齐齐哈尔市PM2.5与PM10污染趋势及相关性分析

郑永杰，王梅梅，孙 萌，高 雅，田景芝，于文柱

1.齐齐哈尔大学化学与化学工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006 2.青岛市环境监测中心站，山东 青岛 266003 3.齐齐哈尔环境监测中心，黑龙江 齐齐哈尔 161006

随着社会的发展，大气颗粒物污染对大气环境、人体健康、能见度以及气候效应等的影响日益显著[1-8]。PM2.5与PM10为大气污染物的重要贡献者，也是评价大气环境质量的主要指标[9]。PM2.5与PM10浓度变化与人类活动以及气候条件密不可分，当条件发生改变时，PM2.5与PM10浓度会有相应的地区和时段差异。

近年来，我国多个地区从不同角度对PM2.5与PM10质量浓度进行了很多研究，如张玮等[10]对南京市的PM2.5与PM10质量浓度的浓度空间、时间分布特征及相关气象因素研究表明，时间分布上有明显季节差异，与气象因子也呈相关关系，能够准确反映南京市颗粒物的污染特征，具有一定的理论和实用价值。陈勇等[11]对长沙市2014—2016年长沙大气颗粒物达标情况、首要污染物及变化特征研究表明，长沙市时间变化是影响颗粒物的污染特征的主要因素。李名升等[12]对中国大陆城市PM2.5污染的时空分布规律分析结果表明，PM2.5浓度变化存在时间和区域的差异，研究结果有利于从宏观上认识中国城市PM2.5污染的时空格局，从而针对性地开展环境污染防控。因此，加强城市大气颗粒物浓度变化研究及大气颗粒物分布特征具有重要意义。

本文以齐齐哈尔市2014—2016年的自动监测数据为基础，从不同时间尺度角度对PM2.5与PM10进行分析，研究了PM2.5与PM10浓度的时间变化特征，并分析了两者之间的相关性，以反映该区域PM2.5与PM10的污染状况及整体污染趋势，为全面衡量齐齐哈尔市PM2.5与PM10的污染情况提供理论支持。

1 数据采集与分析

选取2014年1月1日至2016年12月31日齐齐哈尔市5个环境空气自动监测国控点质控后的小时平均值，详细分析了资料较完整的齐齐哈尔市的观测数据，所有观测数据均经过严格质量控制，文中讨论的日、月和季节变化均由观测的小时平均值计算所得。其中,齐齐哈尔市、长春市、哈尔滨市以及沈阳市的PM2.5与PM10监测数据均来源于中国环境监测总站“全国城市空气质量实时发布平台”。

季节划分为春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)和冬季(12月至次年2月)。齐齐哈尔市市区共有5个监测点，分别为中心广场、富区环保局、安居小区、农牧车辆厂以及市环境监测站。5个监测点均匀分布在齐齐哈尔市市区，能够真实统计齐齐哈尔市空气质量情况。

2 结果与讨论

2.1 年际变化特征

表1中汇总了2014—2016年齐齐哈尔市PM2.5与PM10的研究数据,分别列出了齐齐哈尔市2014—2016年PM2.5与PM10浓度的平均值、年均值、日均最大值、超标天数及超标天数比例。2014—2016年每日监测结果显示，PM2.5日均最大值出现在2015年11月3日，最大值为266.1 μg/m3，PM10日均最大值出现在2016年5月14日，最大值为372.5 μg/m3，分别是《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)新标准规定的日均浓度二级标准值(75、150 μg/m3)的3.6、2.5倍。通过数据分析，2014—2016年齐齐哈尔市PM2.5与PM10的年均质量浓度分别为36.7、62.9 μg/m3，其中PM2.5平均浓度接近我国《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)新标准规定[13]的年均值二级标准值(35 μg/m3)，而PM10没有超过新标准规定的年均值二级标准值(70 μg/m3)，分别是一级标准值(15、40 μg/m3)的2.4、1.6倍，是WHO导则值(10、20 μg/m3)的3.7、3.1倍。PM2.5年均质量浓度是2012年美国环保署(USEPA)年均标准(12 μg/m3)的3.1倍。2014年1月至2016年12月，PM2.5与PM10超标数占总样本数的比值分别为11.49%、4.60%。据报道，全国338个地级及以上城市中，PM2.5的年均质量浓度为47 μg/m3，超标率为34.3%；PM10的年均质量浓度为82 μg/m3，超标率为17.1%。可见，与其他地区相比，齐齐哈尔市PM2.5与PM10的污染相对较轻，但两者相较而言，PM2.5对空气污染的贡献较大。

表1 2014—2016齐齐哈尔市PM2.5与PM10质量浓度超标统计表

相关资料分析表明，齐齐哈尔市机动车尾气的排放、采暖期燃煤取暖等原因对空气质量产生较大影响。为此，齐齐哈尔市政府一直在采取各种措施加强空气污染治理，其质量浓度年际变化如表1所示, 2014—2016年的年均浓度趋势大体平稳且略微下降。说明加强大气污染防护措施，能够有效降低齐齐哈尔市的大气颗粒污染物质量浓度。

2.2 季节变化特征

采集齐齐哈尔市2014年3月至2016年2月的PM2.5与PM10数据，并对数据进行分类总结，得出其季节变化特征，结果如图1所示。从图1可以看出PM2.5与PM10质量浓度冬季高、夏季低的季节变化特征。冬季的PM2.5与PM10均为四季浓度最高，秋季次之，春季与夏季相对较低。PM2.5与PM10四季变化整体趋势完全相同，PM2.5与PM10质量浓度冬、夏季比值分别为3.44、2.02，说明冬季PM2.5与PM10污染程度显著加重，这与冬季污染源增加及气象条件等都有很大关系；PM2.5与PM10质量浓度春、夏季比值分别为1.64、1.44，由于夏季降水量明显多于春季，故春季质量浓度略大于夏季。

图1 PM2.5与PM10质量浓度季节变化图Fig.1 Seasonal variation of PM2.5 and PM10

2014年3月至次年2月、2015年3月至次年2月共2个四季，由图1可知，各季节PM2.5与PM10质量浓度的整体趋势相同，2个四季的春季PM2.5与PM10质量浓度均相差不大，2015年秋、冬季的质量浓度比前一年稍大点，而夏季的PM2.5和PM10空气质量浓度比前一年低超过5 μg/m3和10 μg/m3。这些相同季节的微小变化表明，齐齐哈尔市的污染状况和气象条件存在一定的关系。

图2为2014年3月至次年2月、2015年3月至次年2月共2个四季的PM2.5与PM10质量浓度季节变化散点图，PM2.5与PM10春、夏季数据点相对集中且普遍在低浓度区域，表明春、夏季污染源相对固定，分析原因认为，春季末和夏季时，齐齐哈尔市降水丰富，风速大，大气不稳定，则污染物稀释扩散速度快，易于污染物的沉降和扩散，使污染物质量浓度整体偏低；秋季数据点比较分散且中、高浓度均有分布，初始供暖、生物质燃烧等都是整个秋季平均值升高的原因；冬季浓度值较高的主要原因为采暖期燃煤量的显著增加，导致颗粒物及其前体物排放量增加，而且冬季稳定的大气层结使污染物积累，从而形成污染事件。

2.3 月变化特征

图3对2014—2016年齐齐哈尔市12个月PM2.5与PM10质量浓度变化进行了分析比较，在忽略不同采样器及采样频率差异的前提下，获得了大致规律。从图3可知，2014—2016年，齐齐哈尔市11月PM2.5与PM10的质量浓度最高，分别为71.9、94.2 μg/m3，其次是12月，分别为64.1、80.6 μg/m3；PM2.5与PM10最低值出现在6月，月均质量浓度仅为16.3、39.9 μg/m3。除了出现临时污染源导致污染程度加重外，2014—2016年齐齐哈尔市PM2.5与PM10质量浓度月变化趋势基本相同，整体呈2—6月逐渐下降、9—11月逐渐上升的趋势。分析各月的污染源贡献特征得知，3—4月沙尘源所占比例有所上升，5—8月降水是导致PM2.5质量浓度较低的主要原因，而11—12月的排放源增大，燃煤排放的大气污染物占主导地位，气温低、气压高、风速低、湿度大、有雾、逆温产生等不利于大气污染物扩散和稀释的情况下，使得污染物易于积聚，导致大气颗粒物浓度较高。

图2 PM2.5与PM10质量浓度季节变化散点图Fig.2 Seasonal variation of PM2.5 and PM10 in the scatter plot

图3 PM2.5与PM10质量浓度月变化图Fig.3 Monthly variation of PM2.5 and PM10

2.4 日变化特征

统计齐齐哈尔市2014—2016年四季PM2.5与PM10日变化特征，结果见图4。

有些污染源的排放规律和气象条件随着昼夜的变化而改变，PM2.5与PM10的季节质量浓度日变化从高到低顺序均为冬季>秋季>春季>夏季，呈逐步降低趋势，且大部分季节日变化呈双峰型。PM2.5的四季日变化呈双峰型，2个峰值分别出现在上午10:00左右和上半夜21:00—24:00，夜间峰值较上午峰值明显得多;谷值均出现在上午05：00左右和下午15:00—17:00。夏季虽然整体与其他季节趋势相同，但24 h时刻浓度上下浮动小。PM2.5质量浓度与人类活动有着密切关系，随着人类活动增加、车流量增加等因素，到10:00左右达到峰值；中午、下午光照较强，大气流动性强，易于污染物扩散；傍晚后人流增加，气温降低产生逆温，使污染物难以扩散，上半夜达到峰值；午夜到凌晨，人类活动减少，使污染物沉降，达到低谷值，这与很多城市[14-18]得到的结论是一致的。PM10四季质量浓度的日变化均呈双峰现象，且峰值出现在上午10:00—12:00(四季质量浓度分别为67.5、48.5、76.1、86.2 μg/m3)，另一个峰出现在上半夜21:00—24:00 (质量浓度分别为67.5、50.5、88.5、87.0 μg/m3)，谷值分别在凌晨05:00(质量浓度分别为51.5、38.5、57.2、60.1 μg/m3)和下午14:00—15:00(质量浓度分别为55.5、40.3、57.1、54.0 μg/m3)。00:00—05:00时段PM10明显下降，这主要是由于温度低，大气颗粒物沉降后被吸附在植被、土壤等上面，空气得到净化使大气颗粒物浓度降低。

图4 PM2.5和PM10季节质量浓度日变化图Fig.4 Diurnal variation of seasonal mass concentrations of PM2.5 and PM10

2014—2016年齐齐哈尔市大气PM2.5与PM10质量浓度日变化结果表明(图5)，PM2.5与PM10具有明显的日变化特征，出现2个峰值，高峰值出现在上半夜21:00—24:00，次高峰值出现在上午09: 00—12: 00，最低值出现在下午15:00—17:00，次低谷值则出现在凌晨05:00—07:00。2014—2016年对比结果表明，PM2.5与PM10日质量浓度变化波动一致，2014与2015年整体差别不大，2016年日变化时刻浓度整体下降，但双峰的峰值和谷值时间不变。2014—2016年齐齐哈尔市PM2.5和PM10的时刻变化特征与人类活动和边界层的演化有密切关系。

图5 PM2.5和PM10年际质量浓度日变化图Fig.5 Diurnal variation of annual mass concentrations of PM2.5 and PM10

2.5 PM2.5与PM10的相关性

对2014—2016年齐齐哈尔市的PM2.5与PM10质量浓度日均值进行线性拟合，由图6(a)可看出，两者呈显著的线性相关性，拟合方程为y=1.086 3x+23.250 8，相关系数r=0.896 3，回归方程的相关系数大于0.75，说明直线对散点的拟合率很高，直线斜率为1.086 3，而截距为23.250 8，说明PM2.5在PM10中的占比高。残差分析如图6(b)所示，质量浓度自变量为横坐标，以残差为纵坐标，除了极少数几个点外，其余点均符合残差正态分布，说明回归直线中的拟合值对原观测值的差值较小，且残差随着质量浓度增加有减小的趋势，y与x之间有显著的线性相关关系。图6(a)中标注出的全黑圆点为2016年5月14日的数据，齐齐哈尔市大风黄色预警，风力高达8～9级，形成沙尘源且沙尘源一般颗粒较大，使PM10污染严重，PM2.5浓度较低，导致相关性差。

图6 PM2.5与PM10质量浓度相关性及残差分析Fig.6 The correlation and residual analysis of PM2.5 and PM10

虽然PM2.5与PM10存在显著的线性相关关系，但是也会由于外界环境因素变化而发生相应的改变。从表2可知，PM2.5与PM10相关性在季节上有明显差异，秋季和冬季的相关性明显大于夏季和春季，这与气象条件及人为污染等外界因素有很大关系。四季PM2.5与PM10的相关系数关系为r秋季(0.982 2)>r冬季(0.964 4)>r夏季(0.943 9)>r春季(0.829 6)。从图7也可以看出，春季为相关性最差的季节，相比其他3个季节，春季拟合线两侧的点分布相对不均匀，表明春季PM2.5与PM10的部分污染源不同，PM10浓度较大，主要与沙尘源有关。

表2 PM2.5质量浓度关于PM10质量浓度线性回归及相关性分析Table 2 Linear regression and correlation analysis on mass concentrations of PM2.5 and PM10

图7 四季PM2.5与PM10的日均浓度相关性Fig.7 The correlation of PM2.5 and PM10 diumal concentration in different seasons

2.6 PM2.5/PM10的变化规律

如图8所示，齐齐哈尔市2014年1月至2016年12月的PM2.5/PM10的月均比值分别为72%、67%、58%、41%、35%、42%、50%、40%、41%、60%、77%、80%，平均值为55.27%。可见，齐齐哈尔市大气颗粒物污染PM2.5的贡献率高达一半以上。从图8可以看出，整个采暖期的PM2.5/PM10明显高于非采暖期，最高值是每年的12月，比值高达80%以上，说明齐齐哈尔市颗粒污染物主要源于燃煤和生物质燃烧。

2.7 其他城市的比较

图9为东北地区3个省会城市(长春、沈阳、哈尔滨)与齐齐哈尔市2014—2016年PM2.5和PM10月均质量浓度趋势图。从图9可以看出，由于东北地区的气象、地形地貌、排放因素和消散条件大体相同，因此4个城市PM2.5与PM10质量浓度整体趋势大致相同，相对来说，齐齐哈尔市的质

量浓度普遍小于3个省会城市，整体污染程度较轻，基本符合国家环境质量标准，可见人口密度、交通污染、工业污染等人为因素是空气污染程度的主要影响因素。

图8 2014—2016年PM2.5/PM10月变化规律Fig.8 Monthly variation of PM2.5/PM10 in recent three years

图9 2014—2016年齐齐哈尔市与长春、沈阳、哈尔滨PM2.5和PM10月均质量浓度趋势图Fig.9 Monthly variation of PM2.5/PM10 in Qiqihar and other cities in recent 3 years

2.8 齐齐哈尔市空气质量状况分布

图10为2014—2016年齐齐哈尔市的空气质量等级天数分布。从图10可知，齐齐哈尔市的空气质量处于等级优良级别的比较多，等级天数所占百分比为优(50.09%)>良(37.5%)>轻度污染(7.63%)>中度污染(3.22%)>重度污染(1.47%)>严重污染(0.09%)，说明齐齐哈尔市的空气质量整体较好，重度及严重污染天数特别少且均在采暖期，证明污染物主要来源于燃烧源。

图10 齐齐哈尔市空气质量等级天数占比分布Fig.10 Grade distribution of air quality in Qiqihar

3 结论

通过对2014—2016年齐齐哈尔市PM2.5与PM10质量浓度的年际变化、季变化、月变化、日变化、PM2.5/PM10以及PM2.5与PM10的相关性进行了简要分析。

1)2014—2016年齐齐哈尔市PM2.5和PM10的年均质量浓度分别为36.7 μg/m3和62.9 μg/m3；说明齐齐哈尔市细颗粒物的浓度水平接近国家二级标准，但相对一级标准以及国际要求的标准整体浓度偏高。2014—2016年的年均浓度呈大体平稳、但均有微小的下降趋势。

2)齐齐哈尔市冬季PM2.5与PM10均为四季浓度最高，秋季次之，春季与夏季相对较低。这是由于，春季末和夏季时，降水丰富，风速大，大气不稳定，则污染物稀释扩散速度快，浓度较低；而秋季初始供暖、生物质燃烧等都是整个秋季平均值升高的原因；冬季采暖期燃煤量的显著升高及冬季稳定的大气层结容易使污染物积累。

3)齐齐哈尔市2014—2016年PM2.5与PM10质量浓度月变化趋势基本相同，整体呈现2—6月逐渐下降、9—11月逐渐上升的规律。分析得知，3—4月沙尘源所占比例有所上升，5—8月的降水是导致PM2.5质量浓度较低的主要原因，而11—12月的排放源增大，加之气温低、气压高、风速低、湿度大、有雾、逆温产生等不利于大气污染物扩散和稀释的情况下，就会导致大气颗粒物浓度较高。

4)齐齐哈尔市PM2.5与PM10质量浓度的日变化均呈双峰现象，高峰值出现在上半夜21:00—24:00，次高峰值出现在上午(09:00—12:00)，最低值出现在下午(15:00—17:00)，次低谷值则出现在凌晨(05:00—07:00)，结果表明，2014—2016年齐齐哈尔地区PM2.5和PM10的时刻变化特征与人类活动和边界层的演化有密切关系。

5)PM2.5与PM10拟合方程为y=1.086 3x+23.250 8，回归方程的相关系数为0.896 3，同时，残差分析表明，回归直线对原观测值的拟合情况良好，PM2.5与PM10有非常显著的线性相关性，四季相关系数关系为r秋季(0.982 2)>r冬季(0.964 4)>r夏季(0.943 9)>r春季(0.829 6)；齐齐哈尔市大气颗粒物污染PM2.5的贡献率高达一半以上，采暖期比值高达80%以上，说明齐齐哈尔市颗粒污染物主要源于燃煤和生物质燃烧。

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