黑龍江省2015年-2019年大氣PM2.5時空分布特征研究

趙善良 侯慶澤 吳曉龍 趙坤宇 魯彥

關鍵詞：黑龍江省；PM2.5；時空分布；氣象因子

前言

大氣細顆粒物（Fine particulate matter，PM2.5）導致的大氣污染是中國乃至全世界最主要的環境問題。2013年中國開始進行國家尺度的大氣污染治理，先后頒布《大氣污染防治行動計劃》（2013-2017年）、《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》（2018-2020年）。大氣環境質量呈現逐年好轉趨勢。在“十三五”期間，中國PM2.5防治取得明顯的成效。然而，全國年均人口加權PM2.5暴露濃度水平（2019年，48ug/m3）仍然超出WHO指導值（10ug/m3）4倍有余，99%的人口暴露在超過WHO指導值的大氣環境中；PM2.5污染的歸因疾病負擔影響依然存在上升風險。黑龍江作為一個中國東北方大省，幅員遼闊，工農業發展穩步前進，因此工農業生產帶來的大氣污染問題也十分嚴峻。此課題對黑龍江省2015年-2019年13個地級行政區域的PM2.5濃度時空分布特征展開了研究，以期為國家全局PM2.5污染監測以及黑龍江省開展區域性PM2.5污染精準治理提供可靠依據。

1材料與方法

1. 1研究目標

黑龍江省13個地級城市：大慶市、大興安嶺地區、哈爾濱市、鶴崗市、黑河市、雞西市、佳木斯市、牡丹江市、七臺河市、齊齊哈爾市、雙鴨山、綏化市、伊春市。

1.2數據來源

大氣污染物PM2.5濃度數據來源于真氣網（ht-tps：//www. zq12369. com/）氣象數據從網站rP5Weather網站（https：//rP5. rul）下載，該網站的數據來源于NOAA官方網站。

1.3評價方法

依據中國《國家環境空氣質量標準（GB3095-2012）》二級濃度限值進行評價。季節劃分：3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月、次年1月和2月為冬季。采暖期為10月15日至次年4月15日，其余月份為非采暖期。

1.4統計分析方法

使用SPSS29.0對數據進行統計分析。以均數±標準差（X±S），中位數（M）、百分位數（P25、P75）、最大值（Max）、最小值（Min）表示；采用Spearman相關性分析相關性；檢驗水準：Q=0.05。

2結果與討論

2.1黑龍江省PM2.5濃度時空分布特征

2.1.1黑龍江省PM2.5濃度年度時空變化特征

黑龍江省PM2.5省年均濃度呈下降上升再下降的總體趨勢，在2015年和2017年超過國家二級標準（35ug/m3）。如圖1所示，在2015年-2019年黑龍江省13個地級市中，五年中年均濃度最高的城市均為哈爾濱市，且五年都超過了國家二級標準，最高年均濃度為2015年的69.33u9/m3，這是由于哈爾濱市作為黑龍江省省會城市，在2015年全市常住人口已超過千萬級別，且作為中國最早一批的工業基地之一，其工業區與生活區相較其余地級市更加龐大與密集，所以工業生產與人為活動導致PM2.5濃度相對更高。大慶市、大興安嶺地區、鶴崗市、黑河市、牡丹江市都表現為逐年下降，哈爾濱市、雞西市、佳木斯市、七臺河市、齊齊哈爾市、雙鴨山市、綏化市、伊春市等呈現先上升后下降的年均變化趨勢。所有地級市中哈爾濱市下降濃度最高，幅度最大，2019年PM2.5年均濃度比2015年下降了27.9u/m3，降幅為8.05%，這是由于《哈爾濱市打贏藍天保衛戰三年行動計劃實施方案》的實施與穩步落實，使得PM2.5污染得到有效改善。

2.1.2黑龍江省PM2.5濃度采暖期與非采暖期時空變化特征

黑龍江省采暖期PM2.5濃度在40～50u9/m3之間，明顯高于非采暖期，約為非采暖期的兩倍左右。如圖2所示，各地級市采暖期PM2.5濃度均值也明顯高于非采暖期。在研究期間，綏化市與伊春市PM2.5濃度呈略微上升趨勢，鶴崗市、雞西市、佳木斯市、雙鴨山市呈先上升后下降的趨勢，其余地級市呈現下降趨勢。

在采暖期，哈爾濱市濃度較高，處于60～95ug/m3范圍，大興安嶺地區、黑河市、伊春市濃度較低，處于35ug/m3以下．其余地級市處于30.64～66.71ug/m3。在非采暖期，所有地級市濃度均值都較低，總體都處于10～30ug/m3。

出現上述結果是由于，黑龍江省采暖期的大規模供暖導致PM2.5排放量遠遠高于非采暖期，加之采暖期穩定的天氣條件導致PM2.5不易擴散；而近年來，多數地級市總體呈下降趨勢，這與政府連續頒布的《黑龍江省大氣污染防治專項行動方案》及《黑龍江省大氣污染防治行動計劃》等方案規劃有關，其中包括但不限于推進鍋爐改造及淘汰，嚴控燃煤污染；升級改造治理設施，嚴治工業企業污染；推行綠色交通，嚴管機動車污染；強化大氣污染綜合治理，嚴防城鄉面源污染等措施。

2.1.3黑龍江省PM2.5濃度季度時空變化特征

黑龍江省2015年-2019年PM2.5季均濃度，冬季處于46.15～56.74ug/m3，夏季處于28.01～31.67ug/m3，五年的總季均濃度呈現冬季>秋季>春季>夏季；研究期間的冬季呈上升趨勢，而其余三個季節呈下降趨勢。

如圖3所示，在春季，13個地級市季均濃度最高的是哈爾濱市，范圍為37.91～48.10ug/m3，大興安嶺地區最低，范圍為11.88～23.14ug/m3，13個地級市總季均濃度范圍為17.38～44.38ug/m3。

在夏季，13個地級市季均濃度與同年春季相比下降幅度明顯，季均濃度最高為鶴崗市的14.36～47.90ug/m3，最低為大興安嶺地區的8.94～16.25u9/m3，所有地級市總季均濃度范圍為12.79～25.94ug/m3。

在秋季，13個地級市季均濃度與同年夏季相比上升趨勢明顯，季均濃度最高為哈爾濱市的23.77～75.30ug/m3，最低為黑河市的12.67～29.33ug/m3，13個地級市總季均濃度范圍為20.40～50.04ug/m3。

在冬季，13個地級市季均濃度與同年秋季相比進一步上升，季均濃度最高為哈爾濱市的77.49～103.41ug/m3，最低為黑河市的21.76ug/m3～33.51ug/m3，13個地級市總季均濃度范圍為28.69～91.75ug/m3。

出現上述結果是因為冬季的黑龍江省供暖以及在棚戶區、城中村、城鄉結合部散煤使用量大，而相關散煤燃燒的污染治理措施例如改用電、新能源、潔凈煤或再生能源，推廣應用高效節能環保型鍋爐等未大范圍落實，從而導致PM2.5排放量大，加上氣溫低、大氣穩定、逆溫頻發，從而導致冬季PM2.5濃度最高；夏季無供暖需求以及散煤使用，加之氣象條件適于污染物的擴散，所以濃度最低，而春秋兩季屬于夏冬兩季的過渡季節，所以濃度適中。

2.1.4黑龍江省PM2.5濃度月份變化特征

如圖4所示，2015年-2019年全省或各地級市PM2.5月均濃度總體呈不規則“U”型分布特征，1月到5月逐漸下降，5月到9月濃度變化趨于平穩，9月以后又逐漸升高；同年月均最高值總體出現在1月、2月、11月和12月。

在研究期間，污染較輕的有大興安嶺地區、黑河市、雞西市、佳木斯市和伊春市，污染較為嚴重的有大慶市、鶴崗市、牡丹江市、七臺河市、齊齊哈爾市、雙鴨山市和綏化市。黑龍江省污染最為嚴重的為哈爾濱市，在研究期間每年1月、2月、11月、12月都超過75ug/m3。

2.2主要大氣污染物與氣象因子對PM2.5的影響

大氣污染物與不同氣象因子都會影響著PM2.5的濃度變化，主要大氣污染物和氣象因素與PM2.5濃度的相關性分析結果見表1。

2.2.1主要大氣污染物

如表1所示，黑龍江省PM10與PM2.5正相關性最強，這是因為二者同源性最強；N02、CO、S02與PM2.5都正相關，這是由于它們會受大氣中的氧化物質氧化，從而促進二次氣溶膠的形成，導致PM2.5濃度上升；不同地級市03與PM2.5相關性不同，原因可能是光照輻射、經度、離海距離、地形地貌與氣候特征等綜合作用而導致。

2.2.2氣溫

如表1所示，研究期間黑龍江省各地級市PM2.5濃度與氣溫都呈負相關，這是由于氣溫的升高會增強PM2.5的布朗運動，使污染物向四周或大氣高層擴散轉移，從而導致PM2.5濃度降低。經研究發現，氣溫在1-12月呈倒V型變化趨勢，而PM2.5則與之相反呈現正V型變化。當5-9月氣溫較高時，PM2.5濃度也相對應的較低。在1月和12月，氣溫達到谷值（-17.47℃和-16.46℃）時，PM2.5濃度也到達峰值（53.54ug/m3和50.04ug/m3）。

2.2.3氣壓

氣壓是代表大氣穩定的關鍵指標，它表示大氣的運動劇烈程度，如表1所示，黑龍江省13個地級市都與氣壓呈現正相關，這是因為當近地面氣壓較低時會形成上升氣流，促進PM2.5的擴散與降低，而當氣壓較高時會形成下沉氣流，抑制污染物的擴散，增加污染物的積累。進一步研究發現，氣壓在1月、11月和12月達到峰值（999.55hPa、999.54hPa、1000.20hPa）時，PM2.5濃度也達到峰值（53.54ug/m3、48.54ug/m3、50.04ug/m3）。而在5-9月氣壓較低時，PM2.5濃度也相對較低。

2.2.4相對濕度

如表1所示，相對濕度與PM2.5濃度整體呈現顯著弱相關，但進一步研究發現，相對濕度低于80%時，隨著相對濕度的上升，PM2.5濃度也上升，而當相對濕度大于80%時，PM2.5濃度會隨著相對濕度的上升而下降，這是由于相對濕度對PM2.5濃度的影響具有雙重影響，在相對濕度小于80%的條件下，顆粒物會吸附在水分子上出現吸濕下沉現象，導致污染物濃度上升，而當相對濕度更大時則會阻礙云凝結核過程，影響大氣中顆粒物新粒子的成核和老粒子的成長，導致PM2.5濃度降低。

2.2.5風速

如表1所示，風速與PM2.5濃度呈現顯著負相關，這是因為風速較小時大氣較為穩定，不利于PM2.5的擴散，風速較大時則相反，進一步研究發現，隨著風速的遞增，PM2.5濃度逐漸下降，在風速較小（1～2m/s）條件下，PM2.5濃度也達到峰值（46.20ug/m3），而當風速較大（>7～8m/s）時，PM2.5降到谷值（16.46ug/m3）。

3結論

黑龍江省2015年-2019年PM2.5年均濃度在2015年和2017年超過國家二級標準，省年均濃度及超標天數整體呈現下降趨勢；采暖期濃度是非采暖期的兩倍左右，采暖期超標天數整體低于30天；PM2.5濃度呈現冬季最高、夏季最低，在月尺度上呈1-5月逐漸降低，5-9月無太大變化，9月以后逐漸上升；超標天數與濃度變化基本保持一致。從空間分布特征來看，所有地級市中污染最輕的是大興安嶺地區、黑河市、伊春市，污染較為嚴重的是哈爾濱市，所有地級市PM2.5濃度在春、夏和秋季呈下降趨勢，而冬季呈上升趨勢。PM2.5濃度與PM10、N02、CO、SO2、氣壓呈現顯著正相關，與氣溫、相對濕度和風速呈顯著負相關，進一步研究發現當相對濕度大于80%時，PM2.5濃度會出現降低現象。