超過20日，所以在10月份上旬空氣質量均是達標的，而從10月中旬開始一部分提前供熱單位取暖鍋爐的燃燒帶來的空氣污染物在低溫、高壓、空氣靜穩的大氣環流下不利于擴散稀釋；再加上農民秋收之后焚燒秸稈等農業生產活動，導致形成了過渡期間的10月份有6 d出現了重度污染以上的煙霾天氣。伴隨著供暖期的開始，哈爾濱空氣質量越來越差，接下來的幾個月也均會有空氣質量不達標的現象，一直持續到供暖期結束。在每年的4月份中旬，伴隨著氣溫的逐漸回暖，氣壓值也不斷降低，再加上北方春季大風的加入，所以在每年的4月份供暖期即將結束之際，哈爾濱市的空氣質量也出現了好轉現象，達標天數也呈現出不斷增加的趨勢。

2.2 供暖期前后PM2.5與PM10的平均濃度分布狀況分析 根據2014年全年的監測結果計算出每月PM2.5和PM10月平均濃度的平均值，由PM2.5和PM10月平均濃度的比較和各個時期PM2.5和PM10的濃度對比（表3～4）可見，PM2.5和PM10在供暖期的月平均濃度 （109.0和152.8 μm/m3）整體大于非供暖期的月平均濃度 （32.6和61.2 μm/m3），其原因主要是冬季的太陽輻射弱、氣溫低、氣壓高、降水量小，大氣穩定度較好，不易形成對流，大氣顆粒物的擴散相對比較困難，再加上冬季氣溫均在0 ℃以下，偏低的氣溫增加了冬季采暖燃料的使用量，其中最典型的就是11月份，PM2.5和PM10的月平均濃度水平達最高，分別為135和183 μm/m3，分別超過國家二級標準（GB3095-2012）2.86倍和1.61倍；而到了春季氣溫開始回升的季節，鍋爐燃煤的使用量也相對減少，PM2.5和PM10的濃度值也有所降低，尤其表現在3月份，PM2.5的濃度值降為60 μm/m3。在非供暖期間，PM2.5和PM10的月平均濃度整體變小，這主要是因為太陽輻射逐漸增強、溫度升高、氣壓降低、降水量逐漸增多，大氣處于不穩定狀態，容易發生對流，大氣顆粒物比較容易發生擴散。根據每一種污染物質的空氣質量分指數（IAQI）可判斷（表3），供暖期間，空氣質量

預報中的首要污染物質為PM2.5，而非供暖期

間的首要污染物質則以PM10為主。出現這種現象的原因主要是供暖期間煤的燃燒直接排放大氣顆粒物增加了細顆粒物PM2.5的濃度，再加上冬季機動車取暖設置的排放和尾氣的排放也為PM2.5作出了貢獻。在非采暖季節，未鋪瀝青、水泥的路面上行駛的機動車、材料的破碎碾磨處理過程以及被風揚起的塵土和施工工地的灰塵、粉塵則成為PM10的主要貢獻者[6]。

由表4可知，PM2.5和PM10在各個時期的平均濃度關系為供暖期>過渡期>非供暖期；供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為71%，過渡期間PM2.5占PM10的平均比重為62%，非供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為53%。可見，PM2.5在各個時期占PM10的比重均比較大，尤其是供暖期，這是因為這段時間氣溫低、氣壓高、降水量少，天氣狀況不利于大氣顆粒物的擴散，且哈爾濱又是典型的北方城市，冬季在供暖期全面啟動鍋爐供暖后，雖然城市規劃建設采取了集中供熱，取消小鍋爐供熱的措施，但大量使用價格低廉的不達標的褐煤燃燒釋放大量的細小顆粒物懸浮在大氣中，再加上不利于空氣污染物稀釋擴散的天氣條件，導致城市中的空氣質量級別經常出現輕度污染以上的天數不斷增多。

2.3 供暖期間PM2.5質量濃度與氣象條件的關系 大氣中PM2.5質量濃度主要與人類活動和天氣條件密切相關。相對于非供暖期，供暖期和過渡期由于人為的采暖而向大氣中排放大量的顆粒污染物質，因此在污染物一定的條件下，污染物濃度的大小和污染物擴散的快慢主要取決于氣象條件，其過程也十分復雜，往往在一定條件下其中一個因子起主導作用，其他因子則起協調作用。在此根據哈爾濱市氣象局提供的氣象資料，選取2014年供暖期間空氣污染較重的11月份數據資料，利用該月份的日平均氣溫、相對濕度、風速、本站氣壓、總輻射、總云量和最大水平能見度等氣象要素來分析PM2.5質量濃度與各氣象因子的相關性。

2.3.1 與日均氣溫的相關性。由11月份每日平均干球溫度值可求出每日平均氣溫，從圖1可以看出，進入供暖期后的11月份的日均氣溫為-10.4～7.5 ℃，變化幅度較大，而當月PM2.5質量濃度的最大值（326 μg/m3）則出現在3.6 ℃，當時正好是供暖期的前期，許多供暖企業開始陸續供暖，再加上氣溫還不是很低，沒有達到0 ℃以下，暖空氣控制整個城區，小于2級的微風（當時的日均風速為1.85 m/s）又占主導地位，導致空氣污染物在空氣中很難擴散，從而出現了嚴重污染的天氣。而伴隨著氣溫值的不斷降低，達到冰點0 ℃以下時PM2.5的質量濃度值也呈現出降低的趨勢，當PM2.5質量濃度達到11月份最低值時（21 μg/m3），氣溫也達到了當月的最低溫度值（-10.4 ℃）。利用SPSS16.0計算相關性得到（圖1），PM2.5的質量濃度與日均氣溫呈顯著的正相關關系（P=0.004，r=0.515）。

2.3.2 與日最大能見度的相關性。當發生煙霾天氣時，往往影響水平能見度[7]的遠近，從11月份數據中選取每日最大能見度來分析與PM2.5的相關關系。從每日最大能見度的數據可以看出，其范圍在8～30 km，當日最大能見度<10 km的情況下，PM2.5的質量濃度普遍偏高，且出現重度污染以上幾率明顯增加；而在日最大能見度接近30 km時，PM2.5的質量濃度幾乎達到了最小值。由圖2可見，PM2.5的質量濃度與日最大能見度呈顯著的負相關關系（P=0.001，r=-0.567）。分析其原因主要是由于大氣中的污染氣體尤其是顆粒物對可見光的吸收和散射所產生的消光作用所致[8-9]，細小顆粒物的增加會導致大氣透明度降低，使大氣水平能見度下降，而空氣中的細小顆粒物大部分來自于煤的燃燒進入大氣中的空氣污染物的排放和轉化，因此水平能見度的遠近變化與空氣污染程度的變化密切相關。

2.3.3 與日均相對濕度的相關性。從11月氣象資料的平均值可以看出，日均相對濕度的變化在28%～82%，變化幅度較大，而PM2.5質量濃度的最大值出現時，濕度為58.5%；PM2.5質量濃度最小值時，濕度為42.6%。通過對PM2.5質量濃度與相對濕度的相關性系數分析，發現兩者之間無顯著的相關性。但從11月相對濕度變化與空氣質量的關系（表5）可以看出，合適的相對濕度值（<50%）對于空氣污染物的擴散是有利的，出現中度污染以上的天數值明顯低于出現重度污染天氣時對應的相對濕度值（51%～70%），也就是說相對濕度在51%～70%有利于大氣中的顆粒物附著在水汽上，使得顆粒物質量濃度增加；在一定濕度范圍（以不發生重力沉降為界限）內，相對濕度越大越有利于顆粒物的形成，相對濕度是影響可吸入顆粒物污染的一個較為重要的因素，尤其是高濕度空氣容易造成顆粒物的較重污染[9-10]。其原因主要是相對濕度偏大的天氣，水汽比較充足，大氣逆輻射增強，多存在逆溫，逆溫的出現使空氣中的PM2.5不易擴散，且空氣濕度大，容易形成霧罩，也使顆粒物不易擴散。由此可見，PM2.5的質量濃度在相對濕度達50%以上時出現中度以上污染天氣的次數會增加。

2.3.4 與本站氣壓的相關性。 氣壓的高低與大氣環流形勢密切相關，當地面受低壓控制時，四周高壓氣團流向中心，中心形成上升氣流，通常風力較大，有利于污染物向上擴散，顆粒物濃度較小；但在低氣壓場天氣形勢下經常多有低云阻擋垂直擴散，加強大氣逆輻射，減小地面的有效輻射，從而減小氣溫隨高度的變化，間接造成了PM2.5的不易擴散，顆粒物濃度增大；當地面受高壓控制時，一般天氣晴朗，風速較小，中心部位出現下沉氣流，阻止污染物向上擴散，在穩定高壓的控制下，大氣污染加重，顆粒物濃度較大[9，11-12]。根據哈爾濱市供暖期間11月份日均本站氣壓數值得知，日均氣壓為990～1 020 hPa，相應的PM2.5質量濃度在較小的范圍內變化。由圖3可以看出，PM2.5的質量濃度與日均氣壓存在負相關關系，但并不顯著（P=0.136，r=-0.279）。

2.3.5 與平均風速的相關性。一般來說，風速越大，越有利于大氣顆粒物擴散，相應濃度值越低；反之，濃度值越高[13]。從2014年11月份日均風速的大小（圖4）可以看出，隨著風速的增加，PM2.5的質量濃度值呈現出降低的趨勢。當PM2.5質量濃度值出現最高值和最低值時，風速分別為1.85和4.1 m/s；由此可見，顆粒物濃度與風速變化趨勢相反，PM2.5質量濃度與風速存在較好的負相關關系（P=0.407，r=-0.157），但并不十分顯著。

2.3.6 與總云量和總輻射的相關性。

從總輻射量的數據（圖5）得知，其最大值為513 J/m2，對應的PM2.5質量濃度為114 μg/m3，當天的空氣質量為輕度污染；而當總輻射量最小值58 J/m2時，對應的PM2.5的濃度值為133 μg/m3，此時的天氣狀況為重度污染；通過數據分析可知，空氣質量在優和良級別時，總輻射量均大于400 J/m2。總輻射的大小可以影響污染物的散布速度，當太陽輻射愈強，地面獲得的能量就多，傳遞給近地層的空氣也就多，由于空氣溫度層結是遞減的，大氣處于不穩定狀態，有利于污染物的擴散，顆粒物擴散稀釋速率快，使PM2.5的質量濃度減小；當總輻射量減少時，近地層氣溫下降，容易形成逆溫，大氣處于穩定狀態，不利于顆粒物的稀釋擴散，使PM2.5的質量濃度增大。單純考慮總輻射因素的確與PM2.5濃度值有負相關關系（圖5a），但綜合其他氣象要素的影響，這種負相關影響并不顯著（P=0.433，r=-0.149）。分析PM2.5質量濃度與總云量的相關性（圖5b）可見，隨著總云量不斷增加，天氣的狀況也愈來愈差，容易形成陰雨天氣的幾率增加，太陽輻射被地面反射向上的部分由于云量的增多，很難反射到宇宙空間，再加上云量增多，

投射到地面上的總輻射明顯減少，大氣逆輻射增強，不利

于污染物的擴散；所以說總云量的多少與PM2.5的濃度值有一定的正相關關系，但并不顯著（P=0.324，r=0.186）。

3 結論

（1）2014年全年空氣質量62 d為優，主要集中在5～9月份；182 d為良，輕度污染甚至達到嚴重污染的天氣為121 d，出現重度污染甚至嚴重污染現象主要出現在供暖期間的1、2、3、11和12月。

（2）PM2.5在供暖期的月平均濃度為109 μm/m3，大于非供暖期的月平均濃度（32.6 μm/m3）。供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為71%，過渡期間PM2.5占PM10的平均比重為62%，非供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為53%。PM2.5在各個時期占PM10的比重均比較大，尤其是供暖期。可見，哈爾濱PM2.5污染較嚴重， PM2.5占PM10的比重較大，尤其在供暖期，PM2.5的污染程度更為嚴重。

（3）氣象因子是影響PM2.5質量濃度水平的重要因素之一。由于受多種氣象因子的綜合影響以及各氣象因子之間的相互作用，PM2.5質量濃度與氣象條件的關系比較復雜。其中PM2.5質量濃度與日均氣溫呈顯著正相關，與日最大能見度呈顯著負相關；日均本站氣壓、日均風速和總輻射與PM2.5有一定的負相關關系，但并不顯著；日均相對濕度和總云量與PM2.5有一定的正相關關系，也不顯著。氣象因素之間是密切相關的，對于不同季節不同地區在不同時間每種氣象要素對污染物的擴散能力也是不同的。因此建議居民在天氣條件不利于空氣污染物擴散的狀況下，盡量減少外出，并適當做好自身防護工作，減少污染物對身心健康的影響。

（4）哈爾濱地區PM2.5的污染與季節有關，因氣象條件而異。因此，在冬、春季供暖期間，在現有的不利氣象條件下如何將大氣污染降低到最低程度， 是有關政府相關部門急需解決的重要課題。

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