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黑龙江省PM2.5和O3污染时空分布特征及气象影响分析

2024-11-01 11 上传者：管理员

摘要：近年来，我国经济发展迅速，但是环境问题也日益严重，各种污染物的排放日益增多。东北三省作为我国重要的工业基地，加之冬季燃煤取暖，造成空气污染严重。针对黑龙江12个地级市及1个地区的PM2.5和O3的污染现状进行分析。选取了2017-2022年的污染物数据，分析了PM2.5和O3在黑龙江省时间和空间上的分布。结果表明，PM2.5年平均月浓度呈U型，夏季低，冬季高；O3浓度在2017-2022年间年平均月浓度呈倒U型，夏季高、冬季低。空间分布上PM2.5主要呈南高北低的态势，O3主要呈南高北低、西高东低的态势。同时，基于前人的研究，分析了气象因子对PM2.5和O3浓度的影响，得出PM2.5与温度负相关，O3与温度正相关；气压升高，PM2.5先上升后下降，O3气压负相关；湿度小时，与PM2.5浓度呈正相关，湿度大时，与PM2.5浓度呈负相关；O3浓度与湿度正相关（临界值之前）都与风速呈负相关。研究成果可为黑龙江省PM2.5和O3的协同防控提供数据依据。

关键词：
O3气象因素
PM2.5时空分布
环境问题
空气污染严重
黑龙江
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我国自2013年发布了《大气污染防治行动计划》以来，多数地区空气质量得到明显改善。但是，目前细颗粒物（PM2.5）浓度仍旧没有从根本上得到控制，其浓度依旧高于世界卫生组织所提供的指导值（2015）。同时，臭氧（O3）的浓度也在持续上升，O3的治理问题同样迫在眉睫[1]。在《中国环境状况公报》的数据中显示，PM2.5和O3分别占城市环境空气质量超标天数的66.8%、16.9%。因此，如何进行PM2.5和O3协同治理问题逐渐成为我国在治理大气环境污染方面的重中之重[2]。

根据研究显示，PM2.5和O3之间并非简单的线性关系，而是呈现出一种高度非线性关系。因此，在对PM2.5和O3进行防控之时，不能仅仅开展对某一种污染物的单项控制。因此，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中特地提出了相应的“PM2.5与O3协同控制”的战略。

目前，国内外已经有许多关于PM2.5和O3相关的研究，并对两者之间的相关性和协同治理研究取得一定的进展。刘鑫等[3]基于WRF-CAMx模型，模拟出不同前体物（NOx、VOCs）减排情景下PM2.5和O3浓度变化情况，并且引入敏感度的概念，通过量化评估PM2.5和O3对NOx、VOCs减排的敏感性，直观显示了PM2.5和O32种污染物对前体物减排的响应。隋玟萱等[4]在探究了PM2.5和O3之间的复合污染后，对PM2.5和O3与气象要素的相互作用关系进行了初步探讨[5]。根据研究可知，挥发性有机物VOCs和氮氧化物NOx是PM2.5和O3共同前体物。PM2.5可以分为一次气溶胶和二次气溶胶，其中二次气溶胶又可以分为有机和无机2种，二次有机气溶胶的生成是由于日常生产生活中人类以及动植物挥发性有机物的生成排放。大气中的NOX可以通过均相和非均相反应被氧化为NO3-，从而参与了二次无机气溶胶生成，二次有机和无机气溶胶的生成导致大气中PM2.5浓度的升高[6]。因此，VOCs和NOX是PM2.5和O3的共同前体物质[7]。

1、数据与方法

1.1 数据来源

以黑龙江省作为研究区域，选取2017年1月1日-2022年12月31日为研究时段，PM2.5、O3等监测数据来源于中国环境监测总站。

1.2 研究区概况

黑龙江省位于121°11′～135°05′E、43°26′～53°33′N，地势大致是西北、北部和东南部高，东北、西南部低。

2、结果与分析

2.1 黑龙江省PM2.5和O3的时空分布

2.1.1 PM2.5和O3时间分布特征。

为了清晰地呈现出2017-2022年黑龙江省PM2.5和O3的污染情况，使用2种污染物6年间每月平均浓度为代表，将黑龙江按照东西方向分为两部分。由图1可知，5-9月时PM2.5浓度变化不大，污染情况比较稳定，在8月达到一年的最低值，9-12月期间PM2.5浓度急剧升高，在12月末达到峰值，在1-3月下降，在4月时出现浓度短暂上升又再次下降。出现以上污染情况的原因主要是1-3月黑龙江天气逐渐回暖，多出现大风天气，暖空气逐渐取代冷空气，逆温现象减少，污染物扩散能力增强，PM2.5浓度下降；4月PM2.5浓度出现短暂回升，主要是秸秆燃烧以进行新一年的播种，使得4月PM2.5的浓度出现短暂回升；夏季5-9月时，黑龙江省受东南季风的影响降雨充沛且气温高，气候条件有利于PM2.5扩散稀释，且黑龙江在夏季树木等植物覆盖率高，清除污染能力强，达到减轻污染的结果；9月农民开始秋收，其中秸秆焚烧是使得PM2.5浓度上升的主要原因；10-12月黑龙江各地开始燃煤供暖，且温度急剧下降，植物大多进入落叶期，净化污染能力降低，降水减少，空气湿度下降，逆温现象出现频率加快，大气的垂直运动减弱，污染物无法扩散，PM2.5等污染物出现堆积，浓度上升。

图1 2017-2022年黑龙江省PM2.5与O3年平均浓度

由图1可知，黑龙江省各地级市O3月平均浓度总体呈倒“U”型分布，峰值多出现在4-5月，在11-12月达到最低值；大多数城市1-4月O3浓度呈上升趋势，在达到峰值以后呈现出下降趋势,直到8月。其中，在6-7月有佳木斯、黑河、大兴安岭地区、伊春4地下降速率趋近于零，O3浓度基本维持不变；8月以后大多数城市依旧呈现下降趋势，双鸭山、绥化、伊春、黑河4个城市短暂的上升后处于下降状态；12月时趋于平稳。造成此种现象的主要原因是臭氧浓度的升降受自然因素如温度以及太阳辐射影响，夏季时温度高，太阳辐射强，形成O3的光化学反应易于发生，生成O3多浓度高；相较之下冬季温度低，紫外线照射强度低，光化学反应无法形成大量O3。

由图1可知，近6年PM2.5浓度持续下降。PM2.5浓度下降可能与2014年前黑龙江省污染严重，黑龙江省政府发布了《黑龙江省大气污染防治行动细则》对PM2.5进行约束治理。该细则对大气污染的全面防治，最终在2017年左右基本使严重污染天气得到大幅度缓解。国家在2016年下发了“十三五”生态环境保护规划，为响应国家和政府对大气污染治理的决策，各城市积极调整产业结构，升级设备，提升技术手段，提升废气、废液转化率等，对控制PM2.5等污染物浓度均起到了显著效果，最终使得2017年后PM2.5总体呈下降趋势。

由图1可知，O3情况较为复杂，鸡西、哈尔滨、伊春、大庆、绥化、佳木斯6个城市2017-2019年呈现下降趋势，2019-2021年浓度上升，2021-2022年再次下降；其他几个城市基本是在2017-2018年上升，2018-2019年下降，2019-2021年上升，2021-2022年下降。研究表明，2019-2021年期间基本所有城市O3浓度都在上升。2019年新型冠状病毒疫情暴发，地表O3是由多种污染物经过复杂的光化学反应生成，O3主要依靠与NO反应消除。新型冠状病毒疫情期间人类对NOx排放减少，使得O3分解变慢，浓度积累。隔离期间居家活动变多，可能导致VOCs变多，致使O3生成变多。

2.1.2 PM2.

5和O3空间分布特征。由图2可知，2017-2022年黑龙江PM2.5整体浓度呈现下降趋势，其中浓度分布主要呈南高、北低的分布特征，南部污染重，向北递减，分层明显，主要是由于工业农业等产业布局差异以及人口分布高低所产生的对服务业等需求的人为排放不同造成的。2017年黑龙江省有2个污染中心，分别位于哈尔滨市以及黑龙江省东部，黑龙江省东部的污染中心随着时间发展至2022年，已经逐年递减；2017-2022年七台河市、双鸭山市、鸡西市的污染有明显缓解。另一污染中心哈尔滨及绥化2022年较2017年的污染等级也有明显下降。具体数据显示，哈尔滨2022年相较于2017年PM2.5浓度下降35%，黑河下降39%，七台河下降42%，双鸭山下降43%，鹤岗下降47%，齐齐哈尔下降43%，鸡西下降39%，牡丹江下降34%，佳木斯下降31%，大庆下降25%，大兴安岭地区下降19%，伊春下降7%，仅绥化同比上涨0.4%。黑龙江省历年中污染最严重的应属哈尔滨与绥化。哈尔滨市是省会城市，产业发达，交通干线分布密集，人口数量大，产生的污染物多，生产生活排放多，例如工厂排放、交通排放、秋季秸秆焚烧、冬季大量燃煤供暖；绥化市发展农业为主，春季、秋季大量秸秆燃烧排放的PM2.5等污染居高不下；大兴安岭地区附近植被覆盖率高，净化空气能力强，加之温度低、人口密度相对较低，人类活动少，所以PM2.5等颗粒物浓度一直处于比较低的状态。

图2 黑龙江省PM2.5和O32017-2022年的平均浓度空间分布情况

黑龙江省的12个地级市及1个地区空气中的O3年均浓度历年变化较大，在空间分布上有明显差异，呈现出南高北低、西高东低的分布情况；各地区年际之间变化幅度不大，如2018年相较于2017年哈尔滨下降7%，黑河上升2%，七台河上升13%，双鸭山上升17%，鹤岗上升12%，齐齐哈尔上升2%，鸡西下降2%，牡丹江上升3%，佳木斯下降5%，大庆下降1%，大兴安岭地区上升12%，伊春上升2%，绥化下降4%。大兴安岭地区和双鸭山市增长幅度较大，鸡西、牡丹江、齐齐哈尔、大庆浓度起伏不大。总体来看，2017-2022年，O3高浓度区主要位于西南部，以哈尔滨、大庆污染最严重，伊春和鸡西污染相对最轻。哈尔滨、大庆地区是黑龙江省工业发展的中心地区，O3前体物排放水平高，促进O3的生成。根据逐年变化来看，黑龙江省O3污染程度显现出下降的趋势，其主要原因可能与政府发布的环境治理细则有关，使污染情况逐渐改善。

2.2 气象要素对PM2.5和O3的影响

2.2.1 气象要素对PM2.5的影响。

近地面PM2.5和O3的形成与气象要素有很大的关系，PM2.5的形成、扩散以及消解都与气象要素息息相关。根据研究可知，PM2.5与气象要素中温度呈负相关，随着温度的不断升高，PM2.5污染浓度下降，温度越高，分子运动加快，气体更容易扩散，使得PM2.5的运动速率增加，从而达到浓度下降的结果；温度降低出现逆温现象，致使PM2.5不易扩散，污染物积累，浓度上升。PM2.5与湿度小时呈正相关，与湿度大时呈负相关[8]，主要原因是当湿度小时，湿度会加速颗粒物的二次转化生成，使得PM2.5浓度上升，且空气中水汽含量大不易扩散；当湿度大时，水汽含量上升对颗粒物有湿沉降作用，形成降水对污染物起到冲刷作用。PM2.5和气压关系较复杂，研究表明气压上升时，PM2.5的浓度先升高再降低；受到气旋反气旋天气影响，当地面是低压中心时气流辐合上升，污染物受气流气压影响向上扩散。PM2.5和风速呈负相关，风速越大，PM2.5扩散越快，污染物不能积累，浓度下降。以上说明PM2.5的生成与低温潮湿的空气有关，风速低且稳定的晴朗天气利于PM2.5的生成。

2.2.2 气象要素对O3的影响。

分析总结文献可知，O3和气温主要呈正相关，随着温度的不断升高O3浓度也不断攀升，主要因为温度升高会促进光化学反应的进行，对O3的生成起到促进作用[9]；和气压呈负相关，即O3浓度会随气压升高而下降，反之气压降低，O3浓度会增加，主要因为气压低时会形成气旋中心气流上升，大气的对流运动活跃，O3会从上层空气传播进低层大气，导致O3浓度上升，反之则会使得O3浓度下降；和相对湿度的关系不一，在相对湿度值较小时呈正相关，在相对湿度较大时呈负相关；呈正相关时，湿度越小O3浓度越低；但是湿度值一旦超越临界值，O3浓度就会随着湿度上升而下降，湿度太大会起到对污染物的清除效果及形成雾气，对光线起到遮挡作用，不利于光化学反应的进行，阻碍了O3的生成[10]；和风速呈负相关，风速的上升加快了分子运动，扩大了污染物的传播，稀释了污染物的浓度。结果表明，晴朗高温潮湿的环境有利于O3的生成，PM2.5和O3在很多气象要素的关系上都是此消彼长，如果要对2种污染物进行协同治理，需要深究其生成原理，以共同前体物生成的方向为切入点。

3、结论

(1)2017-2022年间，PM2.5年平均月浓度呈“U”型，夏季PM2.5浓度低，冬季浓度高；相较于2017年，2022年时各个城市PM22.5浓度均下降，大多城市年际之间呈现逐年下降趋势，小部分城市在2020年略有上升；O3浓度在2017-2022年间年平均月浓度呈倒“U”型，夏季温度高，光化学反应转化快，O3浓度高，冬季O3浓度低。年际之间总体规律性不强，大致呈“M”型，由于选择的年限时间不长，无法得出年变化规律。

(3) (2)PM2.5和O3的时空分布上，PM2.5主要呈南高北低的态势，O3主要是南高北低、西高东低的分布。PM2.5污染以哈尔滨和绥化最为严重；PM2.5主要与人口分布、工业农业服务业分布和秸秆燃烧有关；O3污染集中于哈尔滨和大庆市，多因发展重工业、经济发达排放多有关。

(4) PM2.5和O3污染与气象要素的关系如下：PM2.5与温度负相关，湿度小时呈正相关，湿度大时负相关；气压增大，PM2.5先上升后下降；与风速呈负相关。O3与温度正相关，与湿度呈正相关（临界值之前），与气压呈负相关，与风速呈负相关。结果表明，PM2.5与O3对气象要素的响应多为反向，若为降低一个污染物浓度改动其中一个气象要素的值可能导致另一污染物浓度上升，PM2.5和O3协同减排方面研究还需深入拓展，研究深层内在联系对共同前体物及气象要素的影响。

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文章来源:王晓雪,周嘉.黑龙江省PM2.5和O3污染时空分布特征及气象影响分析[J].现代园艺,2024,47(23):10-13.