黑龍江省二氧化氮質量濃度變化研究

鄒旭東,李榮平,鄒旭芳,王笑影,蔡 福,米 娜

(1. 中國氣象局沈陽大氣環境研究所, 遼寧 沈陽 110166; 2. 哈爾濱商業大學 金融學院, 黑龍江 哈爾濱 150076)

0 引言

二氧化氮(NO2)與大氣中臭氧的生成和消亡密切相關,并且作為二次顆粒物生成的前體物,影響近地面細顆粒物的濃度[1-8]。NO2還是酸雨的成因之一。NO2會造成大氣能見度的降低,地表水的酸化、富營養化,以及增加水體中有害于魚類和其它水生生物的毒素含量。研究表明,大氣NO2長期暴露與我國成人慢性腎臟病患病風險增加有關[9]。環境問題制約著經濟的發展并關系著人們的健康,關于NO2的變化情況受到了學者們的關注。其中許多是利用OMI痕量氣體傳感器資料開展了相關的研究。例如基于OMI對流層NO2柱濃度產品,分別研究了京津冀城市群、長江三角洲以及山東省2005—2014年NO2時空變化及影響因素,從地形、氣象、經濟、農業、生活、國家重大環保措施及規劃等多個方面分析了NO2變化的影響因素[10-12]。研究2005—2013年京津冀NO2區域污染特征,得出人口密度、能源消耗、機動車排放等人為因素與京津冀NO2污染密切相關[13]。研究2005—2013年中國地區對流層NO2柱濃度的空間分布和長期變化趨勢[14]。分析2004—2013年海南島對流層NO2柱濃度和總NO2柱濃度的時空變化,并探究其大氣污染物來源[15]。還有根據監測數據,對比分析了2013—2014年北京市全年及重污染日NO2時空分布特征,NO2污染物和其他污染物的關系,以及重污染條件下NO2的轉化機制等[16]。

目前很多研究是關于京津冀以及國內其他地區的,然而關于東北地區NO2質量濃度的分布特征和變化研究還較為少見。黑龍江省位于中國東北邊陲,是我國位置最北、緯度最高的省份。面積居全國第6位,邊境線長近3 000 km,東部和北部與俄羅斯為鄰。黑龍江省境內的西部、東北部為平原地帶,北部和東南部為山地。黑龍江省屬于寒溫帶與溫帶大陸性季風氣候,地域性差異大。全省從南向北分為中溫帶和寒溫帶,從東向西分為濕潤區、半濕潤區和半干旱區。全省氣候季節特征明顯,春季低溫干旱,夏季受東南季風的影響降水充沛、溫熱多雨,秋季易澇早霜,冬季在干冷西北風控制下干燥少雨、寒冷漫長,無霜期短。黑龍江省冬季的供暖期時間長,每年10月下旬供暖期開始后省內各個地區就會出現霧霾天氣[17-18]。越是自然條件惡劣的地方,生態環境就更加脆弱。黑龍江省的污染狀況具有地域特點[19]。黑龍江省既是我國重要的商品糧基地,也是重工業基地。隨著東北老工業基地的振興,黑龍江省工業經濟發展迅速,但2013年以后有所放緩[20]。以資源型行業為主的產業結構、以煤炭消費和火力發電為主的能耗方式,導致黑龍江省環境質量改善壓力大,影響經濟與資源環境的協調可持續發展。而目前關于黑龍江省城市空氣質量以及氣象要素影響的研究相對較少[21]。

文中采用NO2污染監測數據、其他污染物監測數據、氣象數據、秸稈焚燒火點數等多種統計數據,分析黑龍江省近6 a的NO2濃度的時空格局變化,并挖掘環境變化背后的自然及人為影響因素。

1 資料與方法

1.1 數據來源

NO2和其他的地面污染物(AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、O3)濃度監測資料來源于黑龍江省環保局城市監測數據。資料時間為2015年1月1日—2020年12月31日。NO2的日評價指標為24 h平均質量濃度,NO2的年評價指標為全年的平均質量濃度。數據統計嚴格遵照GB 3095—2012《環境空氣質量標準》[22]和HJ 663—2013《環境空氣質量評價技術規范(試行)》[23]執行。在研究中全省13個城市的NO2質量濃度6 a實際有效監測天數為2 192 d,無缺測數據,符合國家評價技術規范。氣象觀測資料來源于中國氣象局。充分考慮了觀測資料的完整性和代表性,在每個地區采用1個氣象觀測站的數據,所有資料數據通過嚴格的質量控制和檢查。全省人口分布和GDP資料來自黑龍江省統計局。秸稈焚燒火點數據來自于黑龍江省環保局。

1.2 研究方法

NO2的評價標準根據GB3095—2012《環境空氣質量標準》中關于NO2的二級標準,日平均濃度超過80 μg/m3為日評價指標超標,年平均濃度超過40 μg/m3為年評價指標超標。對NO2與其他污染物之間的相關性利用SPSS軟件中的Spearman相關性進行分析。

2 NO2質量濃度的時空變化特征

2.1 NO2質量濃度的時間變化

2.1.1 NO2質量濃度的年際變化

對全省各城市NO2的年均值變化和超標情況進行了統計對比(見圖1)。2015—2017年全省NO2的變化基本持平,NO2的變化范圍分別為9.8～58.2 μg/m3、10.9～51.4 μg/m3、10.2～60.8 μg/m3,分別較全國平均值30 μg/m3、30 μg/m3、31 μg/m3降低22.4%、23.3%、25.0%。其中2016年、2017年全省平均值分別較上一年下降1.2%、上升1.0%。2015—2017年13個城市年均值中哈爾濱連續3 a超過40 μg/m3,NO2污染年值超標,其他城市都未超標。日均值的標準是80 μg/m3,2015—2017年全省平均NO2超標天數比例分別為:1.03%、0.27%、0.57%(見表1)。3 a 間各城市中都是哈爾濱超標天數最多,超標天數分別是37、9、19 d。

圖1 2015—2020年黑龍江省各城市NO2質量濃度Fig. 1 NO2 concentration in cities of Heilongjiang Province from 2015 to 2020

表1 2015—2020年黑龍江省NO2濃度及氣象條件Table 1 NO2 concentration and meteorological elements in Heilongjiang Province from 2015 to 2020

2018—2020年全省的NO2污染狀況持續減輕,NO2的變化范圍分別是9.2～46.9 μg/m3、7.1～48.8 μg/m3、7.5～46.7 μg/m3。平均值較上一年分別下降11.8%、9.2%、2.5%。分別較全國平均值29、27、24 μg/m3降低29.3%、31.1%、24.4%。各城市的年平均濃度值均未超標。2018年、2019年全省平均NO2超標天數比例較2017年下降,都為0.04%。而2020年出現了增加,超標天數比例為0.23%(見表1)。各城市中還是哈爾濱超標天數最多。在這3 a間只有綏化的年均濃度值出現了連續上升,其他城市都是下降或持平。而哈爾濱的年均濃度值雖然下降,但是超標日數卻由2018年、2019年的1 d增加到了2020年的7 d。2020年日均值超標集中出現在哈爾濱、綏化。

氣象要素對于空氣質量有著重要影響[24-25],統計全省13個城市2015—2020年的NO2質量濃度年均值、超標天數比例和氣象要素進行對比(見表1)。2016—2020年平均溫度是上升趨勢,2015—2020年降水量是增加的趨勢。相對濕度的變化2019年之前是下降趨勢,2020年出現了增大。NO2濃度和氣溫具有負相關關系[26],氣溫的上升對NO2濃度有減輕作用。降水對污染物有清除作用[27],年降水的增加有利于NO2濃度的下降。有研究表表明在50%～80%的范圍內,相對濕度和NO2濃度有正相關影響,濕度的增大對NO2污染產生不利影響[28]。風速和NO2濃度有負相關關系,風速上升有利于NO2擴散[29]。6 a間全省平均氣溫上升、降水量增加、風速增大,2015—2019年相對濕度下降對NO2濃度的下降都起著促進作用。雖然NO2年平均值也表現為下降,但是超標天數的比例并不是一直下降,尤其是2020年超標天數出現了增加。

2.1.2 NO2質量濃度的季節變化

黑龍江省2015—2020年NO2平均月均質量濃度呈“U”形變化(見圖2)。1—8月NO2月均質量濃度逐漸下降,8月份達到最低值14.7 μg/m3。9—次年1月NO2月均質量濃度逐漸升高,于1月份達到最高值30.0 μg/m3。這相似于東北、西北、西南等其他地區NO2的月均濃度變化曲線都呈明顯的“U”型變化趨勢,只是個別月份稍有不同[30]。

圖2 2015—2020年黑龍江省NO2濃度與超標天數月均分布Fig. 2 Monthly average distribution of NO2 concentration and days exceeding the standard in Heilongjiang Province from 2015 to 2020

NO2超標天數的月分布和月均濃度值變化趨勢大體一致。6 a中1月出現超標天數最多,達到41 d,其次是2月,17 d;12月,15 d。6—9月均未出現NO2濃度超標。冬季NO2污染嚴重還說明氣象要素對NO2污染起著重要作用。冬季地面對于大氣是冷源,尤其是夜間輻射降溫更明顯。近地面的大氣溫度比上層溫度低,使得大氣層結穩定,阻礙空氣的上下對流,污染物很難擴散,而且冬季的風速低、降水少更是加重了大氣污染。而夏季則相反,地面較大氣是熱源,大氣垂直運動活躍造成大氣層結不穩定,污染容易擴散。

2.2 NO2質量濃度的地理分布特征

分別統計得出了黑龍江省13個城市地區監測點NO2年均值的逐年地理分布(見表2)。2015—2017年哈爾濱年均值超標,其他地區未超標。2015年全省的NO2的污染以哈爾濱和綏化為高值中心,2016年開始明顯下降。2015—2017年南部地區表現為總體下降趨勢,其中綏化下降明顯。哈爾濱雖然數值有下降,但是連續3 a 都是超標。七臺河有明顯的上升趨勢,這使得南部的高值中心有向東發展的趨勢。齊齊哈爾、大慶、牡丹江、雞西變化幅度較小。位于北部的大興安嶺、黑河、伊春是全省的低值中心,其中伊春在低值的狀況下仍然表現下降。鶴崗2015—2016年持平,2017年增大。其他地區變化都較小。

表2 2015—2020年黑龍江省NO2濃度地理分布Table 2 Geographical distribution of NO2 concentration in Heilongjiang Province from 2015 to 2020

2017—2018年全省除了伊春、雞西保持低值,其他地區都是下降。其中綏化、哈爾濱、齊齊哈爾、黑河、大興安嶺降幅超過15%。哈爾濱由超標轉為不超標。2018—2020年各地區的年均值均未超標,全省處于較低水平,而且大部分地區仍然保持下降趨勢。其中鶴崗下降更明顯,2019年較2018年降幅達到35%。北部大興安嶺、佳木斯,南部大慶、齊齊哈爾、七臺河、雙鴨山等都逐年下降。哈爾濱2018—2019年持續下降,2019年較2015年降幅達到34%,2020年降幅減小。這是因為哈爾濱作為全省最大城市,污染排放量較大,污染控制到一定的數值后再繼續進行壓縮和消減難度較大。只有綏化逐年略有增大,但是也都低于20.0 μg/m3處于較低水平?？傮w北部地區的降幅較南部地區更大,自北向南表現為低值范圍擴大,高值的范圍減小。全省多年NO2濃度值從南到北,自西向東呈帶狀遞減分布,平行于南部、北部邊界線。

從2018—2020年平均全省的人口和經濟產值的地區分布上看(見表3),人口分布以哈爾濱為全省的高值中心。向東、向北數值逐漸下降,到黑河北部和大興安嶺地區為全省最低值。經濟產值分布也以哈爾濱為全省的最高值。自南向北數值逐漸下降,到大興安嶺中部和北部數值最低。對比全省NO2濃度的地理分布和人口密度以及各地區的GDP都較為一致。高值都是處于哈爾濱及周圍的南部地區,由中心向外擴散,數值逐漸下降,呈帶狀分布,到大興安嶺、黑河北部、伊春北部等地區為全省的最低值。這也表明了城市人口活動和經濟生產對于NO2濃度具有絕對的影響,哈爾濱地區的人口和GDP高值對應的NO2濃度值也高,而大興安嶺、黑河北部等地區的人口和GDP低值對應的NO2濃度值也較低。所以NO2的污染治理取決于對人口密集區和經濟發達地區的污染控制。

表3 黑龍江省各地區2018—2020年平均人口密度和生產總值Table 3 Average population density and GDP of all regions in Heilongjiang Province from 2018 to 2020

3 NO2與其它環境因子的相關性

對2015—2020年共2 192 d,將全省平均NO2濃度分別和PM2.5、PM10、CO、O3、SO2、AQI的日平均值進行了相關統計分析。

3.1 NO2與PM2.5、PM10

NO2質量濃度和可吸入顆粒物(PM2.5、PM10)之間的相關性,如圖3(a)和(b)所示,都呈正相關,相關系數高達0.822和0.811,均通過了雙側0.01水平的顯著性檢驗,且PM2.5與NO2濃度的相關系數略高于PM10。這是因為大氣中的NO2會經一系列反應生成銨鹽NH4NO3,而銨鹽正是可吸入顆粒物PM2.5的主要成分之一[31]。有關研究也指出,相比之下我國城市大氣PM2.5與CO、NO2、SO2的相關性明顯強于PM10,并且PM2.5與CO、NO2的相關性最強[32]。從各污染物與灰霾之間的關系來看,NO2和CO對PM2.5的影響很大,而這些污染物主要來源于機動車尾氣的排放[33]。

3.2 NO2與CO、O3

NO2質量濃度和CO正相關,和O3負相關(見圖3(c)和(d))。NO2與CO的相關系數高達0.854,與O3的相關系數為-0.161,均通過了雙側0.01水平的顯著性檢驗。NO2、CO主要來自于一次排放,二者濃度變化關聯明顯。其中NO2主要來自工業固定源和汽車移動源的排放,CO則主要來自一次的燃料不完全燃燒[34]。大氣中NO2濃度值與O3濃度值呈現負相關性,表現為一種此消彼長的關系。O3作為二次污染物,受NO2和CO 等前體污染物質的光化學反應影響,生成條件取決于溫度和日照條件。O3的生成要消耗NO2,隨著NO2的消耗,O3濃度不斷上升,直至NO2濃度達到較低水平時,O3的生成受到限制達到最大值。研究指出,人類活動排放出的NO2等一次污染物經光化學反應可以有效促進二次污染物O3的生成[35]。NO2等前體污染物排放對于天津市O3污染加劇貢獻較大[36]。

3.3 NO2與SO2、AQI

NO2質量濃度和SO2、AQI都表現為正相關(見圖3(e)和(f)),但低于PM2.5、PM10。NO2與SO2的相關系數為0.782,與AQI的相關系數為0.743,相關系數均通過了雙側0.01水平的顯著性檢驗。在大氣污染中各種物質之間發生著復雜的相互影響、相互作用和相互轉化,AQI是將常規監測的幾種空氣污染物的濃度簡化成為單一的概念性指數值形式,能夠分級表示空氣污染程度和確定首要污染物。與AQI的相關分析能夠在一定程度上反映污染物在綜合空氣污染指標里占有的比重。相關系數顯示NO2與AQI之間有著較強相關[37]。NO2和SO2的相關度高于AQI,二者都來自于燃燒和工業排放,SO2和NO2相似,具有強烈的腐蝕性和生理刺激作用,是酸雨形成的前體物,也是造成大氣二次污染的主要原因。大氣中SO2主要來自于一次排放,來自煤和高含硫汽油/柴油的燃燒排放[38]。SO2受到采暖期的影響最為顯著,同期NO2也是高值[39-40]。

圖3 黑龍江省2015—2020年NO2與PM2.5、PM10、CO、O3、SO2、AQI的相關性分析Fig. 3 Correlation analysis of NO2 and PM2.5, PM10, CO, O3, SO2, AQI in Heilongjiang Province from 2015 to 2020

3.4 NO2受相對濕度的影響

相比于其他污染物,NO2濃度更易受到近地面平均相對濕度的影響而積累或擴散[41]。統計6 a間全省各地區不同相對濕度中NO2的污染情況共28 480 d。除RH≤40%外,NO2超標比例隨著相對濕度的增加表現為先上升后下降。而RH≤40%時,NO2的超標比例略高是受春季出現的個別天NO2高值所影響,這也體現在RH≤40%時,NO2的濃度均值也較低。在RH≤80%時,NO2超標比例隨相對濕度的增加而上升,在70%80%時,NO2超標比例轉為下降,在RH>90%時,降至0.237%(見表4)。NO2濃度值的變化和超標比例變化相似,隨著相對濕度先增大后減小,在70%80%時,NO2濃度逐漸下降,因為RH>80%時,NO2易溶于水生成亞硝酸。另外發生高相對濕度情況時,一般伴隨降水事件,濕沉降發生可以去除大氣污染物[43]。NO2受相對濕度的影響并不固定,有研究指出NO2受相對濕度的影響在是否采暖期并不相同[44]。

表4 2015—2020年黑龍江省不同相對濕度下NO2超標頻率和濃度均值Table 4 Frequency and mean concentration of NO2 exceeding standard under different relative humidity in Heilongjiang Province from 2015 to 2020

3.5 NO2受秸稈焚燒的影響

秸稈焚燒釋放大量的顆粒物和氣態污染物,嚴重影響當地甚至通過長距離傳輸影響下風方向的空氣質量和人體健康。東北地區是中國最主要的糧食及商品糧生產基地, 作物秸稈資源十分豐富。雖然有著禁燒政策和嚴格管控, 但秸稈露天焚燒問題仍然突出[45]。黑龍江省上半年農田秸稈焚燒期主要集中在3月和

4月,下半年農田秸稈焚燒期主要集中在10月和11月這2個月份。2015年、2017年全省上半年4月份火點最多,分別為2 894個和1 440個,2016年上半年3月份火點最多。2015年、2016年全省下半年11月份火點最多,分別為1 207個和715個。2017年全省下半年10月份火點最多,為1 389個(見圖4(c))。全年NO2濃度值和著火點數有明顯的對應關系,在4月中旬和10月中旬出現明顯的增加值。2015—2020年平均NO2濃度旬增值最大出現在10月中旬,為5.35 μg/m3。4月中旬距上旬增值3.13 μg/m3,為12月中旬除外的全年第三高值(見圖4(b))。相對應的是2015—2017年秋季NO2平均濃度高值明顯,10—11月超過40 μg/m3的高值分別有4、3、7 d,而2018—2020年中只有1 d(見圖4(a))。2018—2020年春季高值明顯,其中2018年、2020年3—4月超過35 μg/m3分別有3 d和2 d,2020年的高值達到43.5 μg/m3。2019年上半年高值出現在2月末。而2015—2017年中3—4月只有1 d超過35 μg/m3。這說明春季焚燒有加重的趨勢[46],尤其是2020年春季焚燒更為嚴重。近幾年秸稈焚燒管控力度較大,2018年9月至2019年5月全省秸稈焚燒火點數1 813處、2019年9月至2020年5月147處、2020年9月至2021年5月261處,焚燒火點數逐年明顯下降,總體上焚燒造成的環境影響正向好的方向發展。而NO2濃度春季高值表明,雖然全年火點數下降,但是其中卻又出現春季焚燒增加的現象。

圖4 黑龍江省NO2質量濃度逐日變化、旬變化和火點數月分布Fig. 4 Daily and ten day changes of NO2 concentration in Heilongjiang and monthly distribution of fire points

4 結論與討論

4.1 結論

1)2015—2017年全省的NO2變化基本持平,分別較全國平均值低22.4%、23.3%、25.0%。其中哈爾濱連續3 a間NO2濃度超標,其他城市都未超標。2018—2020年全省的NO2污染持續改善,低于全國平均值的差距也有增加,所有地區年均值都未超標,但是哈爾濱出現日值超標增加。各氣象要素的逐年變化中,氣溫上升、降水量增加、風速增大、相對濕度下降對于NO2濃度的下降都起著有利作用。各月的NO2平均質量濃度和超標天數都呈“U”形變化,冬季高、夏季低。1月份濃度最高值達到30.0 μg/m3,8月份濃度最低值為14.7 μg/m3。冬季不利的氣象條件也是造成NO2污染的重要原因。

2)在地理分布中全省大部分地區都是逐年下降的趨勢。南部的哈爾濱、綏化是全省的高值中心,向北逐漸降低,自西向東呈帶狀分布,平行于南、北部邊界線。大興安嶺、黑河北部、伊春北部是全省的低值中心。全省的人口密度及各地區GDP的地理分布和NO2濃度分布都較為一致,都是以哈爾濱為高值中心,大興安嶺、黑河北部地區為低值中心,自西向東呈帶狀分布。這表明人口分布和經濟生產對NO2濃度具有絕對影響,對人口密集區和經濟發達區的污染控制是NO2治理的關鍵。

3)NO2與PM2.5、PM10都表現為正相關,PM2.5對NO2的影響略高于PM10。NO2與CO相關度最高,相關系數高達0.854。和O3負相關,NO2對O3是消耗轉化關系。NO2和SO2、AQI都表現為正相關,與SO2的相關度高于AQI低于CO、PM2.5、PM10。在受相對濕度的影響中,在RH≤80%時,NO2濃度隨相對濕度的增加而上升;在70%80%時,NO2濃度逐漸下降。NO2濃度值和秸稈焚燒有著明顯的對應關系,4月中旬和10月中旬出現明顯的增值。2018—2020年NO2濃度由秋季高值轉為春季高值,春季秸稈焚燒有加重的趨勢。統計表明,通過治理秸稈焚燒,火點數正在逐年減少。

4.2 討論

雖然總體2015—2020年全省的NO2濃度平均值下降,年值超標情況也在減輕,由有超標轉為無超標。但是各地區的日值超標并不是一直都在下降,比如2017年較2016年增加、2020年較2019年也有增加,對于這個超標日數增加的情況到底是污染排放造成的還是不利的氣象條件造成的還需深入探究。

在NO2的全省地理分布上表現為南部哈爾濱周圍的濃度值高、北部的濃度值低。在不斷進行污染控制的情況下,哈爾濱的濃度值在2020年下降幅度較小,年均值維持在32.0 μg/m3,雖然2019年之前都是明顯下降,但是以后要繼續將NO2的濃度值降到一個更低的水平還是值得探索的問題。

在與其他污染物的相關分析中除了NO2與O3是負相關,與其他都是正相關。而NO2與O3又是存在著相互轉化的關系,也就是說文中列出的污染物之間都是相互促進的。而CO、SO2、NO2、PM2.5都和燃燒有關,但是各種污染物之間的相關在不同的季節到底有著怎樣的變化,對各種氣象要素的敏感度又如何還需繼續開展研究工作。NO2濃度的地理分布和各地區經濟,人口的分布相一致,經濟越發達的地區NO2濃度也越高。而如何在保持經濟發展的同時將污染排放和治理控制在一個安全乃至優良的程度,還是一個值得不斷討論的話題。文中對不同的相對濕度范圍NO2濃度的變化規律進行總結,但對于風向、地形等其他因素對于污染的詳細影響情況還有待繼續開展研究。在多年NO2月均濃度和月超標天數里,1—6月的濃度值都是下降,而超標日數在1—3月、5月都是下降,而在4月突然有了增加,說明很可能是秸稈焚燒造成的,可見春季的秸稈焚燒成為了污染的主要因素。