郭榮芬,黎成超,鄧 聰,彭啟洋,向 峰

(1.云南省氣象服務(wù)中心，云南 昆明 650034；2.云南省環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650034)

“2015·3·22”云南大范圍空氣污染事件氣象成因分析*

郭榮芬1,黎成超1,鄧 聰2,彭啟洋1,向 峰2

(1.云南省氣象服務(wù)中心，云南 昆明 650034；2.云南省環(huán)境監(jiān)測中心，云南 昆明 650034)

2015年3月18-22日,云南省多個州市先后出現(xiàn)一次明顯的污染天氣過程, 此次天氣過程持續(xù)時間長、影響范圍廣。利用同期AQI指數(shù)、探空資料及常規(guī)氣象觀測資料等, 分析此次污染天氣事件的氣象條件和出現(xiàn)持續(xù)大范圍污染過程的成因。結(jié)果表明：過程前期,南支槽較活躍，多為“干性”弱南支槽活動，降水偏少，多大風，是污染物增多的主要氣候背景；500 hPa云南一直處于弱高壓脊區(qū)的均壓場，700 hPa云南中部以東為西偏南暖濕氣流，大氣呈現(xiàn)高冷低暖，使近地邊界層出現(xiàn)逆溫層結(jié)，空氣中顆粒物不斷堆積且不易擴散；從污染源分析，空氣質(zhì)量下降的主要污染物是細顆粒物(PM2.5)，本地源排放、境外污染物輸送疊加的共同影響，是導(dǎo)致云南大部區(qū)域空氣質(zhì)量下降的重要人為原因之一,境外污染物影響相對較大。

空氣污染；AQI指數(shù)；PM2.5；氣象條件；氣象成因；污染源；云南

云南處于欠發(fā)達地區(qū)，重工業(yè)較少，加上得天獨厚的地理和氣候條件，大部地區(qū)生態(tài)環(huán)境和空氣質(zhì)量較好。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)能力的不斷提升，國家“一帶一路”、長江經(jīng)濟帶等重大發(fā)展戰(zhàn)略和一系列重大政策的實施，云南工業(yè)化進程不斷加快。2014年，云南汽車保有量排名在全國排第11位，一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)、氮氧化物(NOx)、顆粒物(PM)排放量均排在全國中等靠前水平。能源消耗過程中向大氣中持續(xù)排放的物質(zhì)數(shù)量越來越多，種類也愈趨復(fù)雜，云南大氣環(huán)境污染問題越發(fā)凸顯，空氣污染已經(jīng)成為政府和公眾非常關(guān)心的問題之一。相關(guān)研究表明，顆粒物污染在春季和秋冬季節(jié)高，并容易發(fā)生重污染過程，而春季空氣污染主要與風沙天氣有關(guān)，秋冬季節(jié)則與穩(wěn)定性天氣出現(xiàn)頻率增強有關(guān)[1-4]。

2015年3月18-22日，云南多個州市空氣質(zhì)量先后出現(xiàn)明顯下降，特別是22日云南省會昆明全天天空渾濁，大氣透明度差、能見度低，給人們身體健康、交通及生態(tài)環(huán)境等造成一定影響。公眾對此眾說紛紜，輿論一片質(zhì)疑。

針對這次空氣污染事件，本文利用2015年3月18-25日云南省空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、同期常規(guī)地面氣象觀測資料及探空資料，從氣候背景、氣象條件、污染源情況等分析造成此次污染事件的成因，為進一步認識云南空氣污染天氣過程的特點、來源，并為今后提高此類天氣事件的預(yù)報預(yù)警能力，提供重要參考依據(jù)。

1 污染過程概況

按照污染源的上風方區(qū)域和污染較為明顯的地區(qū)，從云南16個州市挑選具有代表性的6個站點，分析2015年3月18-25日空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的變化(圖1)。AQI指數(shù)分為6個等級： 0～50為一級(優(yōu))；51～100為二級(良)；101～150為三級(輕度污染)；151～200為四級(中度污染)；201～300為五級(重度污染)；大于300為6級(嚴重污染)。由前期分析可知，自2015年3月18日開始，云南出現(xiàn)空氣污染的州市個數(shù)呈上升趨勢：18日2個(普洱、西雙版納輕度污染)；19日3個(普洱、西雙版納、文山)；20日5個(普洱、西雙版納、德宏、文山、紅河輕度污染)；21日5個(普洱、臨滄、西雙版納、文山、紅河輕度污染)；到22日，云南出現(xiàn)空氣污染州市上升至9個，波及全省大部地區(qū)，空氣污染州市數(shù)量超過了全省半數(shù)(9/16)，具體為:昆明、曲靖、玉溪、保山、臨滄、德宏和怒江為輕度污染；滇西南的西雙版納為中度污染，AQI日均值為158；普洱為重度污染，AQI日均值達205。首要污染物除德宏州為臭氧8h滑動平均外，其余城市均為細顆粒物PM2.5。23日隨著冷空氣自東向西進入云南，與東移南支系統(tǒng)暖濕水汽結(jié)合，云南自東向西出現(xiàn)80站次小雨、4站次大雨的全省性降水過程，致使污染物在短時間內(nèi)迅速消散；至25日，全省空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)為優(yōu)良(圖1)。

圖1 2015年3月18-25日云南部分州市站點AQI指數(shù)變化

2 天氣成因分析

2.1 天氣氣候背景

天氣形勢從根本上決定了氣象要素的分布和變化, 從而決定了大氣的擴散能力與大氣的穩(wěn)定程度。對一個地區(qū)而言, 污染源的變化在短時間內(nèi)是相對穩(wěn)定的，在這種情況下，污染物濃度的高低變化主要取決于大氣的擴散能力[5]。

云南地處低緯高原，四季不分明，主要表現(xiàn)為干、雨兩季，一般5月-10月為雨季，11月-4月為干季，雨季降水量占全年80%左右，而干季降水不到20%。在干季，云南盛行來自亞洲西南部干熱的西風氣流，多晴朗少云，風高物燥天氣，日照反而比夏季還多，太陽輻射相對較強。據(jù)2015年2-3月云南氣候統(tǒng)計看，全省大部氣溫偏高，降水分布不均，總體偏少，日照大部地區(qū)正常至偏多。此次污染事件前期，在降水總體偏少的氣候背景下，沒有充沛的雨水濕沉降作用。

3月23-27日南支槽與冷氣流配合較好，造成了云南大范圍地區(qū)降溫降雨天氣，中南部地區(qū)還出現(xiàn)了局地冰雹、雷電、短時大風等強對流天氣，從而使云南空氣質(zhì)量迅速轉(zhuǎn)好。南支槽以冬半年(12月至次年5月)出現(xiàn)最為頻繁，當南支槽與強冷空氣結(jié)合，則可造成大范圍降溫降雨(雪)天氣。據(jù)研究[6]，南支槽10月在孟加拉灣北部建立，冬季(11月至次年2月)加強，春季(3-5月)活躍。因此對于冬半年受西風帶干燥氣流控制的云南，南支槽是產(chǎn)生降水和大風冰雹的主要天氣系統(tǒng)。經(jīng)統(tǒng)計南支槽波動影響云南的情況，2015年2月5次，3月4次，相較于氣候平均概率看，常年2月南支槽影響云南平均2.8次，3月平均2.6次，因此2015年2、3月南支槽出現(xiàn)頻率均超過歷史平均值，屬于較活躍期，但因無強暖濕氣流配合，多為“干性”弱南支槽活動，即降水偏少，多大風。

2.2 天氣形勢分析

分析此次云南空氣污染過程的500 hPa、700 hPa和850 hPa天氣形勢以及地面天氣形勢(圖2)。發(fā)現(xiàn)3月18～21日過程期間，500 hPa形勢場上北半球亞歐中高緯為緯向環(huán)流控制，冷空氣偏北，云南一直處于弱高壓脊區(qū)，氣壓為均壓場。700 hPa云南中部以東為西偏南暖濕氣流，云南多晴熱無降水天氣。大氣呈現(xiàn)高冷低暖的形勢，近地邊界層容易出現(xiàn)逆溫層結(jié)，空氣中顆粒物不斷堆積，不易擴散。

圖2 500 hPa高空環(huán)流形勢

22日08時，500 hPa亞歐中高緯度貝-巴間大氣環(huán)流經(jīng)向度加大，東亞大槽開始加深，冷空氣堆積增強，并有-44℃冷中心配合。同時，低緯度位于兩廣、福建一帶的副熱帶高壓北界開始南退到南海20°N附近，孟灣北部95°E附近的南支槽加深加強，云南大部由西偏北氣流轉(zhuǎn)為南支槽前暖濕的西偏南氣流影響。同時，700 hPa低槽位于100°E，云南中部及以東轉(zhuǎn)為槽前西南氣流。20時，700 hPa風速≥12 m/s的西南急流帶位于滇東北-滇西南，全省溫度-露點差迅速降低；850 hPa上伴隨華北冷空氣南下，在滇中附近形成溫度鋒區(qū)，地面形成弱冷鋒，使冷空氣自東北向西南滲入云南，冷暖氣流結(jié)合；22日20時至23日20時天氣實況顯示，云南中部以東出現(xiàn)小雨局部中雨天氣。23日，500 hPa南支槽東移過滇中，700 hPa轉(zhuǎn)為偏東南氣流，冷空氣加強進入滇中，云南降水范圍進一步擴大且強度加強，中部以東以南出現(xiàn)中雨以上量級降水。大量降水沖刷的濕沉降作用，清除了大氣中渾濁顆粒物，云南大部空氣質(zhì)量23日開始逐漸轉(zhuǎn)好。

綜上所述，在3月23日較強南支槽與冷空氣結(jié)合影響云南的天氣過程之前，在上述天氣氣候背景下，容易使大氣中聚集大量塵埃，顆粒物濃度較高；當相對濕度增大到一定程度，風力減弱時，可使3月18-22日期間云南部分州市空氣混濁，空氣質(zhì)量下降，并在22日達到峰值； 3月23日后隨著大范圍降水影響，大氣顆粒物沉降，空氣質(zhì)量轉(zhuǎn)好。

2.3 氣象要素變化特征

進入2月份以來，受干暖偏西氣流控制，云南大部地區(qū)無有效性降水，并一直持續(xù)晴熱天氣，滇中及以南地區(qū)風速較大，相對濕度較低。選取昆明、文山、思茅和景洪站為代表站，分析逐日平均風速、相對濕度和最高氣溫變化，可知從20日開始，隨著高原南部南支波動槽東移，滇中及以南地區(qū)中低層氣流偏南分量加大，相對濕度開始明顯上升，同時風速減小。滇中的昆明站日平均相對濕度一直在40%以下，但17日開始明顯增大，22日達到峰值59.2%。20-22日日平均風速在3 m/s左右，平均風速相較于前3 d明顯減小,21日風速減小到最低值1.9 m/s；日最高氣溫18-22日一直維持在25～26℃。滇西南思茅站18日開始日平均風速緩慢下降，到22日降到最低值0.8 m/s,日平均相對濕度18日緩慢上升，21-22日陡增至70%；最高氣溫18-22日維持在30℃附近。景洪站17日開始風速開始減小并維持在0.8～1.0m/s；相對濕度自16日開始持續(xù)增大，22日達到峰值69.7%。 總體來說，在天氣系統(tǒng)影響下, 此次污染過程中的主要氣象要素表現(xiàn)為風速小、濕度大、逆溫頻率高、混合層高度低等特點。

2.4 穩(wěn)定度特征

霧霾天氣發(fā)生在邊界層內(nèi),逆溫是大氣中某一高度范圍內(nèi)的氣溫隨高度增加而升高或不變的現(xiàn)象[8]，在有逆溫的情況下,大氣層結(jié)比較穩(wěn)定,從而抑制大氣中的垂直運動和湍流交換,阻礙空氣中水汽、煙塵和其他污染物的垂直輸送和水平擴散，有利于云霧和霾的形成,使能見度減小。分析19-22日昆明和普洱站的tlogP圖可知，自19日開始，滇中及以南地區(qū)近地層均出現(xiàn)持續(xù)逆溫，近地邊界層氣層較穩(wěn)定(圖3)。長時間逆溫存在,抑制了垂直方向的對流,污染物不易在垂直方向擴散，導(dǎo)致前期進入空氣中的固態(tài)顆粒物聚集。

圖3 2015年3月22日08時昆明、普洱站TlogP圖

2.5 紫外線強度變化

紫外線輻射強度的變化是除太陽高度角、平流層臭氧、太陽總輻射、云量云狀、水汽等之外，近地層大氣污染的重要影響因素[9-11]。

分析2015年2月22日-3月22日昆明測站的紫外線強度變化(圖4)。由于晴朗無云，昆明自2月以來一直持續(xù)5級紫外線最高強度，最大輻射強度達60.8 W/m2，平均輻射強度40 W/m2,3月20日達到峰值43.5 W/m2。持續(xù)的高溫和強紫外線照射，在光化學(xué)作用下，導(dǎo)致空氣中臭氧離子增多，加劇空氣中固體顆粒物的形成和增多。

圖4 2015年2月22日-3月22日昆明紫外線強度變化(單位：W/m2)

3 人為原因

除了氣象因素的影響，工廠排放化學(xué)物、汽車尾氣增多、農(nóng)作物燃燒和燒煤等人為行為，都會引發(fā)大氣中顆粒物含量加大，是霧霾天氣形成的重要原因。

3.1 后向軌跡分析

云南地處我國西南紅土高原，山地面積94%，是少數(shù)民族眾多聚居地。首先,居住在山區(qū)的少數(shù)民族還延續(xù)著刀耕火種的生產(chǎn)方式, 燒灰積肥的現(xiàn)象很普遍。其次, 節(jié)日慶典、祭祀等民俗用火習慣, 形成了較多的森林火災(zāi)隱患，刀耕火種是部分身居高山少數(shù)民族的傳統(tǒng)耕作方法。此外，與云南毗鄰的緬甸、老撾、越南三國,也是以刀耕火種傳統(tǒng)農(nóng)耕方式的農(nóng)業(yè)國家。每年2-3月正是春耕春播的農(nóng)忙時期，因此用火頻繁，不僅對云南境內(nèi)森林資源火險隱患構(gòu)成威脅，大量焚燒的固態(tài)顆粒大量進入大氣，隨著偏南、偏西氣流從高空進入云南境內(nèi)，是導(dǎo)致云南部分區(qū)域空氣質(zhì)量下降的重要人為原因之一。

采用由美國國家海洋和大氣局(NOAA)等開發(fā)的供質(zhì)點軌跡、擴散及沉降分析用的HYSPLIT 軌跡模式-4進行氣流來向軌跡模擬。該模式平流和擴散計算采用Lagrangian法,通常用來跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動方向,具有多種氣象輸入場、物理過程和不同類型排放源,且擁有較完整的輸送、擴散和沉降過程, 可進行分辨率最高精確到小時的氣流來向及去向軌跡模擬，國內(nèi)目前主要將該模式用于污染過程的分析[12-15]。本文以昆明為代表站，分析了2015年3月22日08時不同高度氣團前72 h逐小時的后向軌跡(圖5)，可以得知，從19日08時至22日08時，昆明受到偏西氣流和西南氣流的影響最大，這與盛行風向有一定關(guān)系，軌跡路徑分析得知，昆明受到了上風方滇西南污染源、境外污染物輸送疊加的共同影響，使污染加重,其中境外污染物影響相對較大。

圖5 2015年3月22日08時后向軌跡分析

此外， 3月正值春節(jié)寒假過后的施工建設(shè)高峰季節(jié)，局部工地施工揚塵較大，由道路運輸潑灑引起的道路揚塵較多，也是導(dǎo)致這次云南大范圍空氣質(zhì)量異常變化的原因之一。綜上分析，2月以來，受干暖偏西氣流控制，云南大部持續(xù)晴熱天氣，降水偏少，空中固體顆粒物堆積較多。3月19日以后，高原南部南支波動槽東移，濕度明顯上升，使空氣中水汽增多，21-22日滇中以南地區(qū)由于平均風速較小，相對濕度增大，氣溫較高、紫外線較強，且氣層較為穩(wěn)定，近地層持續(xù)逆溫，導(dǎo)致霧區(qū)增多、范圍擴大，加之22日以霧的天氣現(xiàn)象為主。另一方面，云南歷年春季風大少雨，較易產(chǎn)生揚塵，加之屬于施工高峰季節(jié)，局部工地施工揚塵較大，由道路運輸潑灑引起的道路揚塵較多；此外，一些境外污染物也隨著大氣環(huán)流進入云南境內(nèi)，導(dǎo)致空氣中固態(tài)顆粒物聚集，可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)濃度增加，有利的天氣形勢和持續(xù)穩(wěn)定氣層條件下不易迅速擴散,是導(dǎo)致這次以輕霧為主的空氣質(zhì)量異常變化和短期空氣污染的主要原因。

4 結(jié)論

(1)南支槽較活躍，因無強暖濕氣流配合，多“干性”弱南支槽活動，降水偏少，多大風，沒有充沛的雨水濕沉降作用，是污染物增多的主要氣候背景；

(2)500 hPa云南一直處于弱高壓脊區(qū)的均壓場，700 hPa云南中部以東為西偏南暖濕氣流，大氣呈現(xiàn)高冷低暖，使近地邊界層出現(xiàn)逆溫層結(jié)，空氣中顆粒物不斷堆積，不易擴散；風速小、濕度大、逆溫頻率高、混合層高度低是主要的天氣環(huán)流成因；

(3)從污染來源分析,空氣質(zhì)量下降的主要污染物是細顆粒物(PM2.5), 主要來源為地面揚塵。云南春季風大少雨，較易產(chǎn)生揚塵，加之正值建筑施工高峰季節(jié)，局部地區(qū)工地施工揚塵較大，由道路運輸潑灑引起的道路揚塵較多，導(dǎo)致這次以輕霧為主的空氣質(zhì)量異常變化。

(4)滇西南地區(qū)用火、境外大量焚燒的固態(tài)顆粒大量進入大氣，隨偏南、偏西氣流從高空進入云南境內(nèi)，本地源排放、境外污染物輸送疊加的共同影響，是導(dǎo)致云南大部區(qū)域空氣質(zhì)量下降的重要人為原因之一,境外污染物影響相對較大。

(5)為提高空氣質(zhì)量，需加強植樹造林，增加植被覆蓋率，減少地表裸露。同時，要加大建筑施工場地的管理，減少建筑施工揚塵，施工車輛要采用較好質(zhì)量的燃料；并進一步加大城市道路管理，減少渣土車潑灑，通過道路灑水等措施減少道路揚塵。

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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年云南省環(huán)保專項資金“云南省城市大氣臭氧污染成因調(diào)查項目”

郭榮芬(1969- )女，云南昆明人，碩士，高級工程師，主要從事氣象服務(wù). E-mail：635497857@qq.com

鄧聰(1967-)，男，云南昆明人，高級工程師，研究方向為環(huán)境監(jiān)測與環(huán)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

郭榮芬,黎成超,鄧聰,等. “2015·3·22”云南大范圍空氣污染事件氣象成因分析[J]. 災(zāi)害學(xué)，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.