黑龍江省PM2.5時空演變特征研究

張思宇，茹 藝

(1.哈爾濱師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150025；2.哈爾濱市道外區(qū)疾病預(yù)防控制中心，黑龍江 哈爾濱 150056)

1 引言

隨著我國城市化快速發(fā)展，高污染、高能耗、低效率粗放型的經(jīng)濟(jì)模式造成了空氣污染，制約了可持續(xù)發(fā)展。人類的經(jīng)濟(jì)社會活動排放出大量的廢氣，其中包括細(xì)顆粒物(PM2.5)。當(dāng)大氣自凈能力下降至一定程度時，細(xì)顆粒物的濃度就會不斷積聚，易出現(xiàn)嚴(yán)重的霧霾天氣。PM2.5是指空氣中動力學(xué)直徑小于等于2.5 μm的顆粒物。它能夠在空氣中長期懸浮，當(dāng)其在空氣中濃度較高時，則此時的空氣污染情況較為嚴(yán)重。PM2.5污染的影響不僅在于對空氣質(zhì)量和能見度的干擾，由于其會攜帶有毒有害物質(zhì)，在大氣中遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、活性強(qiáng)等特點(diǎn)，會對人類呼吸系統(tǒng)造成傷害[1,2]。

關(guān)于大氣PM2.5污染問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同層面開展廣泛研究，現(xiàn)有成果頗豐[3,4]。韓立建[5]研究表明，在城鎮(zhèn)化快速發(fā)展和人口稠密地區(qū)，大氣污染程度明顯高于其他區(qū)域。學(xué)者針對研究的熱點(diǎn)區(qū)域——京津冀、長三角、珠三角地區(qū)PM2.5污染時空特征與影響機(jī)理進(jìn)行分析[6～8]。主要圍繞自然和社會2 個角度展開討論影響因素。胡子超等[9]分析了PM2.5污染與氣象因子的相關(guān)性，濕沉降成為解決氣溶膠污染的突破口。劉曉紅等[10]認(rèn)為城市居民人均收入的提高會降低PM2.5污染，得益于居民環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)。

根據(jù)《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》大氣環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在全國338 個地級市及以上城市中，有250 多個城市空氣質(zhì)量超標(biāo)，東北地區(qū)的空氣質(zhì)量超標(biāo)城市占所有城市的11%，細(xì)顆粒物是造成污染的首要污染物，濃度超過國家環(huán)境空氣質(zhì)量二級標(biāo)準(zhǔn)，其中黑龍江省PM2.5污染情況較為嚴(yán)重。開展市域?qū)用娴难芯磕軌蚋玫赝诰蚋鞒鞘械膮^(qū)域差異，因地制宜地提出政策措施?；?009～2018年黑龍江省城市PM2.5濃度面板數(shù)據(jù)，利用GIS和回歸模型等方法，探究其時空演變特征與影響因素，以期為區(qū)域PM2.5污染治理提供依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

黑龍江省地處中國東北地區(qū)北部，是我國重要的商品糧基地、能源原材料基地、裝備制造基地和石油化工基地。行政區(qū)劃內(nèi)包括哈爾濱市、大慶市、齊齊哈爾市、伊春市、綏化市、鶴崗市、佳木斯市、雙鴨山市、黑河市、七臺河市、雞西市、牡丹江市和大興安嶺地區(qū)13 個地級城市。全省主要的氣候特征表現(xiàn)為：春季低溫且多大風(fēng)天氣，降雨量少，易出現(xiàn)春旱；夏季溫?zé)釢駶?，雨量充沛；秋季易發(fā)生洪澇霜害；冬季寒冷漫長，氣候地域性差異較大。在降水方面，黑龍江省呈現(xiàn)典型的季風(fēng)特征。夏季主要受東南風(fēng)影響，降雨充沛，而冬季則在干冷的西北風(fēng)控制下，少雨干燥。

3 數(shù)據(jù)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本文以黑龍江省13 個地級城市2009～2018 年P(guān)M2.5月平均濃度數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，探究其時空演變特征及影響因素。數(shù)據(jù)取自黑龍江省環(huán)境保護(hù)廳與黑龍江統(tǒng)計(jì)年鑒，部分缺失數(shù)據(jù)由插值法計(jì)算進(jìn)行平滑處理。依據(jù)氣象局發(fā)布的氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《氣候季節(jié)劃分》(QX/T152-2012)，以氣候要素(平均氣溫)分布狀況、季節(jié)的時間節(jié)點(diǎn)和天文季節(jié)為根據(jù)，將四季劃分為：3～5月份為春季、6～8月份為夏季、9～11月份為秋季，12月至次年2月份為冬季。

3.2 研究方法

運(yùn)用origin對2009～2018 年黑龍江省地級城市PM2.5月平均濃度數(shù)據(jù)分析其時間序列特征?；贏rcGIS軟件空間分析功能，明晰其空間分布格局特征。利用面板計(jì)量模型，進(jìn)行PM2.5各影響因素的回歸分析并進(jìn)行檢驗(yàn)。

4 結(jié)果與討論

4.1 黑龍江省PM2.5濃度時間序列變化特征

4.1.1 黑龍江省PM2.5濃度年際變化特征

根據(jù)2009～2018年黑龍江省城市PM2.5濃度數(shù)據(jù)，匯總計(jì)算得出黑龍江省PM2.5濃度年際變化，如圖1所示?？梢钥闯觯邶埥M2.5的年平均濃度在2009～2014年呈現(xiàn)上升狀態(tài)；在2014～2018年呈現(xiàn)出下降趨勢。黑龍江省政府2014年發(fā)布《黑龍江省大氣污染防治行動細(xì)則》，計(jì)劃通過全面防治大氣污染的部署，預(yù)計(jì)到2017年使黑龍江空氣質(zhì)量逐年提高，基本消除重污染天氣。此外，為應(yīng)對城市空氣污染問題，政府積極調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、提升生產(chǎn)技術(shù)、追求清潔生產(chǎn)與國家嚴(yán)格實(shí)施環(huán)境保護(hù)工作的共同作用，成果顯著，在很大程度上削減了PM2.5濃度的上升趨勢。

圖1 黑龍江省2009～2018年P(guān)M2.5濃度變化

4.1.2 黑龍江省各城市PM2.5濃度及其季節(jié)變化特征

為清晰比較出各地級市PM2.5污染情況及其季節(jié)變化特征，以2018 年黑龍江地級城市PM2.5濃度月平均為代表，如圖2所示。2018 年黑龍江省地級城市中，以哈爾濱、雞西、綏化受PM2.5污染情況較為嚴(yán)重。PM2.5平均濃度最大值出現(xiàn)在哈爾濱市1月份，達(dá)到81 μg/m3。這些城市規(guī)模較大，且多以重工業(yè)為主，人口密度高，工業(yè)廢氣和汽車尾氣的排放量大，PM2.5污染情況嚴(yán)重。整體來看，黑龍江省PM2.5污染有明顯的季節(jié)性，冬季污染情況最為嚴(yán)重，春秋兩季次之，夏季污染較輕。由于黑龍江省處于高緯度地區(qū)，冬季寒冷且漫長，依靠燃燒煤炭進(jìn)行供暖，每年的11月至次年3月份屬于主要采暖期，煤炭在一定時間段內(nèi)集中燃燒會產(chǎn)生大量PM2.5污染物，且冬季大氣層結(jié)較為穩(wěn)定，PM2.5等細(xì)顆粒物難以擴(kuò)散，因此污染濃度在冬季會升高[11]。而在夏季，黑龍江省處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，有利于PM2.5的擴(kuò)散，且降雨充沛，可以將空氣中PM2.5細(xì)顆粒物攜帶到地面，達(dá)到凈化效果，降低其濃度。

圖2 2018年黑龍江省各城市PM2.5濃度變化

4.2 黑龍江省PM2.5濃度空間格局特征

運(yùn)用ArcGIS10.2軟件計(jì)算，分析黑龍江省PM2.5濃度的空間自相關(guān)性，得到Moran's I指數(shù)變化，如圖3所示。黑龍江省各地級城市PM2.5濃度的全局自相關(guān)在2月份、7月份、11月份為正相關(guān)，1月份、3～6月份、8～10月份以及12月份均呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。從整體角度出發(fā)，黑龍江省PM2.5污染存在弱相關(guān)性。局部空間自相關(guān)結(jié)果表明：4月份、8～12月份PM2.5在牡丹江市污染較高而其相鄰城市PM2.5污染較低；1月份、2月份PM2.5在哈爾濱、鶴崗市污染較高而其臨近城市PM2.5污染較低；3月份、5～7月份大興安嶺地區(qū)PM2.5污染較周圍城市均較低。

圖3 2018年黑龍江省PM2.5污染Moran's I指數(shù)變化

根據(jù)黑龍江省各地級市空間位置和PM2.5濃度，運(yùn)用空間分析技術(shù)，繪制2009～2018年黑龍江省PM2.5濃度重心變化軌跡，如圖4所示。2009～2018年黑龍江省PM2.5濃度重心、緯度整體呈上升態(tài)勢，空間重心位于伊春市。2012～2015年間黑河、大慶、牡丹江等低緯度城市PM2.5濃度增長幅度較大，黑龍江省PM2.5濃度重心、緯度有所下降。2009～2012 年與2015～2018 年兩次重心遷移變化原因不同。前者是由于綏化、大慶等城市PM2.5濃度增幅較大使得重心上升且經(jīng)度下降。而后者是在政策領(lǐng)導(dǎo)下城市空氣質(zhì)量改善狀況明顯，而雙鴨山、佳木斯等城市PM2.5濃度減少幅度較小，重心上升。

圖4 2009～2018 年黑龍江省PM2.5污染重心變化軌跡

4.3 黑龍江省PM2.5影響因素分析

參考既有研究成果[12,13]結(jié)合黑龍江省自身狀況，利用面板回歸模型，剖析2009～2018年影響PM2.5的自然和社會經(jīng)濟(jì)因素。經(jīng)Hausman檢驗(yàn)，選擇面板固定效應(yīng)模型，結(jié)果如表1所示。

表1 黑龍江省PM2.5影響因素的回歸結(jié)果

4.3.1 自然因素

氣溫在1%的顯著水平對PM2.5濃度起反向影響。當(dāng)氣溫升高時，大氣運(yùn)動劇烈，與周圍的潔凈空氣進(jìn)行混合，可以降低PM2.5污染物的濃度。當(dāng)氣溫較低時，大氣中氣流運(yùn)動較弱，不利于污染物的稀釋擴(kuò)散，造成污染物的堆積，加劇污染程度。黑龍江省處于高緯度地區(qū)，氣溫變化大，冬季氣溫較低，大氣層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不利于PM2.5的擴(kuò)散，城市空氣污染情況嚴(yán)重；而夏季氣溫高，大氣活動劇烈，加速污染物的擴(kuò)散，空氣中PM2.5濃度較低，空氣質(zhì)量較好。

風(fēng)速在1%的顯著水平對PM2.5濃度產(chǎn)生正向影響。風(fēng)速較小時，顆粒污染物往往會積聚在近地表區(qū)域，嚴(yán)重時會引起霧霾天氣；風(fēng)速大時，有利于其稀釋擴(kuò)散，而當(dāng)風(fēng)速達(dá)到最大程度時，會將近地面的沙塵卷起，引起沙塵天氣，就可能會增加城市空氣中的PM2.5污染物的濃度。黑龍江省處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候的影響區(qū)域，春季干燥且多大風(fēng)天氣，易發(fā)生沙塵天氣，一定程度上增大了PM2.5濃度。

降水對城市空氣PM2.5污染物具有清洗作用，能在一定程度上減少其濃度。黑龍江省由于氣候條件，降水分為降雨和降雪兩種類型。夏季季風(fēng)氣候帶來的大量降水?dāng)y帶走空氣中的PM2.5污染物，降低其濃度；冬季雖有降雪降低PM2.5濃度，但由于黑龍江省冬季氣溫低，依靠燃煤供暖，排放大量顆粒物，降雪凈化作用不大。

4.3.2 社會因素

由表1結(jié)果可以看出GDP與人口都在不同程度上對城市PM2.5起到正向作用。以“黑土地”聞名的黑龍江省是我國商品糧的重要產(chǎn)地，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，由于像燃燒秸稈等人類活動在一段時間內(nèi)集中進(jìn)行，是增加城市空氣PM2.5污染的重要原因。此外，近年來在政府及相關(guān)部門的帶領(lǐng)與管理下，PM2.5污染防治在多方面取得進(jìn)展。企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)等方法，減少生產(chǎn)過程中污染氣體的排放，極大程度地減少廢氣中的污染物(包含PM2.5)。政府逐步增大在環(huán)境保護(hù)工作上的投入。群眾積極響應(yīng)，環(huán)保意識不斷提高，其中效果最為顯著的是減少使用私家車，多乘坐公共交通工具出行。這可大大減少機(jī)動車尾氣的排放，一定程度上減少了城市空氣PM2.5的濃度[14]。

5 結(jié)論

黑龍江省PM2.5受季節(jié)性影響顯著，冬季污染最為嚴(yán)重，春、秋兩季較次之，夏季污染情況最輕。同時，黑龍江省地級市間PM2.5污染程度不同，且全局自相關(guān)性大部分呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)性，局部相關(guān)性較差，污染重心位于伊春市。風(fēng)速、地區(qū)GDP和人口對PM2.5污染呈顯著正向影響，氣溫與降水量起反向作用。

科學(xué)地認(rèn)知PM2.5時空演變規(guī)律及影響因素，是城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的重難點(diǎn)。既能對污染產(chǎn)業(yè)進(jìn)行合理的空間布局并為調(diào)整能源結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)，還可以減輕霧霾天氣對公眾健康的影響。在開展黑龍江省PM2.5的防控工作時，應(yīng)科學(xué)合理地指導(dǎo)垃圾焚燒工作的進(jìn)行，并且加大政府及有關(guān)部門監(jiān)管和指導(dǎo)的工作力度。在生產(chǎn)生活過程中使用優(yōu)質(zhì)的煤炭和石油，減少PM2.5等污染物的排放，企業(yè)嚴(yán)格按照國家廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)，政府要嚴(yán)懲違反的企業(yè)。此外，還應(yīng)擴(kuò)大黑龍江省城市綠地面積，多種植具有凈化作用的植被。