张莹， 魏晓慧， 王阿川
（东北林业大学信息与计算机工程学院，黑龙江哈尔滨150040）
摘要：针对哈尔滨市的PM2.5空气污染问题，收集整理了哈尔滨市2014年全年的空气污染物数据和气象数据，分析研究了当地PM2.5质量浓度变化特征，找出其影响因素。结果表明，哈尔滨市PM2.5日均质量浓度为72.64 ug/m'，初步达到国家标准PM2.5月均质量浓度11月最高，约为148.27ug/d，9月最低，约为21.07ug/m3。秋冬两季PM2.5平均质量浓度较高。PM2.5/PM10比例春季最低，约为0.5，PM2.5已成为哈尔滨市可吸人颗粒物巾的首要污染物。从PM2.5与S02、N02、CO的相关性来看，哈尔滨市PM2.5与co的相关性最高，四季均在09左右。各类空气污染物的平均浓度降水日低于非降水日。PM2.5与气象因子的相父性较小，与风速呈负相关。
关键词：PM2.5；相关性；影响因素；哈尔滨
近几年哈尔滨市雾霾天气频繁发生，严重影响了人们日常生活的同时也对人体健康埋伏着很多安全隐患，已成为人们高度重视的热点问题。随着研究的深入，细颗粒物( PM2.5)这一名词也频频进人人们的视线，加强对PM2.5的调控与防治对改善生态环境和保护人体健康具有重要的现实意义。
PM2.5的研究具有明显的地域差异性，目前哈尔滨市关于PM2.5的研究主要集中在以下几个方面：PM2.5的来源及其组成成分、PM2.5的物理化学特性、PM2.5的生物活性研究、PM2.5与空气污染物的相关性分析、PM2.5污染防治对策。但是选取的分析时间较短，而且哈尔滨市关于PM2.5与气象因子的相关性分析较少，因此本文利用连续一年的空气污染物数据和气象数据分析了PM2.5质量浓度变化特征，找出其影响因素，为哈尔滨市雾霾的预防及治理提供科学依据。
1数据来源
本文中空气污染物数据和历史天气数据来源于天气后报网（http：//www.tianqihoubao.com/），其中包括：PM2.5、SO：、NO：、CO、PM10，的日平均数据及每日降水情况的数据。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网( http：//www.e science.gov.cn/metdata/page/index．html)，其中包括：气压、风速、相对湿度、气温的日平均数据。研究区域为哈尔滨市。
哈尔滨市位于松辽平原的松花江中下游，属中温带大陆性季风气候，四季分明，冬长夏短，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。一般在10-11月时温度降到0℃以下。极端最高气温为38.7℃，最低气温为-52.3℃。年平均降水量400—600 mm。由于哈尔滨市是从2013年10月开始公布空气质量指数(AQI)及各类空气污染物浓度数据的，因此分析采用的数据时间为2014年全年，去掉其中的空气污染物数据缺值日1月23日、3月24日、8月8日、8月22日和相对湿度缺测日6月5日，6月6日，共计359 d的日平均数据。
2 PM2.5及PM10质量浓度的变化特征
2.1 PM2.5及PM10质量浓度的日均变化分析
根据收集到的数据绘制出图1。从图1可知，供暖期（每年10月中旬至次年4月中旬）期间哈尔滨市PM2.5、PM10日均质量浓度明显高于非供暖期，PM2.5与PM10日均质量浓度的全年变化趋势基本一致，在0.01水平（双侧）上显著相关，相关系数为0.985。哈尔滨市2014年PM2.5日均质量浓度为72.64 ug/m3，已经达到世界卫生组织针对发展中国家制定的过渡期第一阶段最宽限值，即我国PM2.5标准值：75 ug/m:3，全年中有242 d达标，达标率67.4%，达到重度空气污染(PM2.5质量浓度>150 ug/m3)有39 d，单日最高浓度值达到518 ug/m3(10月29日)。由此，哈尔滨市的空气污染可见一斑。
2.2 PM2.5及PM10质量浓度的月均变化分析
根据收集到的数据按月计算得出的PM2.5、PM10月均质量浓度及PM2.5/PM10，的变化情况，结果见图2。从图2可以看出，2014年11月哈尔滨市PM25月均质量浓度最高，约为148.27 ug/m3。9月约为21.07ug/m3，为全年最低。观察发现，PM10质量浓度随PM2.5质量浓度增大而增大。从PM2.5/PM10来看，12月的比例最高，约为0.85，4月最低，约为0.45，说明PM2.5对哈尔滨市的空气污染贡献很大。2.3 PM2:5及PM10质量浓度的季节变化分析
图3是根据收集到的数据按季节计算得出的PM2.5、PM10平均质量浓度及PM2.- /PM10的变化情况。从图3可以看出，秋（9 -11月）、冬（12 -2月）两季PM2.5、PM10平均质量浓度明显高于春（3-5月）、夏(6-8月)两季。其中，夏季最低（PM2.5约为35.17 ug/m'3，PMm约为61.48 ug/m3），冬季最高（PM10约为111.91ug/m;3，PM10约为154.97 ug/m3），冬季PM2.5平均质量浓度约为夏季的3倍。这是由于哈尔滨市从10月中旬开始大面积集中供暖，绿色植物的凋谢，加之气象因素的影响，气压偏高，气温较低，大气层结构比较稳定，不利于PM2.5的扩散，致使其在空气中大量积累。从PM2.5/PM10来看，春季(0.5)<夏季(0.57)<冬季(0.72)<秋季(0.73)，可见PM2.已成为哈尔滨市可吸人颗粒物污染中的首要污染物。
3 PM2.5与主要空气污染物的相关性分析
表1是利用统计分析软件SPSS 19.0对不同季节的PM2.5与主要空气污染物(S02、N02、CO、PM10)进行皮尔逊相关性分析所得的相关系数，均在0.01水平（双侧）上显著相关。从表1可以看出，PM2.5与PM10的相关系数最高，四季均达到0.9以上，相关系数从大到小依次为CO>N02>S02。这是由于哈尔滨市除了存在汽车尾气、工业废气、城市扬尘等空气污染外，在供暖期内大量使用“褐煤”取暖，春季周边农村焚烧秸秆来获取肥料造成的。夏季绿色植物生长茂盛，其对PM2.5的削减作用应较大，但是观察表l发现，四季中PM2.5与CO相关系数夏季最高，出现这种反差的原因可能是哈尔滨市夏季露天烧烤遍布大街小巷，而且燃料以木炭居多，木炭的不完全燃烧产生大量的CO排放到空气中，致使空气中CO含量居高不下。因此，PM2.5的防治与人类活动息息相关，我们应降低空气污染物的产生与排放。
表2给出了不同相对湿度下统计期内各类空气污染物( PM2.5、S02、N02、PM10)的平均浓度，并以降水日和非降水日进行分类。从表2可知，各类空气污染物的平均浓度在降水日明显低于在非降水日的，说明降水可以起到对空气的净化作用。
S02、N02在高相对湿度的条件下经过光化学反应可以转化成S 042-、N032-，这2种水溶性离子在大气中经过碰撞、合并、摩擦、吸附、粘黏等相互作用极易形成PM2.5。若在降水日，空气中PM2.5、SO。、NO。的浓度就会显著下降，若在非降水日，空气中的S02、N02会转变成S042-、N032-，进而转化成PM2.5，此时空气中的S02、N02浓度会降低，但是PM2.5质量浓度则会上升。因此利用SPSS 19.0对不同相对湿度条件下PM2.5与S02、N02、PM10进行Pearson相关性分析，所得结果见表3，在0.01（双侧）水平上显著相关。
结合表2和表3可知，当相对湿度<60%时，PM2.5与S02、N02、PM10在非降水日的相关系数均高于在降水日的相关系数，在这种湿度较低的条件下，降水的概率较小（非降水日与降水日的天数比例约为6:1），S02、N02在降水日与非降水日浓度相差不大，因此与高湿度条件相比，PM2.5与S02、N02的相关性在于其是否转化为S042-、N032-。在60%≤相对湿度<80%的条件下，PM2.5与S02、N02、PM10的相关系数在降水日与非降水日的差异不大。当相对湿度≥80%时，PM2.5与S02、N02的相关系数在降水日与非降水日的差别很大。对比PM2.5与S02、N02的相关性，在高湿度非降水条件下，PM2.5与S02的相关系数最小，在高湿度降水条件下，PM2.5与S02的相关系数最大。S02、N02与PM2.5的相关性随相对湿度的增大在非降水日逐渐减小，在降水日逐渐增大。
4气象因子对PM2.5质量浓度的影响分析
表4是在不同季节下PM2.5质量浓度与各气象因子（气压、风速、相对湿度、气温）的相关性系数，所得结果通过0.05水平（双侧）检验（空白处未通过显著性检验），各季节样本数量与表1相同。从表4中可以看出，PM2.5质量浓度与气象因子的相关性较小，这是因为气象因子之间存在相互影响和关联。春夏秋三季中，风速是气象因子中对PM2.5质量浓度影响最大的因素，但其相关系数也仅在-0.2左右。四季中，气温与PM2.5质量浓度的相关性最小。表5为四季各气象因子平均值。观察表5发现，冬季气压最高，气温最低，气象因素是导致PM2.5在空气中积累的诱因之一，与前文所述一致。
根据我国PM2.5标准，表6给出了在不同PM2.5质量浓度条件下，各气象因子的平均值。表6中，PM2.5质量浓度≤75ug/m3的情况多发生在3-9月。75ug/m3<PM2.5质量浓度≤150 ug/m3的情况多发生在秋冬两季，PM2.5质量浓度>150 ug/m3多发生在冬季。
表7为不同PM2.5质量浓度条件下，PM2.5与气象因子的相关性系数，均通过0.01（双侧）水平检验。结合表4与表7可以发现，PM2.5质量浓度与风速呈负相关。
5结论
通过对哈尔滨市2014年全年的空气污染物数据和气象数据的分析，得到了如下结论：
(1)哈尔滨市PM2.5与PM10日均质量浓度的全年变化趋势基本一致，相关性高达0.985。从PM2.5月均质量浓度来看，9月最低，11月最高。按季节计算PM2.5平均质量浓度，夏季最低，冬季最高。从PM2.5/PM10来看，春季比例最低为0.5，哈尔滨市PM2.5污染已成为可吸入颗粒物污染中的首要污染物。
(2)对比哈尔滨市PM2.5与S02、N02、CO的相关系数，PM2.5与CO的相关性最高。
(3 )PM2.5与空气污染物的相关性相比，PM2.5与气象因子的相关性较低，在春夏秋三季中，与风速的相关性最高。四季中与气温的相关性最低。若想有效防治PM2.5所造成的空气污染，除了在源头上控制空气污染物的产生与排放，同时应加强城市绿化，通过绿色植物对PM2.5的吸附作用，减少PM2.5所造成的污染，以期在经济快速发展的过程中平衡工业发展与环境保护两者之间的矛盾。
