云南省蒙自市2020年春季一次持续污染过程特征分析

刘启龙

(1.红河州生态环境应急监测中心，云南 蒙自 661100；2.红河州生态环境科学研究所，云南 蒙自 661100)

前 言

随着我国工业化和城镇化进程的不断加快，化石燃料的消耗和城市机动车保有量的不断增加，我国部分城市和地区的空气污染已从单一的煤烟型污染转向复合型污染，以颗粒物、臭氧、本地和区域并存污染为主要特征的复合型大气污染问题尤为突出[1～6]。目前我国大气环境空气质量相关研究主要集中在京津冀、长江三角和珠江三角洲区域[7～9]。环境空气质量较好的云南地区近年来随着工业的迅速发展，污染物排放增加，环境空气质量也有所下降，红河州地处云南省的东南部，与越南接壤，是我国面向东南亚的国家门户，是云南省第三大经济体，经济总量和部分社会经济指标居全国30个少数民族自治州之首，其经济发展带来的环境污染问题也不容小觑。红河州州府所在地蒙自市位于滇南中心城市核心区，紧邻个旧市和开远市两大工业城市，近年随着蒙自国家级经济技术开发区、红河工业园区等园区的建立，蒙自市污染物排放量大幅增长，加之区域输送的影响，蒙自市的环境空气质量日趋恶化。蒙自市2019年3～4月不间断出现13天轻度以上污染，2020年3～4月出现9天轻度以上污染，特别是2020年3月27日～4月3日连续8天轻度以上污染过程，为蒙自市有监测记录以来首次，造成了严重的社会影响。因此研究分析这次典型空气污染事件的形成机制，了解影响蒙自市大气污染的形成过程，为蒙自地区大气环境质量的管理控制提供科学依据具有十分重要的意义。

不同地区空气污染特征、霾污染过程与形成机制研究表明：空气污染与能见度、相对湿度、气温、降水、风向、风速等气象条件密切相关[10]。目前，蒙自市大气污染相关的研究还集中于传统的污染源来源解析分析，缺乏系统综合的研究分析。本文选用2020年3～4月污染期蒙自市国控空气质量自动监测站的常规空气质量监测数据、地面气象数据、探空数据、卫星遥感火点监测、HYSPLIT-4后向轨迹和SPSS皮尔逊相关性分析，探讨蒙自市此次持续污染过程的形成原因。

1 材料与方法

本次研究采用2020年3～4月蒙自市污水处理厂(G1)、红河州图书馆(G2)和红河州环境监测站(G3)3个国控空气质量自动监测站的常规空气质量监测数据(包括SO2、NO2、PM2.5、PM10、CO和O3-8h)，站点分布见图1。气象资料来自红河州气象局，主要包括温度、风速、风向、湿度、能见度等气象参数，每日20∶ 00的探空资料和卫星遥感监测火点分布图。大气污染物传输利用美国国家海洋和大气局(NOAA)研发的HYS PLIT-4[11]模型进行模拟分析，该模型是一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型[12]。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和较为完整的不同类型污染物排放源输送、扩散和沉降模式，已经被广泛地应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散研究中[13]。驱动HYSPLIT-4的气象参数选用GADS(全球数据同化系统，Global Data Assimilation System)中2020年3～4月的数据，数据水平分辨率2.5°×2.5°，时间分辨率为6h。蒙自市常年主导风向为南风或东南风[14]，因此，本模拟过程轨迹终点设为蒙自市污水处理厂(G1，103°22′41″E，23°23′58″N)，设置100m、500m和1 000m这3个终点高度。

图1 蒙自市国控空气质量自动监测站点分布图Fig.1 Spatial distribution of air quality monitoring stations in MengZi

2 结果与分析

2.1 污染物质量浓度特征

图2为2020年3月～4月蒙自市PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3-8h和CO的浓度变化曲线。由图知，蒙自市3月16日及3月27日～4月3日出现两次以PM2.5为主要污染物的轻度污染天气，其中3月27日至4月3日这次污染持续时间长达8天，造成严重社会影响。本次重点分析3月27日至4月3日这次污染特征，污染期间PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3-8h和CO的日均浓度范围分别为77～132μg/m3、91～139μg/m3、9～14μg/m3、14～19μg/m3、95～148μg/m3和0.9～1.6mg/m3之间，PM10、SO2、NO2、O3-8h和CO浓度均在国家24h平均二级标准限值范围内，PM2.5浓度超过国家24h平均二级标准限值(75μg/m3)1.03～1.76倍。另外PM2.5与PM10、CO和NO2具有较好的正相关性，基本保持同步鄹的变化趋势；SO2浓度呈无明显规律的波动，基本保持污染前后的水平，这表明本次污染过程与工业源污染关系不大；O3-8h无明显的变化规律。

图2 2020年3月～4月蒙自市主要污染物浓度变化Fig.2 Concentration of major pollutants in MengZi during March - April, 2020

Zhu等[15]和周茹等[13]研究表明东南亚地区生物质燃烧气溶胶可以被输送至我国西南云贵高原，对云南地区的环境空气质量产生影响。而此次污染过程为春季，正值云南省及周边东南亚区域国家的春耕期，受春耕季节大面积生物质燃烧及东南亚西南季风的影响[16]可能是造成此次污染的原因。一定时期内，城市源对大气颗粒物、态污染物的贡献比例相对稳定，对城市大气污染源来说，PM、CO与SO2排放有较大相似性，其浓度存在明显正相关[17-18]。PM2.5与SO2相关性较好，两者比值变化平稳，《生物质燃烧源大气污染物排放清单编制技术指南(试行)》[19]中给出秸秆露天焚烧SO2排放因子为0.53g/kg，PM2.5为6.9g/kg，CO为49.96g/kg，因此，生物质焚烧时排放大量颗粒物和一氧化碳，但对SO2的贡献较弱，当受到外生物质燃烧输送影响时，城市PM2.5/SO2和CO/SO2的值明显增大。因此，在排除大规模地壳源贡献情况下，可以用PM2.5/SO2和CO/SO2来反映生物质燃烧对蒙自市环境空气质量的影响过程及程度。

图3为2020年3月～4月蒙自市PM2.5/SO2和CO/SO2比值日均值变化曲线。由3所示，PM2.5/SO2和CO/SO2比值变化非常相似，从CO/SO2比值变化曲线来看，3～4月污染期、污染前和污染后CO/SO2比值范围分别在90～133、21～143和20～125之间大幅度波动。并且污染前期CO/SO2比值呈上升趋势，这说明此次污染过程是生物质焚烧输送污染物不断累加造成的；后期CO/SO2比值呈下降趋势，这说明后期生物质焚烧强度减弱，其输送影响也随之减弱，污染逐渐消失；4月2日CO/SO2比值较低，其主要原因是受西南风影响，个旧地区有色冶炼企业污染物的输送抬高了二氧化硫的浓度。

图3 2020年3月～4月蒙自市PM2.5/SO2和CO/SO2比值日均值变化Fig.3 Variations of the daily mean values of PM2.5/SO2 ratio and CO/SO2 ratio in MengZi during March - April, 2020

2.2 污染来源分析

图4利用HYSPLIT-4后向轨迹模式，结合GDAS数据库中的相关资料，计算了污染过程前期3月26日、污染过程中3月29日、4月3日和污染过程后4月6日8∶ 00蒙自市上空气流的72h后向轨迹。由图4(a)知，污染前期100m高度气流流经泰国、老挝和越南后进入我国境内最终到达蒙自；500m高度气流由缅甸流经云南省西双版纳州、普洱市后到达蒙自；1 000m高度气流由缅甸流经云南省临沧市、普洱市后到达蒙自。由图4(b)和(c)知，污染过程随着时间的推进三个高度气流的路线也在不断发生改变，但整个污染过程1 000m高度气流还是来自缅甸；500m高度气流逐步由缅甸转向老挝；100m高度气流由老挝偏西方向转向到偏南方向；图4(d)为污染结束后气流轨迹图，3个高度气流来源比较分散，来自不同国家，1 000m高度气流来自缅甸，500m高度气流来自老挝，100m高度气流来自越南。

注：红色为100m高度气流轨迹；蓝色为500m高度气流轨迹；绿色为1 000m高度气流轨迹。图4 蒙自市上空气流72h后向轨迹Fig.4 Backward track of air flow over Mengzi city for 72 hours

图5给出了对应污染前期、污染中和污染后的卫星遥感监测火点分布(火点从(https://worldview.earthdata.nasa.gov)网站中获得)。综合图4和图5可知，污染过程前期气流流经轨迹方向的火点分布较少，其污染物长距离传输量也较少；污染过程中气流流经轨迹区域火点明显增加，甚至数倍于污染前期，生物质燃烧释放的大量污染物随气流传输进入中国境内达到云南蒙自，从而造成持续污染；污染过程结束后，火点明显减少，并且蒙自上空不同高度气流轨迹已发生了较大变化，东南亚生物质焚烧污染物输送的影响大幅减弱。另外图5中3月29日的火点分布图中蒙自周边地区也有一定的火点源，因此，在考虑外来源因素影响外，内源影响也不能忽略。从污染过程前、中、结束后蒙自市污染物浓度变化及气流输送路径可知，污染物长距离输送对蒙自市区域空气质量有重要影响，但由 于后向轨迹模式HYSPLIT-4的局限性以及GDAS数据较低时间分辨率的原因，所模拟的气流后向轨迹存在一定的不确定性。HYSPLIT-4对地势平坦地区的气流轨迹模拟效果较好，红河州南部地区以丘陵为主，对100m气流轨迹的模拟可能存在偏差，这些不确定性可能在一定程度上影响分析结果，因此有必要在以后的工作中作进一步的研究。

图5 NASA Worldview卫星遥感监测火点分布Fig.5 NASA Worldview satellite image of fire spots

2.3 污染气象条件分析

污染物的高浓度积累除了跟局地源和污染长距离输送有关外，还与天气系统及气象条件密切相关[20～23]。基于SPSS皮尔逊相关性分析给出了各污染物与气象参数的皮尔逊相关系数，见下表。结果显示温度、相对湿度、气压、降雨量和风速是影响本次污染的主要气象参数，其中PM2.5浓度温度和风速与呈正相关，因为温度的光化学反应的重要影响因素，温度较高时光化学反应加剧，利于形成二次污染，风速越大越利于扩散。PM2.5浓度与相对湿度、气压和降雨量呈负相关，因为相对湿度大，颗粒物易与水蒸气凝结成核发生湿沉降，有利于大气污染物的去除[24]，降雨能够冲刷污染物，降低污染物浓度。

表 2020年3月～4月各污染物与气象参数的皮尔逊相关系数Tab. Pearson correlation coefficient of various pollutants and meteorological parameters in MengZi during March - April, 2020

研究表明,近地面逆温层抑制大气对流运动，有利于污染的出现和发展[25]。图6根据红河州气象局提供的探空数据绘制的3月27日、29日和4月1日和3日20∶ 00的温度对数压力图。由图知，污染期受静止锋(弱冷空气)影响，蒙自上空出现上暖下冷的逆温层，逆温层在近地面，且逆温层状态稳定，不利于气流的垂直运动，空气污染难以扩散。污染期蒙自对流有效位能有一定能量但是较弱，使得垂直上升运动弱，大气湍流作用几乎没有，不利于污染物在随风飘移过程中不断向四周扩展，不利于将周围清洁空气卷入，进而导致污染物浓度增加，这与中央气象台环境气象公报关于西南地区报到相吻合。

图6 温度对数压力图Fig.6 Temperature logarithmic pressure diagram

3 结 论

3.1 HYSPLIT-4后向轨迹模拟分析和NASS卫星遥感监测火点分布表明，东南亚生物质焚烧是造成此次污染的直接原因。

3.2 火点监测和后向轨迹分析表明。污染过程前期气流流经轨迹方向的火点分布较少，其污染物长距离传输量也较少；污染过程中气流流经轨迹区域火点明显增加，甚至数倍于污染前期；污染结束后气流轨迹发生较大变化，轨迹流经区域火点分布明显减少。

3.3 污染物长距离传输对蒙自市环境空气质量具有重要影响。污染前期由于东南亚国家生物质焚烧污染物的长距离输送不断累积，PM2.5、PM10、CO和NO2等污染物浓度急剧升高，直至3月27日PM2.5日均浓度超过《环境空气质量标准(GB 3095—2012)》24h平均二级标准限值(75μg/m3)。

3.4 污染期间蒙自市受静止锋(弱冷空气)的影响，逆温层在近地面且逆温层状态稳定，不利于气流的垂直运动，空气污染难以扩散；另外蒙自对流有效位能有一定能量但是较弱，使得垂直上升运动弱，大气湍流作用几乎没有，不利于污染物在随风飘移过程中不断向四周扩展，不利于将周围清洁空气卷入，进而加剧了污染物的累积。

3.5 在外源传输影响无法控制前提下，要有效控制蒙自市大气污染，必须做好内源防控。一是做好污染天气预判，及时启动应急响应机制，夯实工业源、移动源、扬尘源等应急减排措施；二是加强环境执法监管力度，坚持铁腕治污，综合运用按日连续处罚、查封扣押、限期停产等手段依法从严处罚环境违法行为；三是聚焦影响环境质量的主要污染物，坚持精准治污、科学治污、依法治污，统筹运用源头防控、结构优化、末端治理等手段，推动产业结构、能源结构、交通运输结构调整和污染源深度治理，着力推进多污染物协同减排，大幅降低污染物排放。