哈尔滨供暖期间PM2.5污染状况及其与气象因子的相关性分析

汪永英　张雪梅　韩冬荟　孟琳　郭敏　段文标

摘要 [目的]研究哈尔滨供暖期间PM2.5污染状况及其与气象因子的相关性。[方法]针对北方城市哈尔滨冬季供暖期和非供暖期PM2.5和PM10的浓度变化特征以及供暖期间PM2.5浓度与气象因子的相关性进行分析。[结果]2014年全年空气质量在二级以上达标的天数为244 d，未达标天数占33%；供暖期PM2.5和PM10的质量浓度显著高于非供暖期，平均值分别是非供暖期的3.34和2.49倍，且11月份浓度值达到最高；供暖期间的首要污染物质为PM2.5，非供暖期间首要污染物质为PM10；供暖期间PM2.5在PM10中的比重也高于非供暖期；PM2.5质量浓度与日均气温呈显著的正相关关系，与日最大能见度呈显著的负相关关系，与日均气压、日均风速和总辐射存在不显著的负相关关系，与日均湿度、总云量存在不显著的正相关关系。[结论]该研究为空气质量预报、大气污染防治和农业生产技术更新提供理论依据。

关键词 供暖期；PM2.5；气象因子；污染状况；相关性

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）19-185-05

伴随着工业化的不断进步，以PM10和PM2.5为首的颗粒物污染日渐严重，它们不但是造成城市空气污染的主要原因之一，且已成为我国许多大中城市空气污染中的首要污染物，也是我国大气污染研究的重要内容之一。特别是近几年，身处在东北边陲的的哈尔滨也难逃雾霾天气的影响和危害。PM2.5（细颗粒物）是指大气中直径≤2.5 μm的固体颗粒或液滴的总称，属于可入肺的颗粒物。虽然细颗粒物只是地球大气成分中含量很少的组分，但它对空气质量和能见度等有重要的影响[1]。PM2.5的大小约是头发丝的1/20，富含大量的有毒、有害物质，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大，它会直接干扰肺部气体交换，引发哮喘、支气管炎和心血管病等多种疾病。PM2.5也是病毒和细菌的载体，促进呼吸道传染病的传播。哈尔滨是典型的北方城市，以SO2和颗粒物为主要污染物的煤烟型污染比较严重。该研究通过分析市区2014年全年PM2.5和PM10的浓度变化以及供暖期间PM2.5与各气象条件的相关性，反映出哈尔滨市PM2.5的污染状况和影响供暖期PM2.5质量浓度的主要气象因素，为整体衡量哈尔滨市PM2.5的污染状况提供理论支持，为空气质量预报、防治大气污染和农业生产技术的更新提供理论依据[2]。

1 资料与方法

所有数据均根据哈尔滨市环保网（http：//www.hrbhbj.gov.cn）提供的监测点信息和2014年各月的环境质量月报结果分析获得。气象数据资料则来自于哈尔滨市气象局和黑龙江省垦区气象服务系统网站中的相关逐日资料。2014年1～12月的PM2.5和PM10数据均根据每日的观测数据经过处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月为过渡期。相关数据处理和分析均采用SPSS16.0系统。

2012年环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行） （HJ633-2012） 中规定，将用空气质量指数（AQI）替代原有的空气污染指数（API）。AQI共分优、良、轻度污染、中度污染、重度污染和严重污染6级（表1）。当PM2.5日均值浓度达150 μg/m3时，AQI即达200；当PM2.5日均浓度达250 μg/m3时，AQI即达300；PM2.5日均浓度达500 μg/m3时，对应的AQI指数达500。空气质量按照空气质量指数大小分为6级，相对应空气质量的6个类别，指数越大、级别越高说明污染的情况越严重，对人体的健康危害也就越大[3]。

2 结果与分析

2.1 PM2.5和PM10供暖期与非供暖期的不同空气质量等级天数的比较 近年来国内外对我国大气PM2.5所进行的一系列的试验和监测结果表明，城市PM2.5污染有加剧的趋势[2，4-5]。通过查询和对哈尔滨市每日空气质量指数类别数据的处理并总结各类别对应的天数（表2），2014年全年空气质量为优和良的天数分别为62和182 d，说明全年的空气质量67%为二级以上的标准，达标天数为244 d。形成轻度污染甚至达到严重污染的天气为121 d，未达标的空气质量标准占全年的33%左右。2014年全年的空气质量为优的天数主要集中在5～9月，这期间属于非供暖期，气温逐渐升高，相对湿度比较适宜，且每年的雨季也在这段期间，每个月均会出现10 d左右的降水天气，所以整个天气条件非常有利于污染物的稀释和扩散，因此在这段非供暖期间几乎没有出现污染天气。重度污染甚至严重污染天气现象主要出现在供暖期间的1～3、11～12月，在这段时间内，每个月中几乎有半个月的时间是晴天或多云的天气，气温比较低，气压比较高，大气的运动相对比较稳定，均不利于空气污染物的扩散，所以在这期间出现了比较严重的污染天气。过渡期是指由非供暖期转换为供暖期间的10月和供暖期转换为非供暖期的4月，因为每年的10月20日和4月20日是哈尔滨全城供暖开栓和停止供暖的日期，有的供热单位还会根据天气情况的冷暖提前供热或停热，但最迟不会超过20日，所以在10月份上旬空气质量均是达标的，而从10月中旬开始一部分提前供热单位取暖锅炉的燃烧带来的空气污染物在低温、高压、空气静稳的大气环流下不利于扩散稀释；再加上农民秋收之后焚烧秸秆等农业生产活动，导致形成了过渡期间的10月份有6 d出现了重度污染以上的烟霾天气。伴随着供暖期的开始，哈尔滨空气质量越来越差，接下来的几个月也均会有空气质量不达标的现象，一直持续到供暖期结束。在每年的4月份中旬，伴随着气温的逐渐回暖，气压值也不断降低，再加上北方春季大风的加入，所以在每年的4月份供暖期即将结束之际，哈尔滨市的空气质量也出现了好转现象，达标天数也呈现出不断增加的趋势。

2.2 供暖期前后PM2.5与PM10的平均浓度分布状况分析 根据2014年全年的监测结果计算出每月PM2.5和PM10月平均浓度的平均值，由PM2.5和PM10月平均浓度的比较和各个时期PM2.5和PM10的浓度对比（表3～4）可见，PM2.5和PM10在供暖期的月平均浓度 （109.0和152.8 μm/m3）整体大于非供暖期的月平均浓度 （32.6和61.2 μm/m3），其原因主要是冬季的太阳辐射弱、气温低、气压高、降水量小，大气稳定度较好，不易形成对流，大气颗粒物的扩散相对比较困难，再加上冬季气温均在0 ℃以下，偏低的气温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的月平均浓度水平达最高，分别为135和183 μm/m3，分别超过国家二级标准（GB3095-2012）2.86倍和1.61倍；而到了春季气温开始回升的季节，锅炉燃煤的使用量也相对减少，PM2.5和PM10的浓度值也有所降低，尤其表现在3月份，PM2.5的浓度值降为60 μm/m3。在非供暖期间，PM2.5和PM10的月平均浓度整体变小，这主要是因为太阳辐射逐渐增强、温度升高、气压降低、降水量逐渐增多，大气处于不稳定状态，容易发生对流，大气颗粒物比较容易发生扩散。根据每一种污染物质的空气质量分指数（IAQI）可判断（表3），供暖期间，空气质量

预报中的首要污染物质为PM2.5，而非供暖期

间的首要污染物质则以PM10为主。出现这种现象的原因主要是供暖期间煤的燃烧直接排放大气颗粒物增加了细颗粒物PM2.5的浓度，再加上冬季机动车取暖设置的排放和尾气的排放也为PM2.5作出了贡献。在非采暖季节，未铺沥青、水泥的路面上行驶的机动车、材料的破碎碾磨处理过程以及被风扬起的尘土和施工工地的灰尘、粉尘则成为PM10的主要贡献者[6]。

由表4可知，PM2.5和PM10在各个时期的平均浓度关系为供暖期>过渡期>非供暖期；供暖期间PM2.5占PM10的平均比重为71%，过渡期间PM2.5占PM10的平均比重为62%，非供暖期间PM2.5占PM10的平均比重为53%。可见，PM2.5在各个时期占PM10的比重均比较大，尤其是供暖期，这是因为这段时间气温低、气压高、降水量少，天气状况不利于大气颗粒物的扩散，且哈尔滨又是典型的北方城市，冬季在供暖期全面启动锅炉供暖后，虽然城市规划建设采取了集中供热，取消小锅炉供热的措施，但大量使用价格低廉的不达标的褐煤燃烧释放大量的细小颗粒物悬浮在大气中，再加上不利于空气污染物稀释扩散的天气条件，导致城市中的空气质量级别经常出现轻度污染以上的天数不断增多。

2.3 供暖期间PM2.5质量浓度与气象条件的关系 大气中PM2.5质量浓度主要与人类活动和天气条件密切相关。相对于非供暖期，供暖期和过渡期由于人为的采暖而向大气中排放大量的颗粒污染物质，因此在污染物一定的条件下，污染物浓度的大小和污染物扩散的快慢主要取决于气象条件，其过程也十分复杂，往往在一定条件下其中一个因子起主导作用，其他因子则起协调作用。在此根据哈尔滨市气象局提供的气象资料，选取2014年供暖期间空气污染较重的11月份数据资料，利用该月份的日平均气温、相对湿度、风速、本站气压、总辐射、总云量和最大水平能见度等气象要素来分析PM2.5质量浓度与各气象因子的相关性。

2.3.1 与日均气温的相关性。由11月份每日平均干球温度值可求出每日平均气温，从图1可以看出，进入供暖期后的11月份的日均气温为-10.4～7.5 ℃，变化幅度较大，而当月PM2.5质量浓度的最大值（326 μg/m3）则出现在3.6 ℃，当时正好是供暖期的前期，许多供暖企业开始陆续供暖，再加上气温还不是很低，没有达到0 ℃以下，暖空气控制整个城区，小于2级的微风（当时的日均风速为1.85 m/s）又占主导地位，导致空气污染物在空气中很难扩散，从而出现了严重污染的天气。而伴随着气温值的不断降低，达到冰点0 ℃以下时PM2.5的质量浓度值也呈现出降低的趋势，当PM2.5质量浓度达到11月份最低值时（21 μg/m3），气温也达到了当月的最低温度值（-10.4 ℃）。利用SPSS16.0计算相关性得到（图1），PM2.5的质量浓度与日均气温呈显著的正相关关系（P=0.004，r=0.515）。

2.3.2 与日最大能见度的相关性。当发生烟霾天气时，往往影响水平能见度[7]的远近，从11月份数据中选取每日最大能见度来分析与PM2.5的相关关系。从每日最大能见度的数据可以看出，其范围在8～30 km，当日最大能见度<10 km的情况下，PM2.5的质量浓度普遍偏高，且出现重度污染以上几率明显增加；而在日最大能见度接近30 km时，PM2.5的质量浓度几乎达到了最小值。由图2可见，PM2.5的质量浓度与日最大能见度呈显著的负相关关系（P=0.001，r=-0.567）。分析其原因主要是由于大气中的污染气体尤其是颗粒物对可见光的吸收和散射所产生的消光作用所致[8-9]，细小颗粒物的增加会导致大气透明度降低，使大气水平能见度下降，而空气中的细小颗粒物大部分来自于煤的燃烧进入大气中的空气污染物的排放和转化，因此水平能见度的远近变化与空气污染程度的变化密切相关。

2.3.3 与日均相对湿度的相关性。从11月气象资料的平均值可以看出，日均相对湿度的变化在28%～82%，变化幅度较大，而PM2.5质量浓度的最大值出现时，湿度为58.5%；PM2.5质量浓度最小值时，湿度为42.6%。通过对PM2.5质量浓度与相对湿度的相关性系数分析，发现两者之间无显著的相关性。但从11月相对湿度变化与空气质量的关系（表5）可以看出，合适的相对湿度值（<50%）对于空气污染物的扩散是有利的，出现中度污染以上的天数值明显低于出现重度污染天气时对应的相对湿度值（51%～70%），也就是说相对湿度在51%～70%有利于大气中的颗粒物附着在水汽上，使得颗粒物质量浓度增加；在一定湿度范围（以不发生重力沉降为界限）内，相对湿度越大越有利于颗粒物的形成，相对湿度是影响可吸入颗粒物污染的一个较为重要的因素，尤其是高湿度空气容易造成颗粒物的较重污染[9-10]。其原因主要是相对湿度偏大的天气，水汽比较充足，大气逆辐射增强，多存在逆温，逆温的出现使空气中的PM2.5不易扩散，且空气湿度大，容易形成雾罩，也使颗粒物不易扩散。由此可见，PM2.5的质量浓度在相对湿度达50%以上时出现中度以上污染天气的次数会增加。

2.3.4 与本站气压的相关性。 气压的高低与大气环流形势密切相关，当地面受低压控制时，四周高压气团流向中心，中心形成上升气流，通常风力较大，有利于污染物向上扩散，颗粒物浓度较小；但在低气压场天气形势下经常多有低云阻挡垂直扩散，加强大气逆辐射，减小地面的有效辐射，从而减小气温随高度的变化，间接造成了PM2.5的不易扩散，颗粒物浓度增大；当地面受高压控制时，一般天气晴朗，风速较小，中心部位出现下沉气流，阻止污染物向上扩散，在稳定高压的控制下，大气污染加重，颗粒物浓度较大[9，11-12]。根据哈尔滨市供暖期间11月份日均本站气压数值得知，日均气压为990～1 020 hPa，相应的PM2.5质量浓度在较小的范围内变化。由图3可以看出，PM2.5的质量浓度与日均气压存在负相关关系，但并不显著（P=0.136，r=-0.279）。

2.3.5 与平均风速的相关性。一般来说，风速越大，越有利于大气颗粒物扩散，相应浓度值越低；反之，浓度值越高[13]。从2014年11月份日均风速的大小（图4）可以看出，随着风速的增加，PM2.5的质量浓度值呈现出降低的趋势。当PM2.5质量浓度值出现最高值和最低值时，风速分别为1.85和4.1 m/s；由此可见，颗粒物浓度与风速变化趋势相反，PM2.5质量浓度与风速存在较好的负相关关系（P=0.407，r=-0.157），但并不十分显著。

2.3.6 与总云量和总辐射的相关性。

从总辐射量的数据（图5）得知，其最大值为513 J/m2，对应的PM2.5质量浓度为114 μg/m3，当天的空气质量为轻度污染；而当总辐射量最小值58 J/m2时，对应的PM2.5的浓度值为133 μg/m3，此时的天气状况为重度污染；通过数据分析可知，空气质量在优和良级别时，总辐射量均大于400 J/m2。总辐射的大小可以影响污染物的散布速度，当太阳辐射愈强，地面获得的能量就多，传递给近地层的空气也就多，由于空气温度层结是递减的，大气处于不稳定状态，有利于污染物的扩散，颗粒物扩散稀释速率快，使PM2.5的质量浓度减小；当总辐射量减少时，近地层气温下降，容易形成逆温，大气处于稳定状态，不利于颗粒物的稀释扩散，使PM2.5的质量浓度增大。单纯考虑总辐射因素的确与PM2.5浓度值有负相关关系（图5a），但综合其他气象要素的影响，这种负相关影响并不显著（P=0.433，r=-0.149）。分析PM2.5质量浓度与总云量的相关性（图5b）可见，随着总云量不断增加，天气的状况也愈来愈差，容易形成阴雨天气的几率增加，太阳辐射被地面反射向上的部分由于云量的增多，很难反射到宇宙空间，再加上云量增多，

投射到地面上的总辐射明显减少，大气逆辐射增强，不利

于污染物的扩散；所以说总云量的多少与PM2.5的浓度值有一定的正相关关系，但并不显著（P=0.324，r=0.186）。

3 结论

（1）2014年全年空气质量62 d为优，主要集中在5～9月份；182 d为良，轻度污染甚至达到严重污染的天气为121 d，出现重度污染甚至严重污染现象主要出现在供暖期间的1、2、3、11和12月。

（2）PM2.5在供暖期的月平均浓度为109 μm/m3，大于非供暖期的月平均浓度（32.6 μm/m3）。供暖期间PM2.5占PM10的平均比重为71%，过渡期间PM2.5占PM10的平均比重为62%，非供暖期间PM2.5占PM10的平均比重为53%。PM2.5在各个时期占PM10的比重均比较大，尤其是供暖期。可见，哈尔滨PM2.5污染较严重， PM2.5占PM10的比重较大，尤其在供暖期，PM2.5的污染程度更为严重。

（3）气象因子是影响PM2.5质量浓度水平的重要因素之一。由于受多种气象因子的综合影响以及各气象因子之间的相互作用，PM2.5质量浓度与气象条件的关系比较复杂。其中PM2.5质量浓度与日均气温呈显著正相关，与日最大能见度呈显著负相关；日均本站气压、日均风速和总辐射与PM2.5有一定的负相关关系，但并不显著；日均相对湿度和总云量与PM2.5有一定的正相关关系，也不显著。气象因素之间是密切相关的，对于不同季节不同地区在不同时间每种气象要素对污染物的扩散能力也是不同的。因此建议居民在天气条件不利于空气污染物扩散的状况下，尽量减少外出，并适当做好自身防护工作，减少污染物对身心健康的影响。

（4）哈尔滨地区PM2.5的污染与季节有关，因气象条件而异。因此，在冬、春季供暖期间，在现有的不利气象条件下如何将大气污染降低到最低程度， 是有关政府相关部门急需解决的重要课题。

参考文献

[1] 任佳.PM2.5命名为“细颗粒物”[N].法制晚报，2013-02-28（A10）.

[2] 李凯，张承中，周变红，等.西安市采暖期PM2.5污染状况及其与气象因子的相关分析[J].安徽农业科学，2009，37（20）：9603-9605.

[3] 全国信息与文献工作标准化技术委员会出版物格式分委员会.HJ633-2012，环境空气质量指数（AQI）技术规定[S].北京：中国环境科学出版社，2012.

[4] 王玮，汤大钢，刘红杰，等.中国PM2.5污染状况和污染特征的研究[J].环境科学研究，2000，13（1）：1-5.

[5] 毛节泰，张军华，王美华，等.中国大气气溶胶研究综述[J].气象学报，2002，60（5）：625-634.

[6] 席云.大气中PM10浓度与气象因素的关系[J].保山师专学报，2004，23（5）：25-28.

[7] 范引琪，李二杰，范增禄，等.河北省大气能见度变化趋势的研究与分析[C]//新世纪气象科技创新与大气科学发展——中国气象学会2003年年会“大气气溶胶及其对气候环境的影响”分会论文集.北京：中国气象学会，2003：22-27.

[8] 宋宇，唐孝炎，方晨，等.北京市能见度下降与颗粒物污染的关系[J].环境科学学报，2003，23（4）：468-471.

[9] 邓利群，钱骏，廖瑞雪，等.2009年8～9月成都市颗粒物污染及其与气象条件的关系[J].中国环境科学，2012，32（8）：1433-1438.

[10] 董雪玲，刘大锰，袁杨森，等.北京市2005年夏季大气颗粒物污染特征及影响因素[J].环境工程学报，2007，1（9）：100-104.

[11] 慕彩芸，屠月青，冯瑶，等.气象因子对哈密市大气可吸入颗粒物浓度的影响分析[J].气象与环境科学，2011，34（Z1）：75-79.

[12] 蒋维楣，孙鉴泞，曹文俊，等.空气污染气象学教程[M].2版.北京：气象出版社，2004：11-12.

[13] 刘宇，王式功，尚可政，等.兰州市低空风时空变化特征及其与空气污染的关系[J].高原气象，2002，21（3）：322-326.