哈爾濱市PM2.5質(zhì)量濃度變化特征及影響因素分析
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張瑩， 魏曉慧， 王阿川
（東北林業(yè)大學(xué)信息與計算機工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）
摘要：針對哈爾濱市的PM2.5空氣污染問題，收集整理了哈爾濱市2014年全年的空氣污染物數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，分析研究了當(dāng)?shù)豍M2.5質(zhì)量濃度變化特征，找出其影響因素。結(jié)果表明，哈爾濱市PM2.5日均質(zhì)量濃度為72.64 ug/m'，初步達到國家標準PM2.5月均質(zhì)量濃度11月最高，約為148.27ug/d，9月最低，約為21.07ug/m3。秋冬兩季PM2.5平均質(zhì)量濃度較高。PM2.5/PM10比例春季最低，約為0.5，PM2.5已成為哈爾濱市可吸人顆粒物巾的首要污染物。從PM2.5與S02、N02、CO的相關(guān)性來看，哈爾濱市PM2.5與co的相關(guān)性最高，四季均在09左右。各類空氣污染物的平均濃度降水日低于非降水日。PM2.5與氣象因子的相父性較小，與風(fēng)速呈負相關(guān)。
關(guān)鍵詞：PM2.5；相關(guān)性；影響因素；哈爾濱
近幾年哈爾濱市霧霾天氣頻繁發(fā)生，嚴重影響了人們?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r也對人體健康埋伏著很多安全隱患，已成為人們高度重視的熱點問題。隨著研究的深入，細顆粒物( PM2.5)這一名詞也頻頻進人人們的視線，加強對PM2.5的調(diào)控與防治對改善生態(tài)環(huán)境和保護人體健康具有重要的現(xiàn)實意義。
PM2.5的研究具有明顯的地域差異性，目前哈爾濱市關(guān)于PM2.5的研究主要集中在以下幾個方面：PM2.5的來源及其組成成分、PM2.5的物理化學(xué)特性、PM2.5的生物活性研究、PM2.5與空氣污染物的相關(guān)性分析、PM2.5污染防治對策。但是選取的分析時間較短，而且哈爾濱市關(guān)于PM2.5與氣象因子的相關(guān)性分析較少，因此本文利用連續(xù)一年的空氣污染物數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)分析了PM2.5質(zhì)量濃度變化特征，找出其影響因素，為哈爾濱市霧霾的預(yù)防及治理提供科學(xué)依據(jù)。
1數(shù)據(jù)來源
本文中空氣污染物數(shù)據(jù)和歷史天氣數(shù)據(jù)來源于天氣后報網(wǎng)（http：//www.tianqihoubao.com/），其中包括：PM2.5、SO：、NO：、CO、PM10，的日平均數(shù)據(jù)及每日降水情況的數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)( http：//www.e science.gov.cn/metdata/page/index．html)，其中包括：氣壓、風(fēng)速、相對濕度、氣溫的日平均數(shù)據(jù)。研究區(qū)域為哈爾濱市。
哈爾濱市位于松遼平原的松花江中下游，屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，冬長夏短，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。一般在10-11月時溫度降到0℃以下。極端最高氣溫為38.7℃，最低氣溫為-52.3℃。年平均降水量400—600 mm。由于哈爾濱市是從2013年10月開始公布空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)及各類空氣污染物濃度數(shù)據(jù)的，因此分析采用的數(shù)據(jù)時間為2014年全年，去掉其中的空氣污染物數(shù)據(jù)缺值日1月23日、3月24日、8月8日、8月22日和相對濕度缺測日6月5日，6月6日，共計359 d的日平均數(shù)據(jù)。
2 PM2.5及PM10質(zhì)量濃度的變化特征
2.1 PM2.5及PM10質(zhì)量濃度的日均變化分析
根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)繪制出圖1。從圖1可知，供暖期（每年10月中旬至次年4月中旬）期間哈爾濱市PM2.5、PM10日均質(zhì)量濃度明顯高于非供暖期，PM2.5與PM10日均質(zhì)量濃度的全年變化趨勢基本一致，在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.985。哈爾濱市2014年P(guān)M2.5日均質(zhì)量濃度為72.64 ug/m3，已經(jīng)達到世界衛(wèi)生組織針對發(fā)展中國家制定的過渡期第一階段最寬限值，即我國PM2.5標準值：75 ug/m:3，全年中有242 d達標，達標率67.4%，達到重度空氣污染(PM2.5質(zhì)量濃度>150 ug/m3)有39 d，單日最高濃度值達到518 ug/m3(10月29日)。由此，哈爾濱市的空氣污染可見一斑。
2.2 PM2.5及PM10質(zhì)量濃度的月均變化分析
根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)按月計算得出的PM2.5、PM10月均質(zhì)量濃度及PM2.5/PM10，的變化情況，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，2014年11月哈爾濱市PM25月均質(zhì)量濃度最高，約為148.27 ug/m3。9月約為21.07ug/m3，為全年最低。觀察發(fā)現(xiàn)，PM10質(zhì)量濃度隨PM2.5質(zhì)量濃度增大而增大。從PM2.5/PM10來看，12月的比例最高，約為0.85，4月最低，約為0.45，說明PM2.5對哈爾濱市的空氣污染貢獻很大。2.3 PM2:5及PM10質(zhì)量濃度的季節(jié)變化分析
圖3是根據(jù)收集到的數(shù)據(jù)按季節(jié)計算得出的PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度及PM2.- /PM10的變化情況。從圖3可以看出，秋（9 -11月）、冬（12 -2月）兩季PM2.5、PM10平均質(zhì)量濃度明顯高于春（3-5月）、夏(6-8月)兩季。其中，夏季最低（PM2.5約為35.17 ug/m'3，PMm約為61.48 ug/m3），冬季最高（PM10約為111.91ug/m;3，PM10約為154.97 ug/m3），冬季PM2.5平均質(zhì)量濃度約為夏季的3倍。這是由于哈爾濱市從10月中旬開始大面積集中供暖，綠色植物的凋謝，加之氣象因素的影響，氣壓偏高，氣溫較低，大氣層結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，不利于PM2.5的擴散，致使其在空氣中大量積累。從PM2.5/PM10來看，春季(0.5)<夏季(0.57)<冬季(0.72)<秋季(0.73)，可見PM2.已成為哈爾濱市可吸人顆粒物污染中的首要污染物。
3 PM2.5與主要空氣污染物的相關(guān)性分析
表1是利用統(tǒng)計分析軟件SPSS 19.0對不同季節(jié)的PM2.5與主要空氣污染物(S02、N02、CO、PM10)進行皮爾遜相關(guān)性分析所得的相關(guān)系數(shù)，均在0.01水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。從表1可以看出，PM2.5與PM10的相關(guān)系數(shù)最高，四季均達到0.9以上，相關(guān)系數(shù)從大到小依次為CO>N02>S02。這是由于哈爾濱市除了存在汽車尾氣、工業(yè)廢氣、城市揚塵等空氣污染外，在供暖期內(nèi)大量使用“褐煤”取暖，春季周邊農(nóng)村焚燒秸稈來獲取肥料造成的。夏季綠色植物生長茂盛，其對PM2.5的削減作用應(yīng)較大，但是觀察表l發(fā)現(xiàn)，四季中PM2.5與CO相關(guān)系數(shù)夏季最高，出現(xiàn)這種反差的原因可能是哈爾濱市夏季露天燒烤遍布大街小巷，而且燃料以木炭居多，木炭的不完全燃燒產(chǎn)生大量的CO排放到空氣中，致使空氣中CO含量居高不下。因此，PM2.5的防治與人類活動息息相關(guān)，我們應(yīng)降低空氣污染物的產(chǎn)生與排放。
表2給出了不同相對濕度下統(tǒng)計期內(nèi)各類空氣污染物( PM2.5、S02、N02、PM10)的平均濃度，并以降水日和非降水日進行分類。從表2可知，各類空氣污染物的平均濃度在降水日明顯低于在非降水日的，說明降水可以起到對空氣的凈化作用。
S02、N02在高相對濕度的條件下經(jīng)過光化學(xué)反應(yīng)可以轉(zhuǎn)化成S 042-、N032-，這2種水溶性離子在大氣中經(jīng)過碰撞、合并、摩擦、吸附、粘黏等相互作用極易形成PM2.5。若在降水日，空氣中PM2.5、SO。、NO。的濃度就會顯著下降，若在非降水日，空氣中的S02、N02會轉(zhuǎn)變成S042-、N032-，進而轉(zhuǎn)化成PM2.5，此時空氣中的S02、N02濃度會降低，但是PM2.5質(zhì)量濃度則會上升。因此利用SPSS 19.0對不同相對濕度條件下PM2.5與S02、N02、PM10進行Pearson相關(guān)性分析，所得結(jié)果見表3，在0.01（雙側(cè)）水平上顯著相關(guān)。
結(jié)合表2和表3可知，當(dāng)相對濕度<60%時，PM2.5與S02、N02、PM10在非降水日的相關(guān)系數(shù)均高于在降水日的相關(guān)系數(shù)，在這種濕度較低的條件下，降水的概率較�。ǚ墙邓张c降水日的天數(shù)比例約為6:1），S02、N02在降水日與非降水日濃度相差不大，因此與高濕度條件相比，PM2.5與S02、N02的相關(guān)性在于其是否轉(zhuǎn)化為S042-、N032-。在60%≤相對濕度<80%的條件下，PM2.5與S02、N02、PM10的相關(guān)系數(shù)在降水日與非降水日的差異不大。當(dāng)相對濕度≥80%時，PM2.5與S02、N02的相關(guān)系數(shù)在降水日與非降水日的差別很大。對比PM2.5與S02、N02的相關(guān)性，在高濕度非降水條件下，PM2.5與S02的相關(guān)系數(shù)最小，在高濕度降水條件下，PM2.5與S02的相關(guān)系數(shù)最大。S02、N02與PM2.5的相關(guān)性隨相對濕度的增大在非降水日逐漸減小，在降水日逐漸增大。
4氣象因子對PM2.5質(zhì)量濃度的影響分析
表4是在不同季節(jié)下PM2.5質(zhì)量濃度與各氣象因子（氣壓、風(fēng)速、相對濕度、氣溫）的相關(guān)性系數(shù)，所得結(jié)果通過0.05水平（雙側(cè)）檢驗（空白處未通過顯著性檢驗），各季節(jié)樣本數(shù)量與表1相同。從表4中可以看出，PM2.5質(zhì)量濃度與氣象因子的相關(guān)性較小，這是因為氣象因子之間存在相互影響和關(guān)聯(lián)。春夏秋三季中，風(fēng)速是氣象因子中對PM2.5質(zhì)量濃度影響最大的因素，但其相關(guān)系數(shù)也僅在-0.2左右。四季中，氣溫與PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性最小。表5為四季各氣象因子平均值。觀察表5發(fā)現(xiàn)，冬季氣壓最高，氣溫最低，氣象因素是導(dǎo)致PM2.5在空氣中積累的誘因之一，與前文所述一致。
根據(jù)我國PM2.5標準，表6給出了在不同PM2.5質(zhì)量濃度條件下，各氣象因子的平均值。表6中，PM2.5質(zhì)量濃度≤75ug/m3的情況多發(fā)生在3-9月。75ug/m3<PM2.5質(zhì)量濃度≤150 ug/m3的情況多發(fā)生在秋冬兩季，PM2.5質(zhì)量濃度>150 ug/m3多發(fā)生在冬季。
表7為不同PM2.5質(zhì)量濃度條件下，PM2.5與氣象因子的相關(guān)性系數(shù)，均通過0.01（雙側(cè)）水平檢驗。結(jié)合表4與表7可以發(fā)現(xiàn)，PM2.5質(zhì)量濃度與風(fēng)速呈負相關(guān)。
5結(jié)論
通過對哈爾濱市2014年全年的空氣污染物數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)的分析，得到了如下結(jié)論：
(1)哈爾濱市PM2.5與PM10日均質(zhì)量濃度的全年變化趨勢基本一致，相關(guān)性高達0.985。從PM2.5月均質(zhì)量濃度來看，9月最低，11月最高。按季節(jié)計算PM2.5平均質(zhì)量濃度，夏季最低，冬季最高。從PM2.5/PM10來看，春季比例最低為0.5，哈爾濱市PM2.5污染已成為可吸入顆粒物污染中的首要污染物。
(2)對比哈爾濱市PM2.5與S02、N02、CO的相關(guān)系數(shù)，PM2.5與CO的相關(guān)性最高。
(3 )PM2.5與空氣污染物的相關(guān)性相比，PM2.5與氣象因子的相關(guān)性較低，在春夏秋三季中，與風(fēng)速的相關(guān)性最高。四季中與氣溫的相關(guān)性最低。若想有效防治PM2.5所造成的空氣污染，除了在源頭上控制空氣污染物的產(chǎn)生與排放，同時應(yīng)加強城市綠化，通過綠色植物對PM2.5的吸附作用，減少PM2.5所造成的污染，以期在經(jīng)濟快速發(fā)展的過程中平衡工業(yè)發(fā)展與環(huán)境保護兩者之間的矛盾。
