黑龙江省2015年-2019年大气PM2.5时空分布特征研究

赵善良 侯庆泽 吴晓龙 赵坤宇 鲁彦

关键词：黑龙江省；PM2.5；时空分布；气象因子

前言

大氣细颗粒物（Fine particulate matter，PM2.5）导致的大气污染是中国乃至全世界最主要的环境问题。2013年中国开始进行国家尺度的大气污染治理，先后颁布《大气污染防治行动计划》（2013-2017年）、《打赢蓝天保卫战三年行动计划》（2018-2020年）。大气环境质量呈现逐年好转趋势。在“十三五”期间，中国PM2.5防治取得明显的成效。然而，全国年均人口加权PM2.5暴露浓度水平（2019年，48ug/m3）仍然超出WHO指导值（10ug/m3）4倍有余，99%的人口暴露在超过WHO指导值的大气环境中；PM2.5污染的归因疾病负担影响依然存在上升风险。黑龙江作为一个中国东北方大省，幅员辽阔，工农业发展稳步前进，因此工农业生产带来的大气污染问题也十分严峻。此课题对黑龙江省2015年-2019年13个地级行政区域的PM2.5浓度时空分布特征展开了研究，以期为国家全局PM2.5污染监测以及黑龙江省开展区域性PM2.5污染精准治理提供可靠依据。

1材料与方法

1. 1研究目标

黑龙江省13个地级城市：大庆市、大兴安岭地区、哈尔滨市、鹤岗市、黑河市、鸡西市、佳木斯市、牡丹江市、七台河市、齐齐哈尔市、双鸭山、绥化市、伊春市。

1.2数据来源

大气污染物PM2.5浓度数据来源于真气网（ht-tps：//www. zq12369. com/）气象数据从网站rP5Weather网站（https：//rP5. rul）下载，该网站的数据来源于NOAA官方网站。

1.3评价方法

依据中国《国家环境空气质量标准（GB3095-2012）》二级浓度限值进行评价。季节划分：3-5月为春季，6-8月为夏季，9-11月为秋季，12月、次年1月和2月为冬季。采暖期为10月15日至次年4月15日，其余月份为非采暖期。

1.4统计分析方法

使用SPSS29.0对数据进行统计分析。以均数±标准差（X±S），中位数（M）、百分位数（P25、P75）、最大值（Max）、最小值（Min）表示；采用Spearman相关性分析相关性；检验水准：Q=0.05。

2结果与讨论

2.1黑龙江省PM2.5浓度时空分布特征

2.1.1黑龙江省PM2.5浓度年度时空变化特征

黑龙江省PM2.5省年均浓度呈下降上升再下降的总体趋势，在2015年和2017年超过国家二级标准（35ug/m3）。如图1所示，在2015年-2019年黑龙江省13个地级市中，五年中年均浓度最高的城市均为哈尔滨市，且五年都超过了国家二级标准，最高年均浓度为2015年的69.33u9/m3，这是由于哈尔滨市作为黑龙江省省会城市，在2015年全市常住人口已超过千万级别，且作为中国最早一批的工业基地之一，其工业区与生活区相较其余地级市更加庞大与密集，所以工业生产与人为活动导致PM2.5浓度相对更高。大庆市、大兴安岭地区、鹤岗市、黑河市、牡丹江市都表现为逐年下降，哈尔滨市、鸡西市、佳木斯市、七台河市、齐齐哈尔市、双鸭山市、绥化市、伊春市等呈现先上升后下降的年均变化趋势。所有地级市中哈尔滨市下降浓度最高，幅度最大，2019年PM2.5年均浓度比2015年下降了27.9u/m3，降幅为8.05%，这是由于《哈尔滨市打赢蓝天保卫战三年行动计划实施方案》的实施与稳步落实，使得PM2.5污染得到有效改善。

2.1.2黑龙江省PM2.5浓度采暖期与非采暖期时空变化特征

黑龙江省采暖期PM2.5浓度在40～50u9/m3之间，明显高于非采暖期，约为非采暖期的两倍左右。如图2所示，各地级市采暖期PM2.5浓度均值也明显高于非采暖期。在研究期间，绥化市与伊春市PM2.5浓度呈略微上升趋势，鹤岗市、鸡西市、佳木斯市、双鸭山市呈先上升后下降的趋势，其余地级市呈现下降趋势。

在采暖期，哈尔滨市浓度较高，处于60～95ug/m3范围，大兴安岭地区、黑河市、伊春市浓度较低，处于35ug/m3以下．其余地级市处于30.64～66.71ug/m3。在非采暖期，所有地级市浓度均值都较低，总体都处于10～30ug/m3。

出现上述结果是由于，黑龙江省采暖期的大规模供暖导致PM2.5排放量远远高于非采暖期，加之采暖期稳定的天气条件导致PM2.5不易扩散；而近年来，多数地级市总体呈下降趋势，这与政府连续颁布的《黑龙江省大气污染防治专项行动方案》及《黑龙江省大气污染防治行动计划》等方案规划有关，其中包括但不限于推进锅炉改造及淘汰，严控燃煤污染；升级改造治理设施，严治工业企业污染；推行绿色交通，严管机动车污染；强化大气污染综合治理，严防城乡面源污染等措施。

2.1.3黑龙江省PM2.5浓度季度时空变化特征

黑龙江省2015年-2019年PM2.5季均浓度，冬季处于46.15～56.74ug/m3，夏季处于28.01～31.67ug/m3，五年的总季均浓度呈现冬季>秋季>春季>夏季；研究期间的冬季呈上升趋势，而其余三个季节呈下降趋势。

如图3所示，在春季，13个地级市季均浓度最高的是哈尔滨市，范围为37.91～48.10ug/m3，大兴安岭地区最低，范围为11.88～23.14ug/m3，13个地级市总季均浓度范围为17.38～44.38ug/m3。

在夏季，13个地级市季均浓度与同年春季相比下降幅度明显，季均浓度最高为鹤岗市的14.36～47.90ug/m3，最低为大兴安岭地区的8.94～16.25u9/m3，所有地级市总季均浓度范围为12.79～25.94ug/m3。

在秋季，13个地级市季均浓度与同年夏季相比上升趋势明显，季均浓度最高为哈尔滨市的23.77～75.30ug/m3，最低为黑河市的12.67～29.33ug/m3，13个地级市总季均浓度范围为20.40～50.04ug/m3。

在冬季，13个地级市季均浓度与同年秋季相比进一步上升，季均浓度最高为哈尔滨市的77.49～103.41ug/m3，最低为黑河市的21.76ug/m3～33.51ug/m3，13个地级市总季均浓度范围为28.69～91.75ug/m3。

出现上述结果是因为冬季的黑龙江省供暖以及在棚户区、城中村、城乡结合部散煤使用量大，而相关散煤燃烧的污染治理措施例如改用电、新能源、洁净煤或再生能源，推广应用高效节能环保型锅炉等未大范围落实，从而导致PM2.5排放量大，加上气温低、大气稳定、逆温频发，从而导致冬季PM2.5浓度最高；夏季无供暖需求以及散煤使用，加之气象条件适于污染物的扩散，所以浓度最低，而春秋两季属于夏冬两季的过渡季节，所以浓度适中。

2.1.4黑龙江省PM2.5浓度月份变化特征

如图4所示，2015年-2019年全省或各地级市PM2.5月均浓度总体呈不规则“U”型分布特征，1月到5月逐渐下降，5月到9月浓度变化趋于平稳，9月以后又逐渐升高；同年月均最高值总体出现在1月、2月、11月和12月。

在研究期间，污染较轻的有大兴安岭地区、黑河市、鸡西市、佳木斯市和伊春市，污染较为严重的有大庆市、鹤岗市、牡丹江市、七台河市、齐齐哈尔市、双鸭山市和绥化市。黑龙江省污染最为严重的为哈尔滨市，在研究期间每年1月、2月、11月、12月都超过75ug/m3。

2.2主要大气污染物与气象因子对PM2.5的影响

大气污染物与不同气象因子都会影响着PM2.5的浓度变化，主要大气污染物和气象因素与PM2.5浓度的相关性分析结果见表1。

2.2.1主要大气污染物

如表1所示，黑龙江省PM10与PM2.5正相关性最强，这是因为二者同源性最强；N02、CO、S02与PM2.5都正相关，这是由于它们会受大气中的氧化物质氧化，从而促进二次气溶胶的形成，导致PM2.5浓度上升；不同地级市03与PM2.5相关性不同，原因可能是光照辐射、经度、离海距离、地形地貌与气候特征等综合作用而导致。

2.2.2气温

如表1所示，研究期间黑龙江省各地级市PM2.5浓度与气温都呈负相关，这是由于气温的升高会增强PM2.5的布朗运动，使污染物向四周或大气高层扩散转移，从而导致PM2.5浓度降低。经研究发现，气温在1-12月呈倒V型变化趋势，而PM2.5则与之相反呈现正V型变化。当5-9月气温较高时，PM2.5浓度也相对应的较低。在1月和12月，气温达到谷值（-17.47℃和-16.46℃）时，PM2.5浓度也到达峰值（53.54ug/m3和50.04ug/m3）。

2.2.3气压

气压是代表大气稳定的关键指标，它表示大气的运动剧烈程度，如表1所示，黑龙江省13个地级市都与气压呈现正相关，这是因为当近地面气压较低时会形成上升气流，促进PM2.5的扩散与降低，而当气压较高时会形成下沉气流，抑制污染物的扩散，增加污染物的积累。进一步研究发现，气压在1月、11月和12月达到峰值（999.55hPa、999.54hPa、1000.20hPa）时，PM2.5浓度也达到峰值（53.54ug/m3、48.54ug/m3、50.04ug/m3）。而在5-9月气压较低时，PM2.5浓度也相对较低。

2.2.4相对湿度

如表1所示，相对湿度與PM2.5浓度整体呈现显著弱相关，但进一步研究发现，相对湿度低于80%时，随着相对湿度的上升，PM2.5浓度也上升，而当相对湿度大于80%时，PM2.5浓度会随着相对湿度的上升而下降，这是由于相对湿度对PM2.5浓度的影响具有双重影响，在相对湿度小于80%的条件下，颗粒物会吸附在水分子上出现吸湿下沉现象，导致污染物浓度上升，而当相对湿度更大时则会阻碍云凝结核过程，影响大气中颗粒物新粒子的成核和老粒子的成长，导致PM2.5浓度降低。

2.2.5风速

如表1所示，风速与PM2.5浓度呈现显著负相关，这是因为风速较小时大气较为稳定，不利于PM2.5的扩散，风速较大时则相反，进一步研究发现，随着风速的递增，PM2.5浓度逐渐下降，在风速较小（1～2m/s）条件下，PM2.5浓度也达到峰值（46.20ug/m3），而当风速较大（>7～8m/s）时，PM2.5降到谷值（16.46ug/m3）。

3结论

黑龙江省2015年-2019年PM2.5年均浓度在2015年和2017年超过国家二级标准，省年均浓度及超标天数整体呈现下降趋势；采暖期浓度是非采暖期的两倍左右，采暖期超标天数整体低于30天；PM2.5浓度呈现冬季最高、夏季最低，在月尺度上呈1-5月逐渐降低，5-9月无太大变化，9月以后逐渐上升；超标天数与浓度变化基本保持一致。从空间分布特征来看，所有地级市中污染最轻的是大兴安岭地区、黑河市、伊春市，污染较为严重的是哈尔滨市，所有地级市PM2.5浓度在春、夏和秋季呈下降趋势，而冬季呈上升趋势。PM2.5浓度与PM10、N02、CO、SO2、气压呈现显著正相关，与气温、相对湿度和风速呈显著负相关，进一步研究发现当相对湿度大于80%时，PM2.5浓度会出现降低现象。