哈爾濱市取暖期PM2.5污染特征分析

羅 爻，劉 碩，高俁晗，張美琦，宣立強

(哈爾濱師范大學 地理科學學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

1 引言

改革開放以來的40多年里，中國工業化和城市化進程加速了空氣污染，主要表現為污染物擴散、人體呼吸道受損、誘發酸雨和能見度下降等現象[1]，而在各項空氣污染指標中，顆粒物污染尤其顯著[2]。 PM2.5又稱細顆粒物，指的是空氣動力學當量直徑<2.5 μm的可入肺顆粒物[3]。PM2.5因表面富集 PAHs、重金屬等有毒有害物質，可引起急慢性呼吸系統和心血管系統等疾病發病率甚至死亡率的升高，引起人們廣泛關注[4～6]。但是，目前已有研究大多集中在京津冀、長三角和珠三角等區域的熱門地區和城市，對東北地區空氣顆粒物的研究仍然較少。

哈爾濱受歷史原因影響仍有“東北老工業基地”之稱，重工業多，能源消耗大，易造成大量污染。此類工業活動會產生大量的PM2.5、PM10、SO2等污染物的排放。根據黑龍江生態環境廳監測的空氣質量在線監測數據，2015年取暖期平均達標天數為73%，2016年取暖期平均達標天數為85%，2017年取暖期空氣質量達標天數為80.5%，2018年達標天數為90.6%。達標天數雖有反復但整體呈上升趨勢。2014年以來哈爾濱市取暖期PM2.5濃度雖然呈下降趨勢，但持續性霧霾天氣仍頻繁出現。采暖期由于居民對供暖需求的增加，氣象條件也與非采暖期有所差異，從而導致 PM2.5在濃度及成分組成上的變化。

由于采暖季燃燒排放增加和污染物不易擴散，秋冬季霧霾天氣頻發[15]。本文選取哈爾濱市污染嚴重的2017年取暖期(2017年1月至3月15日，2017年10月15日至12月31日)作為研究時段。研究了哈爾濱市取暖期PM2.5空間格局分布、時間分布規律以及與氣象因子之間的關系。旨在：①系統的探索哈爾濱市PM2.5濃度的時空變化規律。②進一步了解大氣污染狀況，為相關部門大氣污染防控提供科學的管理依據。

2 研究區概況

哈爾濱是中國緯度高的省會城市。屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，冬季長達5～6個月，采暖期為10月至次年3月，20 t以上取暖鍋爐分布密集。哈爾濱作為北方典型的工業城市，重點污染企業多以重工業為主。

2.1 數據來源

大氣PM2.5的監測數據來源于哈爾濱人民政府生態環境局(http://www.harbin.gov.cn/col/col4932/index.html)，哈爾濱市建立了完整的空氣監測系統，通過Python編寫接口程序，自動獲取哈爾濱市11個監測點位PM2.5小時數據。氣象數據來源于中國氣象數據網(https://data.cma.cn/)，哈爾濱地面站1981～2010年整編數據，2017年哈爾濱市日20～20時降水量、日平均風速、日平均溫度、日平均相對濕度。

2.2 數據處理方法

本研究季節采取北方通用季節。本次研究區范圍為哈爾濱市主城區，11個監測站點。運用ArcGIS軟件的統計功能對11個站點PM2.5取暖期月平均濃度進行空間差值處理，這里采用的是反距離權重法。用origin對哈爾濱市2017年11個監測站點的小時數據進行時間序列分析，取11個監測站均值。

3 結果與討論

3.1 哈爾濱市PM2.5的空間分布

通過對各監測站點污染物分析，濃度最高的是省農科院，年均值為101 μg/m3，其次是太平宏偉工園(96.15 μg/m3)和呼蘭師專(94.2 μg/m3)。嶺北、道里PM2.5濃度較低，最低為松北商大(58.3 μg/m3)。從整體上看，道外區、呼蘭區、南崗區是PM2.5濃度高值區。道外區是哈爾濱的老城區，幾乎全天擁堵，PM2.5受機動車排放影響增大，大量建筑在進行大面積拆遷重建，并且區域內燃煤鍋爐眾多。而呼蘭區與南崗區也都是車流密集來往人流量大的區域?？梢钥闯鲞@兩個高污染區域與哈爾濱市大氣污染企業和燃煤鍋爐集中帶比較吻合，并且區域人口和車流量都比較密集。

3.2 時間序列分析

根據生態與環境保護部發布的《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》(HJ633-2012)，將PM2.5日均濃度劃分為6個等級并分別給予數值范圍(表1)。

表1 PM2.5濃度等級

2017年哈爾濱市取暖期從10月15日至次年3月15日。2017年1、10、11月出現了多次重度污染天氣以及嚴重污染天氣，2、3、12月出現了多次輕度污染天氣，而5～9月天氣情況以優秀和良好為主?？梢姽枮I市取暖期PM2.5污染比較嚴重。每日7：00～10：00，19：00～23:00為PM2.5濃度高值區，每日13：00～18：00為一天中PM2.5的濃度低值區。其主要原因是取暖期時哈爾濱為冬季，氣溫0 ℃以下，早晚為燃煤供暖和出行的高峰期。寒冷天氣路面易結冰，機動車行駛速率降低，在外滯留時間延長，污染物排放也變高[20]。而非取暖期時為早晚高峰，污染物排放量也會變高。

根據對監測數據的計算得出，2017年10月19日PM2.5質量濃度達到最大值，日均值為452.434 μg/m3是國家二級標準的6.03倍(圖1)。出現最高值主要原因是哈爾濱市集中供暖，且正值秋季農忙結束，農民大量燃燒秸稈等生物質，導致空氣嚴重污染。另外，哈爾濱取暖期為冬季，氣溫低，PM2.5的質量濃度與日均溫顯著相關，因此氣溫的急劇下降和逆溫天氣的消失可能是造成 PM2.5質量濃度降低的一個關鍵原因。

圖1 10月19日PM2.5濃度變化曲線

3.3 哈爾濱市PM2.5質量濃度水平與氣象要素的關系

圖2為1月份采樣區域PM2.5質量濃度日均變化曲線圖，圖3為1月份采樣區域各氣象要素變化曲線圖。采樣區域1月份PM2.5的日質量濃度范圍為26.4～375.2 μg/m3，采集的31個PM2.5樣品中有20個樣品的日均值質量濃度在75 μg/m3以上，超出國家二級標準(GB3095-2012)PM2.5濃度限值2.5倍，最大超標倍數為5倍，平均超標為2.5倍，日均濃度的超標66%?？梢姽枮I市在取暖期時PM2.5污染尤其嚴重。主要原因是取暖期天氣寒冷，而哈爾濱市冬季取暖以燃燒煤炭為主，污染物排放量大，并且哈爾濱冬季降雪多，導致路面積雪結冰，機動車滯留時間長，污染量排放變高。

圖2 1月份PM2.5質量濃度日變化

根據圖2可以分析出PM2.5質量濃度日變化起伏較大，且呈波浪型，PM2.5的質量濃度在1月1日、1月2日、1月8日和1月16～18日保持較高水平，這與PM2.5的排放和氣象因素有密切的關系。1月份PM2.5逐小時氣象數據來源于省農科院氣象監測站。結合圖2、3，發現PM2.5質量濃度與溫度呈正相關，但相關系數不高，在PM2.5濃度的峰值或谷值附近表現明顯，說明溫度高時PM2.5質量濃度較高，反之則低。而與相對濕度和風速呈負相關，相對濕度與風速也呈負相關。在1月22日附近的PM2.5濃度較低時，有從西北吹來的風，且風力較強，風速大，有利于PM2.5質量濃度的降低。在1月8日與1月4日PM2.5質量濃度較高時，雖然主要風向為從西方吹來的風，但風速小。當風速減小，相對濕度增大時，容易使地面空氣處于穩定狀態，不利于擴散，因而加重了大氣污染。

4 結論

(1)哈爾濱市PM2.5質量濃度空間分布規律與大氣污染企業和燃煤鍋爐集中帶呈正相關，且人口密集和車流量大的地區PM2.5質量濃度較高。

(2)哈爾濱市2017年1、10、11月出現了多次重度污染天氣以及嚴重污染天氣，而5～9月天氣情況以優秀和良好天氣為主，10月19日PM2.5濃度為全年最大值，是因為哈爾濱市開始集中供暖。可見取暖期PM2.5質量濃度較高，主要原因是取暖期對燃煤需求量大，且氣溫低，路面易結冰，機動車在外滯留時間長，導致污染物排放量增大。

(3)采樣區域1月份大氣PM2.5日濃度變化范圍為26.4～375.2 μg/m3，PM2.5質量濃度與溫度呈正相關，但相關系數不高，在PM2.5濃度的峰值或谷值附近表現明顯，與相對濕度1月份采樣點各氣象要素呈負相關。

圖3 1月份采樣點各氣象要素