“2015·3·22”云南大范围空气污染事件气象成因分析*

郭荣芬,黎成超,邓 聪,彭启洋,向 峰

(1.云南省气象服务中心，云南 昆明 650034；2.云南省环境监测中心，云南 昆明 650034)

“2015·3·22”云南大范围空气污染事件气象成因分析*

郭荣芬1,黎成超1,邓 聪2,彭启洋1,向 峰2

(1.云南省气象服务中心，云南 昆明 650034；2.云南省环境监测中心，云南 昆明 650034)

2015年3月18-22日,云南省多个州市先后出现一次明显的污染天气过程, 此次天气过程持续时间长、影响范围广。利用同期AQI指数、探空资料及常规气象观测资料等, 分析此次污染天气事件的气象条件和出现持续大范围污染过程的成因。结果表明：过程前期,南支槽较活跃，多为“干性”弱南支槽活动，降水偏少，多大风，是污染物增多的主要气候背景；500 hPa云南一直处于弱高压脊区的均压场，700 hPa云南中部以东为西偏南暖湿气流，大气呈现高冷低暖，使近地边界层出现逆温层结，空气中颗粒物不断堆积且不易扩散；从污染源分析，空气质量下降的主要污染物是细颗粒物(PM2.5)，本地源排放、境外污染物输送叠加的共同影响，是导致云南大部区域空气质量下降的重要人为原因之一,境外污染物影响相对较大。

空气污染；AQI指数；PM2.5；气象条件；气象成因；污染源；云南

云南处于欠发达地区，重工业较少，加上得天独厚的地理和气候条件，大部地区生态环境和空气质量较好。随着现代工业生产能力的不断提升，国家“一带一路”、长江经济带等重大发展战略和一系列重大政策的实施，云南工业化进程不断加快。2014年，云南汽车保有量排名在全国排第11位，一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、颗粒物(PM)排放量均排在全国中等靠前水平。能源消耗过程中向大气中持续排放的物质数量越来越多，种类也愈趋复杂，云南大气环境污染问题越发凸显，空气污染已经成为政府和公众非常关心的问题之一。相关研究表明，颗粒物污染在春季和秋冬季节高，并容易发生重污染过程，而春季空气污染主要与风沙天气有关，秋冬季节则与稳定性天气出现频率增强有关[1-4]。

2015年3月18-22日，云南多个州市空气质量先后出现明显下降，特别是22日云南省会昆明全天天空浑浊，大气透明度差、能见度低，给人们身体健康、交通及生态环境等造成一定影响。公众对此众说纷纭，舆论一片质疑。

针对这次空气污染事件，本文利用2015年3月18-25日云南省空气质量监测数据、同期常规地面气象观测资料及探空资料，从气候背景、气象条件、污染源情况等分析造成此次污染事件的成因，为进一步认识云南空气污染天气过程的特点、来源，并为今后提高此类天气事件的预报预警能力，提供重要参考依据。

1 污染过程概况

按照污染源的上风方区域和污染较为明显的地区，从云南16个州市挑选具有代表性的6个站点，分析2015年3月18-25日空气质量指数AQI的变化(图1)。AQI指数分为6个等级： 0～50为一级(优)；51～100为二级(良)；101～150为三级(轻度污染)；151～200为四级(中度污染)；201～300为五级(重度污染)；大于300为6级(严重污染)。由前期分析可知，自2015年3月18日开始，云南出现空气污染的州市个数呈上升趋势：18日2个(普洱、西双版纳轻度污染)；19日3个(普洱、西双版纳、文山)；20日5个(普洱、西双版纳、德宏、文山、红河轻度污染)；21日5个(普洱、临沧、西双版纳、文山、红河轻度污染)；到22日，云南出现空气污染州市上升至9个，波及全省大部地区，空气污染州市数量超过了全省半数(9/16)，具体为:昆明、曲靖、玉溪、保山、临沧、德宏和怒江为轻度污染；滇西南的西双版纳为中度污染，AQI日均值为158；普洱为重度污染，AQI日均值达205。首要污染物除德宏州为臭氧8h滑动平均外，其余城市均为细颗粒物PM2.5。23日随着冷空气自东向西进入云南，与东移南支系统暖湿水汽结合，云南自东向西出现80站次小雨、4站次大雨的全省性降水过程，致使污染物在短时间内迅速消散；至25日，全省空气质量转为优良(图1)。

图1 2015年3月18-25日云南部分州市站点AQI指数变化

2 天气成因分析

2.1 天气气候背景

天气形势从根本上决定了气象要素的分布和变化, 从而决定了大气的扩散能力与大气的稳定程度。对一个地区而言, 污染源的变化在短时间内是相对稳定的，在这种情况下，污染物浓度的高低变化主要取决于大气的扩散能力[5]。

云南地处低纬高原，四季不分明，主要表现为干、雨两季，一般5月-10月为雨季，11月-4月为干季，雨季降水量占全年80%左右，而干季降水不到20%。在干季，云南盛行来自亚洲西南部干热的西风气流，多晴朗少云，风高物燥天气，日照反而比夏季还多，太阳辐射相对较强。据2015年2-3月云南气候统计看，全省大部气温偏高，降水分布不均，总体偏少，日照大部地区正常至偏多。此次污染事件前期，在降水总体偏少的气候背景下，没有充沛的雨水湿沉降作用。

3月23-27日南支槽与冷气流配合较好，造成了云南大范围地区降温降雨天气，中南部地区还出现了局地冰雹、雷电、短时大风等强对流天气，从而使云南空气质量迅速转好。南支槽以冬半年(12月至次年5月)出现最为频繁，当南支槽与强冷空气结合，则可造成大范围降温降雨(雪)天气。据研究[6]，南支槽10月在孟加拉湾北部建立，冬季(11月至次年2月)加强，春季(3-5月)活跃。因此对于冬半年受西风带干燥气流控制的云南，南支槽是产生降水和大风冰雹的主要天气系统。经统计南支槽波动影响云南的情况，2015年2月5次，3月4次，相较于气候平均概率看，常年2月南支槽影响云南平均2.8次，3月平均2.6次，因此2015年2、3月南支槽出现频率均超过历史平均值，属于较活跃期，但因无强暖湿气流配合，多为“干性”弱南支槽活动，即降水偏少，多大风。

2.2 天气形势分析

分析此次云南空气污染过程的500 hPa、700 hPa和850 hPa天气形势以及地面天气形势(图2)。发现3月18～21日过程期间，500 hPa形势场上北半球亚欧中高纬为纬向环流控制，冷空气偏北，云南一直处于弱高压脊区，气压为均压场。700 hPa云南中部以东为西偏南暖湿气流，云南多晴热无降水天气。大气呈现高冷低暖的形势，近地边界层容易出现逆温层结，空气中颗粒物不断堆积，不易扩散。

图2 500 hPa高空环流形势

22日08时，500 hPa亚欧中高纬度贝-巴间大气环流经向度加大，东亚大槽开始加深，冷空气堆积增强，并有-44℃冷中心配合。同时，低纬度位于两广、福建一带的副热带高压北界开始南退到南海20°N附近，孟湾北部95°E附近的南支槽加深加强，云南大部由西偏北气流转为南支槽前暖湿的西偏南气流影响。同时，700 hPa低槽位于100°E，云南中部及以东转为槽前西南气流。20时，700 hPa风速≥12 m/s的西南急流带位于滇东北-滇西南，全省温度-露点差迅速降低；850 hPa上伴随华北冷空气南下，在滇中附近形成温度锋区，地面形成弱冷锋，使冷空气自东北向西南渗入云南，冷暖气流结合；22日20时至23日20时天气实况显示，云南中部以东出现小雨局部中雨天气。23日，500 hPa南支槽东移过滇中，700 hPa转为偏东南气流，冷空气加强进入滇中，云南降水范围进一步扩大且强度加强，中部以东以南出现中雨以上量级降水。大量降水冲刷的湿沉降作用，清除了大气中浑浊颗粒物，云南大部空气质量23日开始逐渐转好。

综上所述，在3月23日较强南支槽与冷空气结合影响云南的天气过程之前，在上述天气气候背景下，容易使大气中聚集大量尘埃，颗粒物浓度较高；当相对湿度增大到一定程度，风力减弱时，可使3月18-22日期间云南部分州市空气混浊，空气质量下降，并在22日达到峰值； 3月23日后随着大范围降水影响，大气颗粒物沉降，空气质量转好。

2.3 气象要素变化特征

进入2月份以来，受干暖偏西气流控制，云南大部地区无有效性降水，并一直持续晴热天气，滇中及以南地区风速较大，相对湿度较低。选取昆明、文山、思茅和景洪站为代表站，分析逐日平均风速、相对湿度和最高气温变化，可知从20日开始，随着高原南部南支波动槽东移，滇中及以南地区中低层气流偏南分量加大，相对湿度开始明显上升，同时风速减小。滇中的昆明站日平均相对湿度一直在40%以下，但17日开始明显增大，22日达到峰值59.2%。20-22日日平均风速在3 m/s左右，平均风速相较于前3 d明显减小,21日风速减小到最低值1.9 m/s；日最高气温18-22日一直维持在25～26℃。滇西南思茅站18日开始日平均风速缓慢下降，到22日降到最低值0.8 m/s,日平均相对湿度18日缓慢上升，21-22日陡增至70%；最高气温18-22日维持在30℃附近。景洪站17日开始风速开始减小并维持在0.8～1.0m/s；相对湿度自16日开始持续增大，22日达到峰值69.7%。 总体来说，在天气系统影响下, 此次污染过程中的主要气象要素表现为风速小、湿度大、逆温频率高、混合层高度低等特点。

2.4 稳定度特征

雾霾天气发生在边界层内,逆温是大气中某一高度范围内的气温随高度增加而升高或不变的现象[8]，在有逆温的情况下,大气层结比较稳定,从而抑制大气中的垂直运动和湍流交换,阻碍空气中水汽、烟尘和其他污染物的垂直输送和水平扩散，有利于云雾和霾的形成,使能见度减小。分析19-22日昆明和普洱站的tlogP图可知，自19日开始，滇中及以南地区近地层均出现持续逆温，近地边界层气层较稳定(图3)。长时间逆温存在,抑制了垂直方向的对流,污染物不易在垂直方向扩散，导致前期进入空气中的固态颗粒物聚集。

图3 2015年3月22日08时昆明、普洱站TlogP图

2.5 紫外线强度变化

紫外线辐射强度的变化是除太阳高度角、平流层臭氧、太阳总辐射、云量云状、水汽等之外，近地层大气污染的重要影响因素[9-11]。

分析2015年2月22日-3月22日昆明测站的紫外线强度变化(图4)。由于晴朗无云，昆明自2月以来一直持续5级紫外线最高强度，最大辐射强度达60.8 W/m2，平均辐射强度40 W/m2,3月20日达到峰值43.5 W/m2。持续的高温和强紫外线照射，在光化学作用下，导致空气中臭氧离子增多，加剧空气中固体颗粒物的形成和增多。

图4 2015年2月22日-3月22日昆明紫外线强度变化(单位：W/m2)

3 人为原因

除了气象因素的影响，工厂排放化学物、汽车尾气增多、农作物燃烧和烧煤等人为行为，都会引发大气中颗粒物含量加大，是雾霾天气形成的重要原因。

3.1 后向轨迹分析

云南地处我国西南红土高原，山地面积94%，是少数民族众多聚居地。首先,居住在山区的少数民族还延续着刀耕火种的生产方式, 烧灰积肥的现象很普遍。其次, 节日庆典、祭祀等民俗用火习惯, 形成了较多的森林火灾隐患，刀耕火种是部分身居高山少数民族的传统耕作方法。此外，与云南毗邻的缅甸、老挝、越南三国,也是以刀耕火种传统农耕方式的农业国家。每年2-3月正是春耕春播的农忙时期，因此用火频繁，不仅对云南境内森林资源火险隐患构成威胁，大量焚烧的固态颗粒大量进入大气，随着偏南、偏西气流从高空进入云南境内，是导致云南部分区域空气质量下降的重要人为原因之一。

采用由美国国家海洋和大气局(NOAA)等开发的供质点轨迹、扩散及沉降分析用的HYSPLIT 轨迹模式-4进行气流来向轨迹模拟。该模式平流和扩散计算采用Lagrangian法,通常用来跟踪气流所携带的粒子或气体移动方向,具有多种气象输入场、物理过程和不同类型排放源,且拥有较完整的输送、扩散和沉降过程, 可进行分辨率最高精确到小时的气流来向及去向轨迹模拟，国内目前主要将该模式用于污染过程的分析[12-15]。本文以昆明为代表站，分析了2015年3月22日08时不同高度气团前72 h逐小时的后向轨迹(图5)，可以得知，从19日08时至22日08时，昆明受到偏西气流和西南气流的影响最大，这与盛行风向有一定关系，轨迹路径分析得知，昆明受到了上风方滇西南污染源、境外污染物输送叠加的共同影响，使污染加重,其中境外污染物影响相对较大。

图5 2015年3月22日08时后向轨迹分析

此外， 3月正值春节寒假过后的施工建设高峰季节，局部工地施工扬尘较大，由道路运输泼洒引起的道路扬尘较多，也是导致这次云南大范围空气质量异常变化的原因之一。综上分析，2月以来，受干暖偏西气流控制，云南大部持续晴热天气，降水偏少，空中固体颗粒物堆积较多。3月19日以后，高原南部南支波动槽东移，湿度明显上升，使空气中水汽增多，21-22日滇中以南地区由于平均风速较小，相对湿度增大，气温较高、紫外线较强，且气层较为稳定，近地层持续逆温，导致雾区增多、范围扩大，加之22日以雾的天气现象为主。另一方面，云南历年春季风大少雨，较易产生扬尘，加之属于施工高峰季节，局部工地施工扬尘较大，由道路运输泼洒引起的道路扬尘较多；此外，一些境外污染物也随着大气环流进入云南境内，导致空气中固态颗粒物聚集，可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)浓度增加，有利的天气形势和持续稳定气层条件下不易迅速扩散,是导致这次以轻雾为主的空气质量异常变化和短期空气污染的主要原因。

4 结论

(1)南支槽较活跃，因无强暖湿气流配合，多“干性”弱南支槽活动，降水偏少，多大风，没有充沛的雨水湿沉降作用，是污染物增多的主要气候背景；

(2)500 hPa云南一直处于弱高压脊区的均压场，700 hPa云南中部以东为西偏南暖湿气流，大气呈现高冷低暖，使近地边界层出现逆温层结，空气中颗粒物不断堆积，不易扩散；风速小、湿度大、逆温频率高、混合层高度低是主要的天气环流成因；

(3)从污染来源分析,空气质量下降的主要污染物是细颗粒物(PM2.5), 主要来源为地面扬尘。云南春季风大少雨，较易产生扬尘，加之正值建筑施工高峰季节，局部地区工地施工扬尘较大，由道路运输泼洒引起的道路扬尘较多，导致这次以轻雾为主的空气质量异常变化。

(4)滇西南地区用火、境外大量焚烧的固态颗粒大量进入大气，随偏南、偏西气流从高空进入云南境内，本地源排放、境外污染物输送叠加的共同影响，是导致云南大部区域空气质量下降的重要人为原因之一,境外污染物影响相对较大。

(5)为提高空气质量，需加强植树造林，增加植被覆盖率，减少地表裸露。同时，要加大建筑施工场地的管理，减少建筑施工扬尘，施工车辆要采用较好质量的燃料；并进一步加大城市道路管理，减少渣土车泼洒，通过道路洒水等措施减少道路扬尘。

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Meteorological Causes for a Wide Range of Air Pollution inYunnan Province on March 22, 2015

GUO Rongfen1, LI Chengchao1, DENG Cong2, PENG Qiyang1and XIANG Feng2

(1.YunnanMeteorologicalServiceCenter,Kunming650034,China;2.YunnanEnvironmentalMonitoringcenter,Kunming650034,China)

AnobviousprocessofpollutionweatherappearedinsomecitiesinYunnanprovincefrom18Marchto25March2015,withcharacteristicsoflongdurationandwideinfluentialrange.BasedonAQIindex,soundingdataandmeteorologicalobservationdata,themeteorologicalconditionsofthepollutionweatherandthecauseofthiswideinfluentialrangeofpollutionhadanalyzed.Resultsshowthat:ontheearlystageofthisprocess,theactivitiesofsoutherntroughwereactivethatweredryandweak,themainclimatebackgroundresultinincreasedpollutantswasthebiggerwindandlessprecipitation.Yunnanprovincelocatedinaweakhigh-pressureridgeat500hpa,andtheeastincentralYunnanprovinceflowedthewarmandmoistofsouthwestairflowat700hpa,itresultinatmospherepressureofhighcoldandlowwarm,appearedinversionlayernearboundarylayer,intheend,particulatematterpiledupintheairandnoteasytospread.Forthepollutionsourceanalysis,themainpollutantofthedeterioratedairqualitywastheparticulatematter(PM2.5).OneoftheimportanthumanfactorofthedeterioratedairqualityinmostareasinYunnanwasthemutualinfluenceofthelocalsourceemissionandtheoutsidepollutanttransport,ofwhichtheoutsidepollutantaffectrelativelylarge.

airpollution;weatherconditions;sourcesofpollution

2017-01-05

2017-03-07

2016年云南省环保专项资金“云南省城市大气臭氧污染成因调查项目”

郭荣芬(1969- )女，云南昆明人，硕士，高级工程师，主要从事气象服务. E-mail：635497857@qq.com

邓聪(1967-)，男，云南昆明人，高级工程师，研究方向为环境监测与环境工程.E-mail：522676199@qq.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.016.]

X43;X513;P642

A

1000-811X(2017)03-0091-05

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.03.016

郭荣芬,黎成超,邓聪,等. “2015·3·22”云南大范围空气污染事件气象成因分析[J]. 灾害学，2017，32(3)：91-95. [GUO Rongfen,LI Chengchao,DENG Cong,et al. Meteorological Causes for a Wide Range of Air Pollution in Yunnan Province on March 22, 2015[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(3)：91-95.