黑龍江省二氧化氮質(zhì)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(huán)境研究所, 遼寧 沈陽 110166; 2. 哈爾濱商業(yè)大學(xué) 金融學(xué)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(guān),并且作為二次顆粒物生成的前體物,影響近地面細(xì)顆粒物的濃度[1-8]。NO2還是酸雨的成因之一。NO2會(huì)造成大氣能見度的降低,地表水的酸化、富營(yíng)養(yǎng)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(zhǎng)期暴露與我國成人慢性腎臟病患病風(fēng)險(xiǎn)增加有關(guān)[9]。環(huán)境問題制約著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展并關(guān)系著人們的健康,關(guān)于NO2的變化情況受到了學(xué)者們的關(guān)注。其中許多是利用OMI痕量氣體傳感器資料開展了相關(guān)的研究。例如基于OMI對(duì)流層NO2柱濃度產(chǎn)品,分別研究了京津冀城市群、長(zhǎng)江三角洲以及山東省2005—2014年NO2時(shí)空變化及影響因素,從地形、氣象、經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)、生活、國家重大環(huán)保措施及規(guī)劃等多個(gè)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(qū)域污染特征,得出人口密度、能源消耗、機(jī)動(dòng)車排放等人為因素與京津冀NO2污染密切相關(guān)[13]。研究2005—2013年中國地區(qū)對(duì)流層NO2柱濃度的空間分布和長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[14]。分析2004—2013年海南島對(duì)流層NO2柱濃度和總NO2柱濃度的時(shí)空變化,并探究其大氣污染物來源[15]。還有根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比分析了2013—2014年北京市全年及重污染日NO2時(shí)空分布特征,NO2污染物和其他污染物的關(guān)系,以及重污染條件下NO2的轉(zhuǎn)化機(jī)制等[16]。

目前很多研究是關(guān)于京津冀以及國內(nèi)其他地區(qū)的,然而關(guān)于東北地區(qū)NO2質(zhì)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(zhǎng)近3 000 km,東部和北部與俄羅斯為鄰。黑龍江省境內(nèi)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(fēng)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(rùn)區(qū)、半濕潤(rùn)區(qū)和半干旱區(qū)。全省氣候季節(jié)特征明顯,春季低溫干旱,夏季受東南季風(fēng)的影響降水充沛、溫?zé)岫嘤?秋季易澇早霜,冬季在干冷西北風(fēng)控制下干燥少雨、寒冷漫長(zhǎng),無霜期短。黑龍江省冬季的供暖期時(shí)間長(zhǎng),每年10月下旬供暖期開始后省內(nèi)各個(gè)地區(qū)就會(huì)出現(xiàn)霧霾天氣[17-18]。越是自然條件惡劣的地方,生態(tài)環(huán)境就更加脆弱。黑龍江省的污染狀況具有地域特點(diǎn)[19]。黑龍江省既是我國重要的商品糧基地,也是重工業(yè)基地。隨著東北老工業(yè)基地的振興,黑龍江省工業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,但2013年以后有所放緩[20]。以資源型行業(yè)為主的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、以煤炭消費(fèi)和火力發(fā)電為主的能耗方式,導(dǎo)致黑龍江省環(huán)境質(zhì)量改善壓力大,影響經(jīng)濟(jì)與資源環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。而目前關(guān)于黑龍江省城市空氣質(zhì)量以及氣象要素影響的研究相對(duì)較少[21]。

文中采用NO2污染監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、其他污染物監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)等多種統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),分析黑龍江省近6 a的NO2濃度的時(shí)空格局變化,并挖掘環(huán)境變化背后的自然及人為影響因素。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

NO2和其他的地面污染物(AQI、PM2.5、PM10、SO2、CO、O3)濃度監(jiān)測(cè)資料來源于黑龍江省環(huán)保局城市監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。資料時(shí)間為2015年1月1日—2020年12月31日。NO2的日評(píng)價(jià)指標(biāo)為24 h平均質(zhì)量濃度,NO2的年評(píng)價(jià)指標(biāo)為全年的平均質(zhì)量濃度。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)嚴(yán)格遵照GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[22]和HJ 663—2013《環(huán)境空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(試行)》[23]執(zhí)行。在研究中全省13個(gè)城市的NO2質(zhì)量濃度6 a實(shí)際有效監(jiān)測(cè)天數(shù)為2 192 d,無缺測(cè)數(shù)據(jù),符合國家評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范。氣象觀測(cè)資料來源于中國氣象局。充分考慮了觀測(cè)資料的完整性和代表性,在每個(gè)地區(qū)采用1個(gè)氣象觀測(cè)站的數(shù)據(jù),所有資料數(shù)據(jù)通過嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查。全省人口分布和GDP資料來自黑龍江省統(tǒng)計(jì)局。秸稈焚燒火點(diǎn)數(shù)據(jù)來自于黑龍江省環(huán)保局。

1.2 研究方法

NO2的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)GB3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中關(guān)于NO2的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),日平均濃度超過80 μg/m3為日評(píng)價(jià)指標(biāo)超標(biāo),年平均濃度超過40 μg/m3為年評(píng)價(jià)指標(biāo)超標(biāo)。對(duì)NO2與其他污染物之間的相關(guān)性利用SPSS軟件中的Spearman相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 NO2質(zhì)量濃度的時(shí)空變化特征

2.1 NO2質(zhì)量濃度的時(shí)間變化

2.1.1 NO2質(zhì)量濃度的年際變化

對(duì)全省各城市NO2的年均值變化和超標(biāo)情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)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(gè)城市年均值中哈爾濱連續(xù)3 a超過40 μg/m3,NO2污染年值超標(biāo),其他城市都未超標(biāo)。日均值的標(biāo)準(zhǔn)是80 μg/m3,2015—2017年全省平均NO2超標(biāo)天數(shù)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(biāo)天數(shù)最多,超標(biāo)天數(shù)分別是37、9、19 d。

圖1 2015—2020年黑龍江省各城市NO2質(zhì)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(xù)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(biāo)。2018年、2019年全省平均NO2超標(biāo)天數(shù)比例較2017年下降,都為0.04%。而2020年出現(xiàn)了增加,超標(biāo)天數(shù)比例為0.23%(見表1)。各城市中還是哈爾濱超標(biāo)天數(shù)最多。在這3 a間只有綏化的年均濃度值出現(xiàn)了連續(xù)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(biāo)日數(shù)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(biāo)集中出現(xiàn)在哈爾濱、綏化。

氣象要素對(duì)于空氣質(zhì)量有著重要影響[24-25],統(tǒng)計(jì)全省13個(gè)城市2015—2020年的NO2質(zhì)量濃度年均值、超標(biāo)天數(shù)比例和氣象要素進(jìn)行對(duì)比(見表1)。2016—2020年平均溫度是上升趨勢(shì),2015—2020年降水量是增加的趨勢(shì)。相對(duì)濕度的變化2019年之前是下降趨勢(shì),2020年出現(xiàn)了增大。NO2濃度和氣溫具有負(fù)相關(guān)關(guān)系[26],氣溫的上升對(duì)NO2濃度有減輕作用。降水對(duì)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(nèi),相對(duì)濕度和NO2濃度有正相關(guān)影響,濕度的增大對(duì)NO2污染產(chǎn)生不利影響[28]。風(fēng)速和NO2濃度有負(fù)相關(guān)關(guān)系,風(fēng)速上升有利于NO2擴(kuò)散[29]。6 a間全省平均氣溫上升、降水量增加、風(fēng)速增大,2015—2019年相對(duì)濕度下降對(duì)NO2濃度的下降都起著促進(jìn)作用。雖然NO2年平均值也表現(xiàn)為下降,但是超標(biāo)天數(shù)的比例并不是一直下降,尤其是2020年超標(biāo)天數(shù)出現(xiàn)了增加。

2.1.2 NO2質(zhì)量濃度的季節(jié)變化

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

圖2 2015—2020年黑龍江省NO2濃度與超標(biāo)天數(shù)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(biāo)天數(shù)的月分布和月均濃度值變化趨勢(shì)大體一致。6 a中1月出現(xiàn)超標(biāo)天數(shù)最多,達(dá)到41 d,其次是2月,17 d;12月,15 d。6—9月均未出現(xiàn)NO2濃度超標(biāo)。冬季NO2污染嚴(yán)重還說明氣象要素對(duì)NO2污染起著重要作用。冬季地面對(duì)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(jié)穩(wěn)定,阻礙空氣的上下對(duì)流,污染物很難擴(kuò)散,而且冬季的風(fēng)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(yùn)動(dòng)活躍造成大氣層結(jié)不穩(wěn)定,污染容易擴(kuò)散。

2.2 NO2質(zhì)量濃度的地理分布特征

分別統(tǒng)計(jì)得出了黑龍江省13個(gè)城市地區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(biāo),其他地區(qū)未超標(biāo)。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(qū)表現(xiàn)為總體下降趨勢(shì),其中綏化下降明顯。哈爾濱雖然數(shù)值有下降,但是連續(xù)3 a 都是超標(biāo)。七臺(tái)河有明顯的上升趨勢(shì),這使得南部的高值中心有向東發(fā)展的趨勢(shì)。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(xiàn)下降。鶴崗2015—2016年持平,2017年增大。其他地區(qū)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(qū)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(biāo)轉(zhuǎn)為不超標(biāo)。2018—2020年各地區(qū)的年均值均未超標(biāo),全省處于較低水平,而且大部分地區(qū)仍然保持下降趨勢(shì)。其中鶴崗下降更明顯,2019年較2018年降幅達(dá)到35%。北部大興安嶺、佳木斯,南部大慶、齊齊哈爾、七臺(tái)河、雙鴨山等都逐年下降。哈爾濱2018—2019年持續(xù)下降,2019年較2015年降幅達(dá)到34%,2020年降幅減小。這是因?yàn)楣枮I作為全省最大城市,污染排放量較大,污染控制到一定的數(shù)值后再繼續(xù)進(jìn)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(qū)的降幅較南部地區(qū)更大,自北向南表現(xiàn)為低值范圍擴(kuò)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(jīng)濟(jì)產(chǎn)值的地區(qū)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(shù)值逐漸下降,到黑河北部和大興安嶺地區(qū)為全省最低值。經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值分布也以哈爾濱為全省的最高值。自南向北數(shù)值逐漸下降,到大興安嶺中部和北部數(shù)值最低。對(duì)比全省NO2濃度的地理分布和人口密度以及各地區(qū)的GDP都較為一致。高值都是處于哈爾濱及周圍的南部地區(qū),由中心向外擴(kuò)散,數(shù)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(qū)為全省的最低值。這也表明了城市人口活動(dòng)和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)對(duì)于NO2濃度具有絕對(duì)的影響,哈爾濱地區(qū)的人口和GDP高值對(duì)應(yīng)的NO2濃度值也高,而大興安嶺、黑河北部等地區(qū)的人口和GDP低值對(duì)應(yīng)的NO2濃度值也較低。所以NO2的污染治理取決于對(duì)人口密集區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的污染控制。

表3 黑龍江省各地區(qū)2018—2020年平均人口密度和生產(chǎn)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(huán)境因子的相關(guān)性

對(duì)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(jìn)行了相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析。

3.1 NO2與PM2.5、PM10

NO2質(zhì)量濃度和可吸入顆粒物(PM2.5、PM10)之間的相關(guān)性,如圖3(a)和(b)所示,都呈正相關(guān),相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.822和0.811,均通過了雙側(cè)0.01水平的顯著性檢驗(yàn),且PM2.5與NO2濃度的相關(guān)系數(shù)略高于PM10。這是因?yàn)榇髿庵械腘O2會(huì)經(jīng)一系列反應(yīng)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(guān)研究也指出,相比之下我國城市大氣PM2.5與CO、NO2、SO2的相關(guān)性明顯強(qiáng)于PM10,并且PM2.5與CO、NO2的相關(guān)性最強(qiáng)[32]。從各污染物與灰霾之間的關(guān)系來看,NO2和CO對(duì)PM2.5的影響很大,而這些污染物主要來源于機(jī)動(dòng)車尾氣的排放[33]。

3.2 NO2與CO、O3

NO2質(zhì)量濃度和CO正相關(guān),和O3負(fù)相關(guān)(見圖3(c)和(d))。NO2與CO的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.854,與O3的相關(guān)系數(shù)為-0.161,均通過了雙側(cè)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。NO2、CO主要來自于一次排放,二者濃度變化關(guān)聯(lián)明顯。其中NO2主要來自工業(yè)固定源和汽車移動(dòng)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(xiàn)負(fù)相關(guān)性,表現(xiàn)為一種此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。O3作為二次污染物,受NO2和CO 等前體污染物質(zhì)的光化學(xué)反應(yīng)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(dá)到較低水平時(shí),O3的生成受到限制達(dá)到最大值。研究指出,人類活動(dòng)排放出的NO2等一次污染物經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)可以有效促進(jìn)二次污染物O3的生成[35]。NO2等前體污染物排放對(duì)于天津市O3污染加劇貢獻(xiàn)較大[36]。

3.3 NO2與SO2、AQI

NO2質(zhì)量濃度和SO2、AQI都表現(xiàn)為正相關(guān)(見圖3(e)和(f)),但低于PM2.5、PM10。NO2與SO2的相關(guān)系數(shù)為0.782,與AQI的相關(guān)系數(shù)為0.743,相關(guān)系數(shù)均通過了雙側(cè)0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。在大氣污染中各種物質(zhì)之間發(fā)生著復(fù)雜的相互影響、相互作用和相互轉(zhuǎn)化,AQI是將常規(guī)監(jiān)測(cè)的幾種空氣污染物的濃度簡(jiǎn)化成為單一的概念性指數(shù)值形式,能夠分級(jí)表示空氣污染程度和確定首要污染物。與AQI的相關(guān)分析能夠在一定程度上反映污染物在綜合空氣污染指標(biāo)里占有的比重。相關(guān)系數(shù)顯示NO2與AQI之間有著較強(qiáng)相關(guān)[37]。NO2和SO2的相關(guān)度高于AQI,二者都來自于燃燒和工業(yè)排放,SO2和NO2相似,具有強(qiáng)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(guān)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(duì)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(duì)濕度的影響而積累或擴(kuò)散[41]。統(tǒng)計(jì)6 a間全省各地區(qū)不同相對(duì)濕度中NO2的污染情況共28 480 d。除RH≤40%外,NO2超標(biāo)比例隨著相對(duì)濕度的增加表現(xiàn)為先上升后下降。而RH≤40%時(shí),NO2的超標(biāo)比例略高是受春季出現(xiàn)的個(gè)別天NO2高值所影響,這也體現(xiàn)在RH≤40%時(shí),NO2的濃度均值也較低。在RH≤80%時(shí),NO2超標(biāo)比例隨相對(duì)濕度的增加而上升,在70%80%時(shí),NO2超標(biāo)比例轉(zhuǎn)為下降,在RH>90%時(shí),降至0.237%(見表4)。NO2濃度值的變化和超標(biāo)比例變化相似,隨著相對(duì)濕度先增大后減小,在70%80%時(shí),NO2濃度逐漸下降,因?yàn)镽H>80%時(shí),NO2易溶于水生成亞硝酸。另外發(fā)生高相對(duì)濕度情況時(shí),一般伴隨降水事件,濕沉降發(fā)生可以去除大氣污染物[43]。NO2受相對(duì)濕度的影響并不固定,有研究指出NO2受相對(duì)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(duì)濕度下NO2超標(biāo)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(tài)污染物,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)厣踔镣ㄟ^長(zhǎng)距離傳輸影響下風(fēng)方向的空氣質(zhì)量和人體健康。東北地區(qū)是中國最主要的糧食及商品糧生產(chǎn)基地, 作物秸稈資源十分豐富。雖然有著禁燒政策和嚴(yán)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(nóng)田秸稈焚燒期主要集中在3月和

4月,下半年農(nóng)田秸稈焚燒期主要集中在10月和11月這2個(gè)月份。2015年、2017年全省上半年4月份火點(diǎn)最多,分別為2 894個(gè)和1 440個(gè),2016年上半年3月份火點(diǎn)最多。2015年、2016年全省下半年11月份火點(diǎn)最多,分別為1 207個(gè)和715個(gè)。2017年全省下半年10月份火點(diǎn)最多,為1 389個(gè)(見圖4(c))。全年NO2濃度值和著火點(diǎn)數(shù)有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在4月中旬和10月中旬出現(xiàn)明顯的增加值。2015—2020年平均NO2濃度旬增值最大出現(xiàn)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(duì)應(yīng)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(dá)到43.5 μg/m3。2019年上半年高值出現(xiàn)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(shì)[46],尤其是2020年春季焚燒更為嚴(yán)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(diǎn)數(shù)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(diǎn)數(shù)逐年明顯下降,總體上焚燒造成的環(huán)境影響正向好的方向發(fā)展。而NO2濃度春季高值表明,雖然全年火點(diǎn)數(shù)下降,但是其中卻又出現(xiàn)春季焚燒增加的現(xiàn)象。

圖4 黑龍江省NO2質(zhì)量濃度逐日變化、旬變化和火點(diǎn)數(shù)月分布Fig. 4 Daily and ten day changes of NO2 concentration in Heilongjiang and monthly distribution of fire points

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)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(xù)3 a間NO2濃度超標(biāo),其他城市都未超標(biāo)。2018—2020年全省的NO2污染持續(xù)改善,低于全國平均值的差距也有增加,所有地區(qū)年均值都未超標(biāo),但是哈爾濱出現(xiàn)日值超標(biāo)增加。各氣象要素的逐年變化中,氣溫上升、降水量增加、風(fēng)速增大、相對(duì)濕度下降對(duì)于NO2濃度的下降都起著有利作用。各月的NO2平均質(zhì)量濃度和超標(biāo)天數(shù)都呈“U”形變化,冬季高、夏季低。1月份濃度最高值達(dá)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(qū)都是逐年下降的趨勢(shì)。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(qū)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(qū)為低值中心,自西向東呈帶狀分布。這表明人口分布和經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)對(duì)NO2濃度具有絕對(duì)影響,對(duì)人口密集區(qū)和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)區(qū)的污染控制是NO2治理的關(guān)鍵。

3)NO2與PM2.5、PM10都表現(xiàn)為正相關(guān),PM2.5對(duì)NO2的影響略高于PM10。NO2與CO相關(guān)度最高,相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.854。和O3負(fù)相關(guān),NO2對(duì)O3是消耗轉(zhuǎn)化關(guān)系。NO2和SO2、AQI都表現(xiàn)為正相關(guān),與SO2的相關(guān)度高于AQI低于CO、PM2.5、PM10。在受相對(duì)濕度的影響中,在RH≤80%時(shí),NO2濃度隨相對(duì)濕度的增加而上升;在70%80%時(shí),NO2濃度逐漸下降。NO2濃度值和秸稈焚燒有著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,4月中旬和10月中旬出現(xiàn)明顯的增值。2018—2020年NO2濃度由秋季高值轉(zhuǎn)為春季高值,春季秸稈焚燒有加重的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)表明,通過治理秸稈焚燒,火點(diǎn)數(shù)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(biāo)情況也在減輕,由有超標(biāo)轉(zhuǎn)為無超標(biāo)。但是各地區(qū)的日值超標(biāo)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(duì)于這個(gè)超標(biāo)日數(shù)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(xiàn)為南部哈爾濱周圍的濃度值高、北部的濃度值低。在不斷進(jìn)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(xù)將NO2的濃度值降到一個(gè)更低的水平還是值得探索的問題。

在與其他污染物的相關(guān)分析中除了NO2與O3是負(fù)相關(guān),與其他都是正相關(guān)。而NO2與O3又是存在著相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系,也就是說文中列出的污染物之間都是相互促進(jìn)的。而CO、SO2、NO2、PM2.5都和燃燒有關(guān),但是各種污染物之間的相關(guān)在不同的季節(jié)到底有著怎樣的變化,對(duì)各種氣象要素的敏感度又如何還需繼續(xù)開展研究工作。NO2濃度的地理分布和各地區(qū)經(jīng)濟(jì),人口的分布相一致,經(jīng)濟(jì)越發(fā)達(dá)的地區(qū)NO2濃度也越高。而如何在保持經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)將污染排放和治理控制在一個(gè)安全乃至優(yōu)良的程度,還是一個(gè)值得不斷討論的話題。文中對(duì)不同的相對(duì)濕度范圍NO2濃度的變化規(guī)律進(jìn)行總結(jié),但對(duì)于風(fēng)向、地形等其他因素對(duì)于污染的詳細(xì)影響情況還有待繼續(xù)開展研究。在多年NO2月均濃度和月超標(biāo)天數(shù)里,1—6月的濃度值都是下降,而超標(biāo)日數(shù)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。