齊齊哈爾市PM2.5與PM10污染趨勢及相關性分析

鄭永杰，王梅梅，孫 萌，高 雅，田景芝，于文柱

1.齊齊哈爾大學化學與化學工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006 2.青島市環境監測中心站，山東 青島 266003 3.齊齊哈爾環境監測中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006

隨著社會的發展，大氣顆粒物污染對大氣環境、人體健康、能見度以及氣候效應等的影響日益顯著[1-8]。PM2.5與PM10為大氣污染物的重要貢獻者，也是評價大氣環境質量的主要指標[9]。PM2.5與PM10濃度變化與人類活動以及氣候條件密不可分，當條件發生改變時，PM2.5與PM10濃度會有相應的地區和時段差異。

近年來，我國多個地區從不同角度對PM2.5與PM10質量濃度進行了很多研究，如張瑋等[10]對南京市的PM2.5與PM10質量濃度的濃度空間、時間分布特征及相關氣象因素研究表明，時間分布上有明顯季節差異，與氣象因子也呈相關關系，能夠準確反映南京市顆粒物的污染特征，具有一定的理論和實用價值。陳勇等[11]對長沙市2014—2016年長沙大氣顆粒物達標情況、首要污染物及變化特征研究表明，長沙市時間變化是影響顆粒物的污染特征的主要因素。李名升等[12]對中國大陸城市PM2.5污染的時空分布規律分析結果表明，PM2.5濃度變化存在時間和區域的差異，研究結果有利于從宏觀上認識中國城市PM2.5污染的時空格局，從而針對性地開展環境污染防控。因此，加強城市大氣顆粒物濃度變化研究及大氣顆粒物分布特征具有重要意義。

本文以齊齊哈爾市2014—2016年的自動監測數據為基礎，從不同時間尺度角度對PM2.5與PM10進行分析，研究了PM2.5與PM10濃度的時間變化特征，并分析了兩者之間的相關性，以反映該區域PM2.5與PM10的污染狀況及整體污染趨勢，為全面衡量齊齊哈爾市PM2.5與PM10的污染情況提供理論支持。

1 數據采集與分析

選取2014年1月1日至2016年12月31日齊齊哈爾市5個環境空氣自動監測國控點質控后的小時平均值，詳細分析了資料較完整的齊齊哈爾市的觀測數據，所有觀測數據均經過嚴格質量控制，文中討論的日、月和季節變化均由觀測的小時平均值計算所得。其中,齊齊哈爾市、長春市、哈爾濱市以及沈陽市的PM2.5與PM10監測數據均來源于中國環境監測總站“全國城市空氣質量實時發布平臺”。

季節劃分為春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)。齊齊哈爾市市區共有5個監測點，分別為中心廣場、富區環保局、安居小區、農牧車輛廠以及市環境監測站。5個監測點均勻分布在齊齊哈爾市市區，能夠真實統計齊齊哈爾市空氣質量情況。

2 結果與討論

2.1 年際變化特征

表1中匯總了2014—2016年齊齊哈爾市PM2.5與PM10的研究數據,分別列出了齊齊哈爾市2014—2016年PM2.5與PM10濃度的平均值、年均值、日均最大值、超標天數及超標天數比例。2014—2016年每日監測結果顯示，PM2.5日均最大值出現在2015年11月3日，最大值為266.1 μg/m3，PM10日均最大值出現在2016年5月14日，最大值為372.5 μg/m3，分別是《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)新標準規定的日均濃度二級標準值(75、150 μg/m3)的3.6、2.5倍。通過數據分析，2014—2016年齊齊哈爾市PM2.5與PM10的年均質量濃度分別為36.7、62.9 μg/m3，其中PM2.5平均濃度接近我國《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)新標準規定[13]的年均值二級標準值(35 μg/m3)，而PM10沒有超過新標準規定的年均值二級標準值(70 μg/m3)，分別是一級標準值(15、40 μg/m3)的2.4、1.6倍，是WHO導則值(10、20 μg/m3)的3.7、3.1倍。PM2.5年均質量濃度是2012年美國環保署(USEPA)年均標準(12 μg/m3)的3.1倍。2014年1月至2016年12月，PM2.5與PM10超標數占總樣本數的比值分別為11.49%、4.60%。據報道，全國338個地級及以上城市中，PM2.5的年均質量濃度為47 μg/m3，超標率為34.3%；PM10的年均質量濃度為82 μg/m3，超標率為17.1%。可見，與其他地區相比，齊齊哈爾市PM2.5與PM10的污染相對較輕，但兩者相較而言，PM2.5對空氣污染的貢獻較大。

表1 2014—2016齊齊哈爾市PM2.5與PM10質量濃度超標統計表

相關資料分析表明，齊齊哈爾市機動車尾氣的排放、采暖期燃煤取暖等原因對空氣質量產生較大影響。為此，齊齊哈爾市政府一直在采取各種措施加強空氣污染治理，其質量濃度年際變化如表1所示, 2014—2016年的年均濃度趨勢大體平穩且略微下降。說明加強大氣污染防護措施，能夠有效降低齊齊哈爾市的大氣顆粒污染物質量濃度。

2.2 季節變化特征

采集齊齊哈爾市2014年3月至2016年2月的PM2.5與PM10數據，并對數據進行分類總結，得出其季節變化特征，結果如圖1所示。從圖1可以看出PM2.5與PM10質量濃度冬季高、夏季低的季節變化特征。冬季的PM2.5與PM10均為四季濃度最高，秋季次之，春季與夏季相對較低。PM2.5與PM10四季變化整體趨勢完全相同，PM2.5與PM10質量濃度冬、夏季比值分別為3.44、2.02，說明冬季PM2.5與PM10污染程度顯著加重，這與冬季污染源增加及氣象條件等都有很大關系；PM2.5與PM10質量濃度春、夏季比值分別為1.64、1.44，由于夏季降水量明顯多于春季，故春季質量濃度略大于夏季。

圖1 PM2.5與PM10質量濃度季節變化圖Fig.1 Seasonal variation of PM2.5 and PM10

2014年3月至次年2月、2015年3月至次年2月共2個四季，由圖1可知，各季節PM2.5與PM10質量濃度的整體趨勢相同，2個四季的春季PM2.5與PM10質量濃度均相差不大，2015年秋、冬季的質量濃度比前一年稍大點，而夏季的PM2.5和PM10空氣質量濃度比前一年低超過5 μg/m3和10 μg/m3。這些相同季節的微小變化表明，齊齊哈爾市的污染狀況和氣象條件存在一定的關系。

圖2為2014年3月至次年2月、2015年3月至次年2月共2個四季的PM2.5與PM10質量濃度季節變化散點圖，PM2.5與PM10春、夏季數據點相對集中且普遍在低濃度區域，表明春、夏季污染源相對固定，分析原因認為，春季末和夏季時，齊齊哈爾市降水豐富，風速大，大氣不穩定，則污染物稀釋擴散速度快，易于污染物的沉降和擴散，使污染物質量濃度整體偏低；秋季數據點比較分散且中、高濃度均有分布，初始供暖、生物質燃燒等都是整個秋季平均值升高的原因；冬季濃度值較高的主要原因為采暖期燃煤量的顯著增加，導致顆粒物及其前體物排放量增加，而且冬季穩定的大氣層結使污染物積累，從而形成污染事件。

2.3 月變化特征

圖3對2014—2016年齊齊哈爾市12個月PM2.5與PM10質量濃度變化進行了分析比較，在忽略不同采樣器及采樣頻率差異的前提下，獲得了大致規律。從圖3可知，2014—2016年，齊齊哈爾市11月PM2.5與PM10的質量濃度最高，分別為71.9、94.2 μg/m3，其次是12月，分別為64.1、80.6 μg/m3；PM2.5與PM10最低值出現在6月，月均質量濃度僅為16.3、39.9 μg/m3。除了出現臨時污染源導致污染程度加重外，2014—2016年齊齊哈爾市PM2.5與PM10質量濃度月變化趨勢基本相同，整體呈2—6月逐漸下降、9—11月逐漸上升的趨勢。分析各月的污染源貢獻特征得知，3—4月沙塵源所占比例有所上升，5—8月降水是導致PM2.5質量濃度較低的主要原因，而11—12月的排放源增大，燃煤排放的大氣污染物占主導地位，氣溫低、氣壓高、風速低、濕度大、有霧、逆溫產生等不利于大氣污染物擴散和稀釋的情況下，使得污染物易于積聚，導致大氣顆粒物濃度較高。

圖2 PM2.5與PM10質量濃度季節變化散點圖Fig.2 Seasonal variation of PM2.5 and PM10 in the scatter plot

圖3 PM2.5與PM10質量濃度月變化圖Fig.3 Monthly variation of PM2.5 and PM10

2.4 日變化特征

統計齊齊哈爾市2014—2016年四季PM2.5與PM10日變化特征，結果見圖4。

有些污染源的排放規律和氣象條件隨著晝夜的變化而改變，PM2.5與PM10的季節質量濃度日變化從高到低順序均為冬季>秋季>春季>夏季，呈逐步降低趨勢，且大部分季節日變化呈雙峰型。PM2.5的四季日變化呈雙峰型，2個峰值分別出現在上午10:00左右和上半夜21:00—24:00，夜間峰值較上午峰值明顯得多;谷值均出現在上午05：00左右和下午15:00—17:00。夏季雖然整體與其他季節趨勢相同，但24 h時刻濃度上下浮動小。PM2.5質量濃度與人類活動有著密切關系，隨著人類活動增加、車流量增加等因素，到10:00左右達到峰值；中午、下午光照較強，大氣流動性強，易于污染物擴散；傍晚后人流增加，氣溫降低產生逆溫，使污染物難以擴散，上半夜達到峰值；午夜到凌晨，人類活動減少，使污染物沉降，達到低谷值，這與很多城市[14-18]得到的結論是一致的。PM10四季質量濃度的日變化均呈雙峰現象，且峰值出現在上午10:00—12:00(四季質量濃度分別為67.5、48.5、76.1、86.2 μg/m3)，另一個峰出現在上半夜21:00—24:00 (質量濃度分別為67.5、50.5、88.5、87.0 μg/m3)，谷值分別在凌晨05:00(質量濃度分別為51.5、38.5、57.2、60.1 μg/m3)和下午14:00—15:00(質量濃度分別為55.5、40.3、57.1、54.0 μg/m3)。00:00—05:00時段PM10明顯下降，這主要是由于溫度低，大氣顆粒物沉降后被吸附在植被、土壤等上面，空氣得到凈化使大氣顆粒物濃度降低。

圖4 PM2.5和PM10季節質量濃度日變化圖Fig.4 Diurnal variation of seasonal mass concentrations of PM2.5 and PM10

2014—2016年齊齊哈爾市大氣PM2.5與PM10質量濃度日變化結果表明(圖5)，PM2.5與PM10具有明顯的日變化特征，出現2個峰值，高峰值出現在上半夜21:00—24:00，次高峰值出現在上午09: 00—12: 00，最低值出現在下午15:00—17:00，次低谷值則出現在凌晨05:00—07:00。2014—2016年對比結果表明，PM2.5與PM10日質量濃度變化波動一致，2014與2015年整體差別不大，2016年日變化時刻濃度整體下降，但雙峰的峰值和谷值時間不變。2014—2016年齊齊哈爾市PM2.5和PM10的時刻變化特征與人類活動和邊界層的演化有密切關系。

圖5 PM2.5和PM10年際質量濃度日變化圖Fig.5 Diurnal variation of annual mass concentrations of PM2.5 and PM10

2.5 PM2.5與PM10的相關性

對2014—2016年齊齊哈爾市的PM2.5與PM10質量濃度日均值進行線性擬合，由圖6(a)可看出，兩者呈顯著的線性相關性，擬合方程為y=1.086 3x+23.250 8，相關系數r=0.896 3，回歸方程的相關系數大于0.75，說明直線對散點的擬合率很高，直線斜率為1.086 3，而截距為23.250 8，說明PM2.5在PM10中的占比高。殘差分析如圖6(b)所示，質量濃度自變量為橫坐標，以殘差為縱坐標，除了極少數幾個點外，其余點均符合殘差正態分布，說明回歸直線中的擬合值對原觀測值的差值較小，且殘差隨著質量濃度增加有減小的趨勢，y與x之間有顯著的線性相關關系。圖6(a)中標注出的全黑圓點為2016年5月14日的數據，齊齊哈爾市大風黃色預警，風力高達8～9級，形成沙塵源且沙塵源一般顆粒較大，使PM10污染嚴重，PM2.5濃度較低，導致相關性差。

圖6 PM2.5與PM10質量濃度相關性及殘差分析Fig.6 The correlation and residual analysis of PM2.5 and PM10

雖然PM2.5與PM10存在顯著的線性相關關系，但是也會由于外界環境因素變化而發生相應的改變。從表2可知，PM2.5與PM10相關性在季節上有明顯差異，秋季和冬季的相關性明顯大于夏季和春季，這與氣象條件及人為污染等外界因素有很大關系。四季PM2.5與PM10的相關系數關系為r秋季(0.982 2)>r冬季(0.964 4)>r夏季(0.943 9)>r春季(0.829 6)。從圖7也可以看出，春季為相關性最差的季節，相比其他3個季節，春季擬合線兩側的點分布相對不均勻，表明春季PM2.5與PM10的部分污染源不同，PM10濃度較大，主要與沙塵源有關。

表2 PM2.5質量濃度關于PM10質量濃度線性回歸及相關性分析Table 2 Linear regression and correlation analysis on mass concentrations of PM2.5 and PM10

圖7 四季PM2.5與PM10的日均濃度相關性Fig.7 The correlation of PM2.5 and PM10 diumal concentration in different seasons

2.6 PM2.5/PM10的變化規律

如圖8所示，齊齊哈爾市2014年1月至2016年12月的PM2.5/PM10的月均比值分別為72%、67%、58%、41%、35%、42%、50%、40%、41%、60%、77%、80%，平均值為55.27%。可見，齊齊哈爾市大氣顆粒物污染PM2.5的貢獻率高達一半以上。從圖8可以看出，整個采暖期的PM2.5/PM10明顯高于非采暖期，最高值是每年的12月，比值高達80%以上，說明齊齊哈爾市顆粒污染物主要源于燃煤和生物質燃燒。

2.7 其他城市的比較

圖9為東北地區3個省會城市(長春、沈陽、哈爾濱)與齊齊哈爾市2014—2016年PM2.5和PM10月均質量濃度趨勢圖。從圖9可以看出，由于東北地區的氣象、地形地貌、排放因素和消散條件大體相同，因此4個城市PM2.5與PM10質量濃度整體趨勢大致相同，相對來說，齊齊哈爾市的質

量濃度普遍小于3個省會城市，整體污染程度較輕，基本符合國家環境質量標準，可見人口密度、交通污染、工業污染等人為因素是空氣污染程度的主要影響因素。

圖8 2014—2016年PM2.5/PM10月變化規律Fig.8 Monthly variation of PM2.5/PM10 in recent three years

圖9 2014—2016年齊齊哈爾市與長春、沈陽、哈爾濱PM2.5和PM10月均質量濃度趨勢圖Fig.9 Monthly variation of PM2.5/PM10 in Qiqihar and other cities in recent 3 years

2.8 齊齊哈爾市空氣質量狀況分布

圖10為2014—2016年齊齊哈爾市的空氣質量等級天數分布。從圖10可知，齊齊哈爾市的空氣質量處于等級優良級別的比較多，等級天數所占百分比為優(50.09%)>良(37.5%)>輕度污染(7.63%)>中度污染(3.22%)>重度污染(1.47%)>嚴重污染(0.09%)，說明齊齊哈爾市的空氣質量整體較好，重度及嚴重污染天數特別少且均在采暖期，證明污染物主要來源于燃燒源。

圖10 齊齊哈爾市空氣質量等級天數占比分布Fig.10 Grade distribution of air quality in Qiqihar

3 結論

通過對2014—2016年齊齊哈爾市PM2.5與PM10質量濃度的年際變化、季變化、月變化、日變化、PM2.5/PM10以及PM2.5與PM10的相關性進行了簡要分析。

1)2014—2016年齊齊哈爾市PM2.5和PM10的年均質量濃度分別為36.7 μg/m3和62.9 μg/m3；說明齊齊哈爾市細顆粒物的濃度水平接近國家二級標準，但相對一級標準以及國際要求的標準整體濃度偏高。2014—2016年的年均濃度呈大體平穩、但均有微小的下降趨勢。

2)齊齊哈爾市冬季PM2.5與PM10均為四季濃度最高，秋季次之，春季與夏季相對較低。這是由于，春季末和夏季時，降水豐富，風速大，大氣不穩定，則污染物稀釋擴散速度快，濃度較低；而秋季初始供暖、生物質燃燒等都是整個秋季平均值升高的原因；冬季采暖期燃煤量的顯著升高及冬季穩定的大氣層結容易使污染物積累。

3)齊齊哈爾市2014—2016年PM2.5與PM10質量濃度月變化趨勢基本相同，整體呈現2—6月逐漸下降、9—11月逐漸上升的規律。分析得知，3—4月沙塵源所占比例有所上升，5—8月的降水是導致PM2.5質量濃度較低的主要原因，而11—12月的排放源增大，加之氣溫低、氣壓高、風速低、濕度大、有霧、逆溫產生等不利于大氣污染物擴散和稀釋的情況下，就會導致大氣顆粒物濃度較高。

4)齊齊哈爾市PM2.5與PM10質量濃度的日變化均呈雙峰現象，高峰值出現在上半夜21:00—24:00，次高峰值出現在上午(09:00—12:00)，最低值出現在下午(15:00—17:00)，次低谷值則出現在凌晨(05:00—07:00)，結果表明，2014—2016年齊齊哈爾地區PM2.5和PM10的時刻變化特征與人類活動和邊界層的演化有密切關系。

5)PM2.5與PM10擬合方程為y=1.086 3x+23.250 8，回歸方程的相關系數為0.896 3，同時，殘差分析表明，回歸直線對原觀測值的擬合情況良好，PM2.5與PM10有非常顯著的線性相關性，四季相關系數關系為r秋季(0.982 2)>r冬季(0.964 4)>r夏季(0.943 9)>r春季(0.829 6)；齊齊哈爾市大氣顆粒物污染PM2.5的貢獻率高達一半以上，采暖期比值高達80%以上，說明齊齊哈爾市顆粒污染物主要源于燃煤和生物質燃燒。

[1] BALLESTEROSGmez A, RUBIO S. Recent Advances in Environmental Analysis[J]. Analytical Chemistry, 2011, 81(83):4 579-4 613.

[2] MA Zongwei, HU Xuefei, ANDREW M S,et al.Satellite-Based Spatiotemporal Trends in PM2.5Concentrations: China, 2004-2013[J]. Environmental Health Perspectives, 2016, 124(2):184-192.

[3] 白愛娟, 鐘文婷, 華蘭,等. 成都市大氣能見度變化特征及影響因子研究[J]. 中國環境監測, 2014, 30(2):21-25.

BAI Aijuan,ZHONG Wenting,HUA Lan,et al.Analysis on the variation of visibility in Chengdu and its factors of low visibility[J].Environmental Monitoring in China,2014, 30(2):21-25.

[4] 周一敏, 趙昕奕. 北京地區PM2.5濃度與氣象要素的相關分析[J]. 北京大學學報:自然科學版, 2017(1):111-124.

ZHOU Yimin,ZHAO Xinyi.Correlation Analysis between PM2.5Concentration and Meteorological Factors in Beijing Area[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis,2017(1): 111-124.

[5] WEICHENTHAL S. Ambient PM2.5and Risk of Emergency Room Visits for Myocardial Infarction: Impact of Regional PM2.5Oxidative Potential: A Case-Crossover Study[J]. Environmental Health, 2016, 15(1):1-9.

[6] FENG C, LI J, SUN W, et al. Impact of Ambient Fine Particulate Matter (PM2.5) Exposure on the Risk of Influenza-Like-Illness: A Time-Series Analysis in Beijing, China[J]. Environmental Health, 2016, 15(1):1-12.

[7] KIM J Y, LEE E Y, CHOI I, et al. Effects of the Particulate Matter 2.5(PM2.5) on Lipoprotein Metabolism, Uptake and Degradation, and Embryo Toxicity[J]. Moleculer Cells, 2015, 38(12):1 096-1 104.

[8] XIE Y, BO L, JIANG S, et al. Individual PM2.5Exposure is Associated with the Impairment of Cardiac Autonomic Modulation in General Residents[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(10):10 255-10 261.

[9] 劉剛. 大氣環境監測[M]. 北京：氣象出版社, 2012：9-29.

LIU Gang.Atmospheric Environmental Monitoring[M].Beijing:China Meteorological Press, 2012:9-29.

[10] 張瑋, 郭勝利, 申付振,等. 南京地區PM2.5和PM10濃度分布特征及與相關氣象條件的關系[J]. 科學技術與工程, 2016, 16(4):124-129.

ZHANG Wei,GUO Shengli,SHEN Fuzhen,et al.The Relationship between the Distribution Characteristics of PM10and PM2.5in Nanjing Area and Meteorological Conditions[J].Science Technology and Engineering, 2016, 16(4):124-129.

[11] 陳勇, 匡方毅, 吳鏈,等. 長沙市PM2.5和PM10質量濃度的變化特征[J]. 干旱環境監測, 2016, 30(1):1-6.

CHEN Yong,KUANG Fangyi,WU Lian,et al.Characteristics of Mass Concentration Variations of PM2.5and PM10in Changsha[J].Arid Environmental Monitoring,2016, 30(1):1-6.

[12] 李名升, 任曉霞, 于洋,等. 中國大陸城市PM2.5污染時空分布規律[J]. 中國環境科學, 2016, 36(3):641-650.

LI Mingsheng,REN Xiaoxia,YU Yang,et al.Spatiotemporal Pattern of Ground-Level Fine Particulate Matter (PM2.5) Pollution in Mainland China[J].China Environmental Science,2016, 36(3):641-650.

[13] 國家環境保護部.環境空氣質量標準: GB 3095—2012[S].北京:中國環境科學出版社，2012.

[14] 郭勝利, 黃軍, 王希,等. 南京市大氣顆粒物污染特征及影響因素分析[J]. 科學技術與工程, 2015, 15(13):226-231.

GUO Shengli,HUANG Jun,WANG Xi,et al.Analysis on Pollution Characteristics and Influence Factors of Atmospheric Particulate Matters in Nanjing[J].Science Technology and Engineering,2015, 15(13):226-231.

[15] 劉杰, 楊鵬, 呂文生,等. 北京城6區大氣顆粒物質量濃度變化規律研究[J]. 安全與環境學報, 2015(6):333-339.

LIU Jie,YANG Peng,LV Wensheng,et al.On the Mass Concentration Variations of the Particulate Matters in the Six Downtown Districts of Beijing[J].Journal of Safety and Environment,2015(6):333-339.

[16] 胥密, 王廣甫, 尚宏忠,等. 北京市2014年PM2.5質量濃度變化特征[J]. 環境工程學報, 2016, 10(8):4 396-4 402.

XU Mi,WANG Guangpu,SHANG Hongzhong,et al.Characterization of PM2.5Mass Concentration of Beijing in 2014[J].Chinese Journal of Environmental Engineering,2016, 10(8):4 396-4 402.

[17] 肖文豐, 楊煥強, 周斌,等. 2011—2014年杭州市大氣PM2.5質量濃度變化特征分析[J]. 杭州師范大學學報(自然科學版), 2016, 15(2):214-219.

XIAO Wenfeng,YANG Huanqiang,ZHOU Bin,et al.On the Concentration Variation Characteristics of Atmospheric PM2.5in Hangzhou during 2011-2014[J].Journal of Hangzhou Normal University (Natural Science Edition), 2016, 15(2):214-219.

[18] 董婭瑋, 杜新黎, 李揚揚,等. 西安市區大氣中PM2.5和PM10質量濃度污染特征[J]. 中國環境監測, 2015，31(5):45-49.

DONG Yawei,DU Xinli,LI Yangyang,et al.Pollution Characteristics of Mass Concentration of PM2.5and PM10in Xi’an City[J].Environmental Monitoring in China,2015，31(5):45-49.