哈爾濱供暖期間PM2.5污染狀況及其與氣象因子的相關(guān)性分析

汪永英　張雪梅　韓冬薈　孟琳　郭敏　段文標(biāo)

摘要 [目的]研究哈爾濱供暖期間PM2.5污染狀況及其與氣象因子的相關(guān)性。[方法]針對北方城市哈爾濱冬季供暖期和非供暖期PM2.5和PM10的濃度變化特征以及供暖期間PM2.5濃度與氣象因子的相關(guān)性進行分析。[結(jié)果]2014年全年空氣質(zhì)量在二級以上達標(biāo)的天數(shù)為244 d，未達標(biāo)天數(shù)占33%；供暖期PM2.5和PM10的質(zhì)量濃度顯著高于非供暖期，平均值分別是非供暖期的3.34和2.49倍，且11月份濃度值達到最高；供暖期間的首要污染物質(zhì)為PM2.5，非供暖期間首要污染物質(zhì)為PM10；供暖期間PM2.5在PM10中的比重也高于非供暖期；PM2.5質(zhì)量濃度與日均氣溫呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，與日最大能見度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日均氣壓、日均風(fēng)速和總輻射存在不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，與日均濕度、總云量存在不顯著的正相關(guān)關(guān)系。[結(jié)論]該研究為空氣質(zhì)量預(yù)報、大氣污染防治和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)更新提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 供暖期；PM2.5；氣象因子；污染狀況；相關(guān)性

中圖分類號 S181.3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）19-185-05

伴隨著工業(yè)化的不斷進步，以PM10和PM2.5為首的顆粒物污染日漸嚴(yán)重，它們不但是造成城市空氣污染的主要原因之一，且已成為我國許多大中城市空氣污染中的首要污染物，也是我國大氣污染研究的重要內(nèi)容之一。特別是近幾年，身處在東北邊陲的的哈爾濱也難逃霧霾天氣的影響和危害。PM2.5（細(xì)顆粒物）是指大氣中直徑≤2.5 μm的固體顆?；蛞旱蔚目偡Q，屬于可入肺的顆粒物。雖然細(xì)顆粒物只是地球大氣成分中含量很少的組分，但它對空氣質(zhì)量和能見度等有重要的影響[1]。PM2.5的大小約是頭發(fā)絲的1/20，富含大量的有毒、有害物質(zhì)，且在大氣中的停留時間長、輸送距離遠(yuǎn)，因而對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量的影響更大，它會直接干擾肺部氣體交換，引發(fā)哮喘、支氣管炎和心血管病等多種疾病。PM2.5也是病毒和細(xì)菌的載體，促進呼吸道傳染病的傳播。哈爾濱是典型的北方城市，以SO2和顆粒物為主要污染物的煤煙型污染比較嚴(yán)重。該研究通過分析市區(qū)2014年全年P(guān)M2.5和PM10的濃度變化以及供暖期間PM2.5與各氣象條件的相關(guān)性，反映出哈爾濱市PM2.5的污染狀況和影響供暖期PM2.5質(zhì)量濃度的主要氣象因素，為整體衡量哈爾濱市PM2.5的污染狀況提供理論支持，為空氣質(zhì)量預(yù)報、防治大氣污染和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的更新提供理論依據(jù)[2]。

1 資料與方法

所有數(shù)據(jù)均根據(jù)哈爾濱市環(huán)保網(wǎng)（http：//www.hrbhbj.gov.cn）提供的監(jiān)測點信息和2014年各月的環(huán)境質(zhì)量月報結(jié)果分析獲得。氣象數(shù)據(jù)資料則來自于哈爾濱市氣象局和黑龍江省墾區(qū)氣象服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)站中的相關(guān)逐日資料。2014年1～12月的PM2.5和PM10數(shù)據(jù)均根據(jù)每日的觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后得到的供暖期和非供暖期的平均值。供暖期是指一年中的1～3月、11～12月，非供暖期指一年中的5～9月，4和10月為過渡期。相關(guān)數(shù)據(jù)處理和分析均采用SPSS16.0系統(tǒng)。

2012年環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）技術(shù)規(guī)定（試行） （HJ633-2012） 中規(guī)定，將用空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）替代原有的空氣污染指數(shù)（API）。AQI共分優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染和嚴(yán)重污染6級（表1）。當(dāng)PM2.5日均值濃度達150 μg/m3時，AQI即達200；當(dāng)PM2.5日均濃度達250 μg/m3時，AQI即達300；PM2.5日均濃度達500 μg/m3時，對應(yīng)的AQI指數(shù)達500?？諝赓|(zhì)量按照空氣質(zhì)量指數(shù)大小分為6級，相對應(yīng)空氣質(zhì)量的6個類別，指數(shù)越大、級別越高說明污染的情況越嚴(yán)重，對人體的健康危害也就越大[3]。

2 結(jié)果與分析

2.1 PM2.5和PM10供暖期與非供暖期的不同空氣質(zhì)量等級天數(shù)的比較 近年來國內(nèi)外對我國大氣PM2.5所進行的一系列的試驗和監(jiān)測結(jié)果表明，城市PM2.5污染有加劇的趨勢[2，4-5]。通過查詢和對哈爾濱市每日空氣質(zhì)量指數(shù)類別數(shù)據(jù)的處理并總結(jié)各類別對應(yīng)的天數(shù)（表2），2014年全年空氣質(zhì)量為優(yōu)和良的天數(shù)分別為62和182 d，說明全年的空氣質(zhì)量67%為二級以上的標(biāo)準(zhǔn)，達標(biāo)天數(shù)為244 d。形成輕度污染甚至達到嚴(yán)重污染的天氣為121 d，未達標(biāo)的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)占全年的33%左右。2014年全年的空氣質(zhì)量為優(yōu)的天數(shù)主要集中在5～9月，這期間屬于非供暖期，氣溫逐漸升高，相對濕度比較適宜，且每年的雨季也在這段期間，每個月均會出現(xiàn)10 d左右的降水天氣，所以整個天氣條件非常有利于污染物的稀釋和擴散，因此在這段非供暖期間幾乎沒有出現(xiàn)污染天氣。重度污染甚至嚴(yán)重污染天氣現(xiàn)象主要出現(xiàn)在供暖期間的1～3、11～12月，在這段時間內(nèi)，每個月中幾乎有半個月的時間是晴天或多云的天氣，氣溫比較低，氣壓比較高，大氣的運動相對比較穩(wěn)定，均不利于空氣污染物的擴散，所以在這期間出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的污染天氣。過渡期是指由非供暖期轉(zhuǎn)換為供暖期間的10月和供暖期轉(zhuǎn)換為非供暖期的4月，因為每年的10月20日和4月20日是哈爾濱全城供暖開栓和停止供暖的日期，有的供熱單位還會根據(jù)天氣情況的冷暖提前供熱或停熱，但最遲不會超過20日，所以在10月份上旬空氣質(zhì)量均是達標(biāo)的，而從10月中旬開始一部分提前供熱單位取暖鍋爐的燃燒帶來的空氣污染物在低溫、高壓、空氣靜穩(wěn)的大氣環(huán)流下不利于擴散稀釋；再加上農(nóng)民秋收之后焚燒秸稈等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，導(dǎo)致形成了過渡期間的10月份有6 d出現(xiàn)了重度污染以上的煙霾天氣。伴隨著供暖期的開始，哈爾濱空氣質(zhì)量越來越差，接下來的幾個月也均會有空氣質(zhì)量不達標(biāo)的現(xiàn)象，一直持續(xù)到供暖期結(jié)束。在每年的4月份中旬，伴隨著氣溫的逐漸回暖，氣壓值也不斷降低，再加上北方春季大風(fēng)的加入，所以在每年的4月份供暖期即將結(jié)束之際，哈爾濱市的空氣質(zhì)量也出現(xiàn)了好轉(zhuǎn)現(xiàn)象，達標(biāo)天數(shù)也呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。

2.2 供暖期前后PM2.5與PM10的平均濃度分布狀況分析 根據(jù)2014年全年的監(jiān)測結(jié)果計算出每月PM2.5和PM10月平均濃度的平均值，由PM2.5和PM10月平均濃度的比較和各個時期PM2.5和PM10的濃度對比（表3～4）可見，PM2.5和PM10在供暖期的月平均濃度 （109.0和152.8 μm/m3）整體大于非供暖期的月平均濃度 （32.6和61.2 μm/m3），其原因主要是冬季的太陽輻射弱、氣溫低、氣壓高、降水量小，大氣穩(wěn)定度較好，不易形成對流，大氣顆粒物的擴散相對比較困難，再加上冬季氣溫均在0 ℃以下，偏低的氣溫增加了冬季采暖燃料的使用量，其中最典型的就是11月份，PM2.5和PM10的月平均濃度水平達最高，分別為135和183 μm/m3，分別超過國家二級標(biāo)準(zhǔn)（GB3095-2012）2.86倍和1.61倍；而到了春季氣溫開始回升的季節(jié)，鍋爐燃煤的使用量也相對減少，PM2.5和PM10的濃度值也有所降低，尤其表現(xiàn)在3月份，PM2.5的濃度值降為60 μm/m3。在非供暖期間，PM2.5和PM10的月平均濃度整體變小，這主要是因為太陽輻射逐漸增強、溫度升高、氣壓降低、降水量逐漸增多，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，容易發(fā)生對流，大氣顆粒物比較容易發(fā)生擴散。根據(jù)每一種污染物質(zhì)的空氣質(zhì)量分指數(shù)（IAQI）可判斷（表3），供暖期間，空氣質(zhì)量

預(yù)報中的首要污染物質(zhì)為PM2.5，而非供暖期

間的首要污染物質(zhì)則以PM10為主。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因主要是供暖期間煤的燃燒直接排放大氣顆粒物增加了細(xì)顆粒物PM2.5的濃度，再加上冬季機動車取暖設(shè)置的排放和尾氣的排放也為PM2.5作出了貢獻。在非采暖季節(jié)，未鋪瀝青、水泥的路面上行駛的機動車、材料的破碎碾磨處理過程以及被風(fēng)揚起的塵土和施工工地的灰塵、粉塵則成為PM10的主要貢獻者[6]。

由表4可知，PM2.5和PM10在各個時期的平均濃度關(guān)系為供暖期>過渡期>非供暖期；供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為71%，過渡期間PM2.5占PM10的平均比重為62%，非供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為53%。可見，PM2.5在各個時期占PM10的比重均比較大，尤其是供暖期，這是因為這段時間氣溫低、氣壓高、降水量少，天氣狀況不利于大氣顆粒物的擴散，且哈爾濱又是典型的北方城市，冬季在供暖期全面啟動鍋爐供暖后，雖然城市規(guī)劃建設(shè)采取了集中供熱，取消小鍋爐供熱的措施，但大量使用價格低廉的不達標(biāo)的褐煤燃燒釋放大量的細(xì)小顆粒物懸浮在大氣中，再加上不利于空氣污染物稀釋擴散的天氣條件，導(dǎo)致城市中的空氣質(zhì)量級別經(jīng)常出現(xiàn)輕度污染以上的天數(shù)不斷增多。

2.3 供暖期間PM2.5質(zhì)量濃度與氣象條件的關(guān)系 大氣中PM2.5質(zhì)量濃度主要與人類活動和天氣條件密切相關(guān)。相對于非供暖期，供暖期和過渡期由于人為的采暖而向大氣中排放大量的顆粒污染物質(zhì)，因此在污染物一定的條件下，污染物濃度的大小和污染物擴散的快慢主要取決于氣象條件，其過程也十分復(fù)雜，往往在一定條件下其中一個因子起主導(dǎo)作用，其他因子則起協(xié)調(diào)作用。在此根據(jù)哈爾濱市氣象局提供的氣象資料，選取2014年供暖期間空氣污染較重的11月份數(shù)據(jù)資料，利用該月份的日平均氣溫、相對濕度、風(fēng)速、本站氣壓、總輻射、總云量和最大水平能見度等氣象要素來分析PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象因子的相關(guān)性。

2.3.1 與日均氣溫的相關(guān)性。由11月份每日平均干球溫度值可求出每日平均氣溫，從圖1可以看出，進入供暖期后的11月份的日均氣溫為-10.4～7.5 ℃，變化幅度較大，而當(dāng)月PM2.5質(zhì)量濃度的最大值（326 μg/m3）則出現(xiàn)在3.6 ℃，當(dāng)時正好是供暖期的前期，許多供暖企業(yè)開始陸續(xù)供暖，再加上氣溫還不是很低，沒有達到0 ℃以下，暖空氣控制整個城區(qū)，小于2級的微風(fēng)（當(dāng)時的日均風(fēng)速為1.85 m/s）又占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致空氣污染物在空氣中很難擴散，從而出現(xiàn)了嚴(yán)重污染的天氣。而伴隨著氣溫值的不斷降低，達到冰點0 ℃以下時PM2.5的質(zhì)量濃度值也呈現(xiàn)出降低的趨勢，當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度達到11月份最低值時（21 μg/m3），氣溫也達到了當(dāng)月的最低溫度值（-10.4 ℃）。利用SPSS16.0計算相關(guān)性得到（圖1），PM2.5的質(zhì)量濃度與日均氣溫呈顯著的正相關(guān)關(guān)系（P=0.004，r=0.515）。

2.3.2 與日最大能見度的相關(guān)性。當(dāng)發(fā)生煙霾天氣時，往往影響水平能見度[7]的遠(yuǎn)近，從11月份數(shù)據(jù)中選取每日最大能見度來分析與PM2.5的相關(guān)關(guān)系。從每日最大能見度的數(shù)據(jù)可以看出，其范圍在8～30 km，當(dāng)日最大能見度<10 km的情況下，PM2.5的質(zhì)量濃度普遍偏高，且出現(xiàn)重度污染以上幾率明顯增加；而在日最大能見度接近30 km時，PM2.5的質(zhì)量濃度幾乎達到了最小值。由圖2可見，PM2.5的質(zhì)量濃度與日最大能見度呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P=0.001，r=-0.567）。分析其原因主要是由于大氣中的污染氣體尤其是顆粒物對可見光的吸收和散射所產(chǎn)生的消光作用所致[8-9]，細(xì)小顆粒物的增加會導(dǎo)致大氣透明度降低，使大氣水平能見度下降，而空氣中的細(xì)小顆粒物大部分來自于煤的燃燒進入大氣中的空氣污染物的排放和轉(zhuǎn)化，因此水平能見度的遠(yuǎn)近變化與空氣污染程度的變化密切相關(guān)。

2.3.3 與日均相對濕度的相關(guān)性。從11月氣象資料的平均值可以看出，日均相對濕度的變化在28%～82%，變化幅度較大，而PM2.5質(zhì)量濃度的最大值出現(xiàn)時，濕度為58.5%；PM2.5質(zhì)量濃度最小值時，濕度為42.6%。通過對PM2.5質(zhì)量濃度與相對濕度的相關(guān)性系數(shù)分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間無顯著的相關(guān)性。但從11月相對濕度變化與空氣質(zhì)量的關(guān)系（表5）可以看出，合適的相對濕度值（<50%）對于空氣污染物的擴散是有利的，出現(xiàn)中度污染以上的天數(shù)值明顯低于出現(xiàn)重度污染天氣時對應(yīng)的相對濕度值（51%～70%），也就是說相對濕度在51%～70%有利于大氣中的顆粒物附著在水汽上，使得顆粒物質(zhì)量濃度增加；在一定濕度范圍（以不發(fā)生重力沉降為界限）內(nèi)，相對濕度越大越有利于顆粒物的形成，相對濕度是影響可吸入顆粒物污染的一個較為重要的因素，尤其是高濕度空氣容易造成顆粒物的較重污染[9-10]。其原因主要是相對濕度偏大的天氣，水汽比較充足，大氣逆輻射增強，多存在逆溫，逆溫的出現(xiàn)使空氣中的PM2.5不易擴散，且空氣濕度大，容易形成霧罩，也使顆粒物不易擴散。由此可見，PM2.5的質(zhì)量濃度在相對濕度達50%以上時出現(xiàn)中度以上污染天氣的次數(shù)會增加。

2.3.4 與本站氣壓的相關(guān)性。 氣壓的高低與大氣環(huán)流形勢密切相關(guān)，當(dāng)?shù)孛媸艿蛪嚎刂茣r，四周高壓氣團流向中心，中心形成上升氣流，通常風(fēng)力較大，有利于污染物向上擴散，顆粒物濃度較??；但在低氣壓場天氣形勢下經(jīng)常多有低云阻擋垂直擴散，加強大氣逆輻射，減小地面的有效輻射，從而減小氣溫隨高度的變化，間接造成了PM2.5的不易擴散，顆粒物濃度增大；當(dāng)?shù)孛媸芨邏嚎刂茣r，一般天氣晴朗，風(fēng)速較小，中心部位出現(xiàn)下沉氣流，阻止污染物向上擴散，在穩(wěn)定高壓的控制下，大氣污染加重，顆粒物濃度較大[9，11-12]。根據(jù)哈爾濱市供暖期間11月份日均本站氣壓數(shù)值得知，日均氣壓為990～1 020 hPa，相應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度在較小的范圍內(nèi)變化。由圖3可以看出，PM2.5的質(zhì)量濃度與日均氣壓存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，但并不顯著（P=0.136，r=-0.279）。

2.3.5 與平均風(fēng)速的相關(guān)性。一般來說，風(fēng)速越大，越有利于大氣顆粒物擴散，相應(yīng)濃度值越低；反之，濃度值越高[13]。從2014年11月份日均風(fēng)速的大?。▓D4）可以看出，隨著風(fēng)速的增加，PM2.5的質(zhì)量濃度值呈現(xiàn)出降低的趨勢。當(dāng)PM2.5質(zhì)量濃度值出現(xiàn)最高值和最低值時，風(fēng)速分別為1.85和4.1 m/s；由此可見，顆粒物濃度與風(fēng)速變化趨勢相反，PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速存在較好的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P=0.407，r=-0.157），但并不十分顯著。

2.3.6 與總云量和總輻射的相關(guān)性。

從總輻射量的數(shù)據(jù)（圖5）得知，其最大值為513 J/m2，對應(yīng)的PM2.5質(zhì)量濃度為114 μg/m3，當(dāng)天的空氣質(zhì)量為輕度污染；而當(dāng)總輻射量最小值58 J/m2時，對應(yīng)的PM2.5的濃度值為133 μg/m3，此時的天氣狀況為重度污染；通過數(shù)據(jù)分析可知，空氣質(zhì)量在優(yōu)和良級別時，總輻射量均大于400 J/m2?？傒椛涞拇笮】梢杂绊懳廴疚锏纳⒉妓俣?，當(dāng)太陽輻射愈強，地面獲得的能量就多，傳遞給近地層的空氣也就多，由于空氣溫度層結(jié)是遞減的，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)，有利于污染物的擴散，顆粒物擴散稀釋速率快，使PM2.5的質(zhì)量濃度減??；當(dāng)總輻射量減少時，近地層氣溫下降，容易形成逆溫，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，不利于顆粒物的稀釋擴散，使PM2.5的質(zhì)量濃度增大。單純考慮總輻射因素的確與PM2.5濃度值有負(fù)相關(guān)關(guān)系（圖5a），但綜合其他氣象要素的影響，這種負(fù)相關(guān)影響并不顯著（P=0.433，r=-0.149）。分析PM2.5質(zhì)量濃度與總云量的相關(guān)性（圖5b）可見，隨著總云量不斷增加，天氣的狀況也愈來愈差，容易形成陰雨天氣的幾率增加，太陽輻射被地面反射向上的部分由于云量的增多，很難反射到宇宙空間，再加上云量增多，

投射到地面上的總輻射明顯減少，大氣逆輻射增強，不利

于污染物的擴散；所以說總云量的多少與PM2.5的濃度值有一定的正相關(guān)關(guān)系，但并不顯著（P=0.324，r=0.186）。

3 結(jié)論

（1）2014年全年空氣質(zhì)量62 d為優(yōu)，主要集中在5～9月份；182 d為良，輕度污染甚至達到嚴(yán)重污染的天氣為121 d，出現(xiàn)重度污染甚至嚴(yán)重污染現(xiàn)象主要出現(xiàn)在供暖期間的1、2、3、11和12月。

（2）PM2.5在供暖期的月平均濃度為109 μm/m3，大于非供暖期的月平均濃度（32.6 μm/m3）。供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為71%，過渡期間PM2.5占PM10的平均比重為62%，非供暖期間PM2.5占PM10的平均比重為53%。PM2.5在各個時期占PM10的比重均比較大，尤其是供暖期。可見，哈爾濱PM2.5污染較嚴(yán)重， PM2.5占PM10的比重較大，尤其在供暖期，PM2.5的污染程度更為嚴(yán)重。

（3）氣象因子是影響PM2.5質(zhì)量濃度水平的重要因素之一。由于受多種氣象因子的綜合影響以及各氣象因子之間的相互作用，PM2.5質(zhì)量濃度與氣象條件的關(guān)系比較復(fù)雜。其中PM2.5質(zhì)量濃度與日均氣溫呈顯著正相關(guān)，與日最大能見度呈顯著負(fù)相關(guān)；日均本站氣壓、日均風(fēng)速和總輻射與PM2.5有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，但并不顯著；日均相對濕度和總云量與PM2.5有一定的正相關(guān)關(guān)系，也不顯著。氣象因素之間是密切相關(guān)的，對于不同季節(jié)不同地區(qū)在不同時間每種氣象要素對污染物的擴散能力也是不同的。因此建議居民在天氣條件不利于空氣污染物擴散的狀況下，盡量減少外出，并適當(dāng)做好自身防護工作，減少污染物對身心健康的影響。

（4）哈爾濱地區(qū)PM2.5的污染與季節(jié)有關(guān)，因氣象條件而異。因此，在冬、春季供暖期間，在現(xiàn)有的不利氣象條件下如何將大氣污染降低到最低程度， 是有關(guān)政府相關(guān)部門急需解決的重要課題。

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