羅 爻，劉 碩，高俁晗，張美琦，宣立強

(哈爾濱師范大學 地理科學學院，黑龍江 哈爾濱 150025)

1 引言

改革開放以來的40多年里，中國工業(yè)化和城市化進程加速了空氣污染，主要表現(xiàn)為污染物擴散、人體呼吸道受損、誘發(fā)酸雨和能見度下降等現(xiàn)象[1]，而在各項空氣污染指標中，顆粒物污染尤其顯著[2]。 PM2.5又稱細顆粒物，指的是空氣動力學當量直徑<2.5 μm的可入肺顆粒物[3]。PM2.5因表面富集 PAHs、重金屬等有毒有害物質(zhì)，可引起急慢性呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)等疾病發(fā)病率甚至死亡率的升高，引起人們廣泛關(guān)注[4～6]。但是，目前已有研究大多集中在京津冀、長三角和珠三角等區(qū)域的熱門地區(qū)和城市，對東北地區(qū)空氣顆粒物的研究仍然較少。

哈爾濱受歷史原因影響仍有“東北老工業(yè)基地”之稱，重工業(yè)多，能源消耗大，易造成大量污染。此類工業(yè)活動會產(chǎn)生大量的PM2.5、PM10、SO2等污染物的排放。根據(jù)黑龍江生態(tài)環(huán)境廳監(jiān)測的空氣質(zhì)量在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，2015年取暖期平均達標天數(shù)為73%，2016年取暖期平均達標天數(shù)為85%，2017年取暖期空氣質(zhì)量達標天數(shù)為80.5%，2018年達標天數(shù)為90.6%。達標天數(shù)雖有反復但整體呈上升趨勢。2014年以來哈爾濱市取暖期PM2.5濃度雖然呈下降趨勢，但持續(xù)性霧霾天氣仍頻繁出現(xiàn)。采暖期由于居民對供暖需求的增加，氣象條件也與非采暖期有所差異，從而導致 PM2.5在濃度及成分組成上的變化。

由于采暖季燃燒排放增加和污染物不易擴散，秋冬季霧霾天氣頻發(fā)[15]。本文選取哈爾濱市污染嚴重的2017年取暖期(2017年1月至3月15日，2017年10月15日至12月31日)作為研究時段。研究了哈爾濱市取暖期PM2.5空間格局分布、時間分布規(guī)律以及與氣象因子之間的關(guān)系。旨在：①系統(tǒng)的探索哈爾濱市PM2.5濃度的時空變化規(guī)律。②進一步了解大氣污染狀況，為相關(guān)部門大氣污染防控提供科學的管理依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

哈爾濱是中國緯度高的省會城市。屬于典型的溫帶大陸性季風氣候，冬季長達5～6個月，采暖期為10月至次年3月，20 t以上取暖鍋爐分布密集。哈爾濱作為北方典型的工業(yè)城市，重點污染企業(yè)多以重工業(yè)為主。

2.1 數(shù)據(jù)來源

大氣PM2.5的監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于哈爾濱人民政府生態(tài)環(huán)境局(http://www.harbin.gov.cn/col/col4932/index.html)，哈爾濱市建立了完整的空氣監(jiān)測系統(tǒng)，通過Python編寫接口程序，自動獲取哈爾濱市11個監(jiān)測點位PM2.5小時數(shù)據(jù)。氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(https://data.cma.cn/)，哈爾濱地面站1981～2010年整編數(shù)據(jù)，2017年哈爾濱市日20～20時降水量、日平均風速、日平均溫度、日平均相對濕度。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

本研究季節(jié)采取北方通用季節(jié)。本次研究區(qū)范圍為哈爾濱市主城區(qū)，11個監(jiān)測站點。運用ArcGIS軟件的統(tǒng)計功能對11個站點PM2.5取暖期月平均濃度進行空間差值處理，這里采用的是反距離權(quán)重法。用origin對哈爾濱市2017年11個監(jiān)測站點的小時數(shù)據(jù)進行時間序列分析，取11個監(jiān)測站均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 哈爾濱市PM2.5的空間分布

通過對各監(jiān)測站點污染物分析，濃度最高的是省農(nóng)科院，年均值為101 μg/m3，其次是太平宏偉工園(96.15 μg/m3)和呼蘭師專(94.2 μg/m3)。嶺北、道里PM2.5濃度較低，最低為松北商大(58.3 μg/m3)。從整體上看，道外區(qū)、呼蘭區(qū)、南崗區(qū)是PM2.5濃度高值區(qū)。道外區(qū)是哈爾濱的老城區(qū)，幾乎全天擁堵，PM2.5受機動車排放影響增大，大量建筑在進行大面積拆遷重建，并且區(qū)域內(nèi)燃煤鍋爐眾多。而呼蘭區(qū)與南崗區(qū)也都是車流密集來往人流量大的區(qū)域?？梢钥闯鲞@兩個高污染區(qū)域與哈爾濱市大氣污染企業(yè)和燃煤鍋爐集中帶比較吻合，并且區(qū)域人口和車流量都比較密集。

3.2 時間序列分析

根據(jù)生態(tài)與環(huán)境保護部發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》(HJ633-2012)，將PM2.5日均濃度劃分為6個等級并分別給予數(shù)值范圍(表1)。

表1 PM2.5濃度等級

2017年哈爾濱市取暖期從10月15日至次年3月15日。2017年1、10、11月出現(xiàn)了多次重度污染天氣以及嚴重污染天氣，2、3、12月出現(xiàn)了多次輕度污染天氣，而5～9月天氣情況以優(yōu)秀和良好為主?？梢姽枮I市取暖期PM2.5污染比較嚴重。每日7：00～10：00，19：00～23:00為PM2.5濃度高值區(qū)，每日13：00～18：00為一天中PM2.5的濃度低值區(qū)。其主要原因是取暖期時哈爾濱為冬季，氣溫0 ℃以下，早晚為燃煤供暖和出行的高峰期。寒冷天氣路面易結(jié)冰，機動車行駛速率降低，在外滯留時間延長，污染物排放也變高[20]。而非取暖期時為早晚高峰，污染物排放量也會變高。

根據(jù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算得出，2017年10月19日PM2.5質(zhì)量濃度達到最大值，日均值為452.434 μg/m3是國家二級標準的6.03倍(圖1)。出現(xiàn)最高值主要原因是哈爾濱市集中供暖，且正值秋季農(nóng)忙結(jié)束，農(nóng)民大量燃燒秸稈等生物質(zhì)，導致空氣嚴重污染。另外，哈爾濱取暖期為冬季，氣溫低，PM2.5的質(zhì)量濃度與日均溫顯著相關(guān)，因此氣溫的急劇下降和逆溫天氣的消失可能是造成 PM2.5質(zhì)量濃度降低的一個關(guān)鍵原因。

圖1 10月19日PM2.5濃度變化曲線

3.3 哈爾濱市PM2.5質(zhì)量濃度水平與氣象要素的關(guān)系

圖2為1月份采樣區(qū)域PM2.5質(zhì)量濃度日均變化曲線圖，圖3為1月份采樣區(qū)域各氣象要素變化曲線圖。采樣區(qū)域1月份PM2.5的日質(zhì)量濃度范圍為26.4～375.2 μg/m3，采集的31個PM2.5樣品中有20個樣品的日均值質(zhì)量濃度在75 μg/m3以上，超出國家二級標準(GB3095-2012)PM2.5濃度限值2.5倍，最大超標倍數(shù)為5倍，平均超標為2.5倍，日均濃度的超標66%?？梢姽枮I市在取暖期時PM2.5污染尤其嚴重。主要原因是取暖期天氣寒冷，而哈爾濱市冬季取暖以燃燒煤炭為主，污染物排放量大，并且哈爾濱冬季降雪多，導致路面積雪結(jié)冰，機動車滯留時間長，污染量排放變高。

圖2 1月份PM2.5質(zhì)量濃度日變化

根據(jù)圖2可以分析出PM2.5質(zhì)量濃度日變化起伏較大，且呈波浪型，PM2.5的質(zhì)量濃度在1月1日、1月2日、1月8日和1月16～18日保持較高水平，這與PM2.5的排放和氣象因素有密切的關(guān)系。1月份PM2.5逐小時氣象數(shù)據(jù)來源于省農(nóng)科院氣象監(jiān)測站。結(jié)合圖2、3，發(fā)現(xiàn)PM2.5質(zhì)量濃度與溫度呈正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)不高，在PM2.5濃度的峰值或谷值附近表現(xiàn)明顯，說明溫度高時PM2.5質(zhì)量濃度較高，反之則低。而與相對濕度和風速呈負相關(guān)，相對濕度與風速也呈負相關(guān)。在1月22日附近的PM2.5濃度較低時，有從西北吹來的風，且風力較強，風速大，有利于PM2.5質(zhì)量濃度的降低。在1月8日與1月4日PM2.5質(zhì)量濃度較高時，雖然主要風向為從西方吹來的風，但風速小。當風速減小，相對濕度增大時，容易使地面空氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，不利于擴散，因而加重了大氣污染。

4 結(jié)論

(1)哈爾濱市PM2.5質(zhì)量濃度空間分布規(guī)律與大氣污染企業(yè)和燃煤鍋爐集中帶呈正相關(guān)，且人口密集和車流量大的地區(qū)PM2.5質(zhì)量濃度較高。

(2)哈爾濱市2017年1、10、11月出現(xiàn)了多次重度污染天氣以及嚴重污染天氣，而5～9月天氣情況以優(yōu)秀和良好天氣為主，10月19日PM2.5濃度為全年最大值，是因為哈爾濱市開始集中供暖?？梢娙∨赑M2.5質(zhì)量濃度較高，主要原因是取暖期對燃煤需求量大，且氣溫低，路面易結(jié)冰，機動車在外滯留時間長，導致污染物排放量增大。

(3)采樣區(qū)域1月份大氣PM2.5日濃度變化范圍為26.4～375.2 μg/m3，PM2.5質(zhì)量濃度與溫度呈正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)不高，在PM2.5濃度的峰值或谷值附近表現(xiàn)明顯，與相對濕度1月份采樣點各氣象要素呈負相關(guān)。

圖3 1月份采樣點各氣象要素