劉啟龍

(1.紅河州生態(tài)環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測中心，云南 蒙自 661100；2.紅河州生態(tài)環(huán)境科學(xué)研究所，云南 蒙自 661100)

前 言

隨著我國工業(yè)化和城鎮(zhèn)化進程的不斷加快，化石燃料的消耗和城市機動車保有量的不斷增加，我國部分城市和地區(qū)的空氣污染已從單一的煤煙型污染轉(zhuǎn)向復(fù)合型污染，以顆粒物、臭氧、本地和區(qū)域并存污染為主要特征的復(fù)合型大氣污染問題尤為突出[1～6]。目前我國大氣環(huán)境空氣質(zhì)量相關(guān)研究主要集中在京津冀、長江三角和珠江三角洲區(qū)域[7～9]。環(huán)境空氣質(zhì)量較好的云南地區(qū)近年來隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，污染物排放增加，環(huán)境空氣質(zhì)量也有所下降，紅河州地處云南省的東南部，與越南接壤，是我國面向東南亞的國家門戶，是云南省第三大經(jīng)濟體，經(jīng)濟總量和部分社會經(jīng)濟指標居全國30個少數(shù)民族自治州之首，其經(jīng)濟發(fā)展帶來的環(huán)境污染問題也不容小覷。紅河州州府所在地蒙自市位于滇南中心城市核心區(qū)，緊鄰個舊市和開遠市兩大工業(yè)城市，近年隨著蒙自國家級經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)、紅河工業(yè)園區(qū)等園區(qū)的建立，蒙自市污染物排放量大幅增長，加之區(qū)域輸送的影響，蒙自市的環(huán)境空氣質(zhì)量日趨惡化。蒙自市2019年3～4月不間斷出現(xiàn)13天輕度以上污染，2020年3～4月出現(xiàn)9天輕度以上污染，特別是2020年3月27日～4月3日連續(xù)8天輕度以上污染過程，為蒙自市有監(jiān)測記錄以來首次，造成了嚴重的社會影響。因此研究分析這次典型空氣污染事件的形成機制，了解影響蒙自市大氣污染的形成過程，為蒙自地區(qū)大氣環(huán)境質(zhì)量的管理控制提供科學(xué)依據(jù)具有十分重要的意義。

不同地區(qū)空氣污染特征、霾污染過程與形成機制研究表明：空氣污染與能見度、相對濕度、氣溫、降水、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象條件密切相關(guān)[10]。目前，蒙自市大氣污染相關(guān)的研究還集中于傳統(tǒng)的污染源來源解析分析，缺乏系統(tǒng)綜合的研究分析。本文選用2020年3～4月污染期蒙自市國控空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站的常規(guī)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)、地面氣象數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感火點監(jiān)測、HYSPLIT-4后向軌跡和SPSS皮爾遜相關(guān)性分析，探討蒙自市此次持續(xù)污染過程的形成原因。

1 材料與方法

本次研究采用2020年3～4月蒙自市污水處理廠(G1)、紅河州圖書館(G2)和紅河州環(huán)境監(jiān)測站(G3)3個國控空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站的常規(guī)空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括SO2、NO2、PM2.5、PM10、CO和O3-8h)，站點分布見圖1。氣象資料來自紅河州氣象局，主要包括溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、濕度、能見度等氣象參數(shù)，每日20∶ 00的探空資料和衛(wèi)星遙感監(jiān)測火點分布圖。大氣污染物傳輸利用美國國家海洋和大氣局(NOAA)研發(fā)的HYS PLIT-4[11]模型進行模擬分析，該模型是一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業(yè)模型[12]。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和較為完整的不同類型污染物排放源輸送、擴散和沉降模式，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個地區(qū)的傳輸和擴散研究中[13]。驅(qū)動HYSPLIT-4的氣象參數(shù)選用GADS(全球數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，Global Data Assimilation System)中2020年3～4月的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)水平分辨率2.5°×2.5°，時間分辨率為6h。蒙自市常年主導(dǎo)風(fēng)向為南風(fēng)或東南風(fēng)[14]，因此，本模擬過程軌跡終點設(shè)為蒙自市污水處理廠(G1，103°22′41″E，23°23′58″N)，設(shè)置100m、500m和1 000m這3個終點高度。

圖1 蒙自市國控空氣質(zhì)量自動監(jiān)測站點分布圖Fig.1 Spatial distribution of air quality monitoring stations in MengZi

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物質(zhì)量濃度特征

圖2為2020年3月～4月蒙自市PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3-8h和CO的濃度變化曲線。由圖知，蒙自市3月16日及3月27日～4月3日出現(xiàn)兩次以PM2.5為主要污染物的輕度污染天氣，其中3月27日至4月3日這次污染持續(xù)時間長達8天，造成嚴重社會影響。本次重點分析3月27日至4月3日這次污染特征，污染期間PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3-8h和CO的日均濃度范圍分別為77～132μg/m3、91～139μg/m3、9～14μg/m3、14～19μg/m3、95～148μg/m3和0.9～1.6mg/m3之間，PM10、SO2、NO2、O3-8h和CO濃度均在國家24h平均二級標準限值范圍內(nèi)，PM2.5濃度超過國家24h平均二級標準限值(75μg/m3)1.03～1.76倍。另外PM2.5與PM10、CO和NO2具有較好的正相關(guān)性，基本保持同步鄹的變化趨勢；SO2濃度呈無明顯規(guī)律的波動，基本保持污染前后的水平，這表明本次污染過程與工業(yè)源污染關(guān)系不大；O3-8h無明顯的變化規(guī)律。

圖2 2020年3月～4月蒙自市主要污染物濃度變化Fig.2 Concentration of major pollutants in MengZi during March - April, 2020

Zhu等[15]和周茹等[13]研究表明東南亞地區(qū)生物質(zhì)燃燒氣溶膠可以被輸送至我國西南云貴高原，對云南地區(qū)的環(huán)境空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響。而此次污染過程為春季，正值云南省及周邊東南亞區(qū)域國家的春耕期，受春耕季節(jié)大面積生物質(zhì)燃燒及東南亞西南季風(fēng)的影響[16]可能是造成此次污染的原因。一定時期內(nèi)，城市源對大氣顆粒物、態(tài)污染物的貢獻比例相對穩(wěn)定，對城市大氣污染源來說，PM、CO與SO2排放有較大相似性，其濃度存在明顯正相關(guān)[17-18]。PM2.5與SO2相關(guān)性較好，兩者比值變化平穩(wěn)，《生物質(zhì)燃燒源大氣污染物排放清單編制技術(shù)指南(試行)》[19]中給出秸稈露天焚燒SO2排放因子為0.53g/kg，PM2.5為6.9g/kg，CO為49.96g/kg，因此，生物質(zhì)焚燒時排放大量顆粒物和一氧化碳，但對SO2的貢獻較弱，當受到外生物質(zhì)燃燒輸送影響時，城市PM2.5/SO2和CO/SO2的值明顯增大。因此，在排除大規(guī)模地殼源貢獻情況下，可以用PM2.5/SO2和CO/SO2來反映生物質(zhì)燃燒對蒙自市環(huán)境空氣質(zhì)量的影響過程及程度。

圖3為2020年3月～4月蒙自市PM2.5/SO2和CO/SO2比值日均值變化曲線。由3所示，PM2.5/SO2和CO/SO2比值變化非常相似，從CO/SO2比值變化曲線來看，3～4月污染期、污染前和污染后CO/SO2比值范圍分別在90～133、21～143和20～125之間大幅度波動。并且污染前期CO/SO2比值呈上升趨勢，這說明此次污染過程是生物質(zhì)焚燒輸送污染物不斷累加造成的；后期CO/SO2比值呈下降趨勢，這說明后期生物質(zhì)焚燒強度減弱，其輸送影響也隨之減弱，污染逐漸消失；4月2日CO/SO2比值較低，其主要原因是受西南風(fēng)影響，個舊地區(qū)有色冶煉企業(yè)污染物的輸送抬高了二氧化硫的濃度。

圖3 2020年3月～4月蒙自市PM2.5/SO2和CO/SO2比值日均值變化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 污染來源分析

圖4利用HYSPLIT-4后向軌跡模式，結(jié)合GDAS數(shù)據(jù)庫中的相關(guān)資料，計算了污染過程前期3月26日、污染過程中3月29日、4月3日和污染過程后4月6日8∶ 00蒙自市上空氣流的72h后向軌跡。由圖4(a)知，污染前期100m高度氣流流經(jīng)泰國、老撾和越南后進入我國境內(nèi)最終到達蒙自；500m高度氣流由緬甸流經(jīng)云南省西雙版納州、普洱市后到達蒙自；1 000m高度氣流由緬甸流經(jīng)云南省臨滄市、普洱市后到達蒙自。由圖4(b)和(c)知，污染過程隨著時間的推進三個高度氣流的路線也在不斷發(fā)生改變，但整個污染過程1 000m高度氣流還是來自緬甸；500m高度氣流逐步由緬甸轉(zhuǎn)向老撾；100m高度氣流由老撾偏西方向轉(zhuǎn)向到偏南方向；圖4(d)為污染結(jié)束后氣流軌跡圖，3個高度氣流來源比較分散，來自不同國家，1 000m高度氣流來自緬甸，500m高度氣流來自老撾，100m高度氣流來自越南。

注：紅色為100m高度氣流軌跡；藍色為500m高度氣流軌跡；綠色為1 000m高度氣流軌跡。圖4 蒙自市上空氣流72h后向軌跡Fig.4 Backward track of air flow over Mengzi city for 72 hours

圖5給出了對應(yīng)污染前期、污染中和污染后的衛(wèi)星遙感監(jiān)測火點分布(火點從(https://worldview.earthdata.nasa.gov)網(wǎng)站中獲得)。綜合圖4和圖5可知，污染過程前期氣流流經(jīng)軌跡方向的火點分布較少，其污染物長距離傳輸量也較少；污染過程中氣流流經(jīng)軌跡區(qū)域火點明顯增加，甚至數(shù)倍于污染前期，生物質(zhì)燃燒釋放的大量污染物隨氣流傳輸進入中國境內(nèi)達到云南蒙自，從而造成持續(xù)污染；污染過程結(jié)束后，火點明顯減少，并且蒙自上空不同高度氣流軌跡已發(fā)生了較大變化，東南亞生物質(zhì)焚燒污染物輸送的影響大幅減弱。另外圖5中3月29日的火點分布圖中蒙自周邊地區(qū)也有一定的火點源，因此，在考慮外來源因素影響外，內(nèi)源影響也不能忽略。從污染過程前、中、結(jié)束后蒙自市污染物濃度變化及氣流輸送路徑可知，污染物長距離輸送對蒙自市區(qū)域空氣質(zhì)量有重要影響，但由 于后向軌跡模式HYSPLIT-4的局限性以及GDAS數(shù)據(jù)較低時間分辨率的原因，所模擬的氣流后向軌跡存在一定的不確定性。HYSPLIT-4對地勢平坦地區(qū)的氣流軌跡模擬效果較好，紅河州南部地區(qū)以丘陵為主，對100m氣流軌跡的模擬可能存在偏差，這些不確定性可能在一定程度上影響分析結(jié)果，因此有必要在以后的工作中作進一步的研究。

圖5 NASA Worldview衛(wèi)星遙感監(jiān)測火點分布Fig.5 NASA Worldview satellite image of fire spots

2.3 污染氣象條件分析

污染物的高濃度積累除了跟局地源和污染長距離輸送有關(guān)外，還與天氣系統(tǒng)及氣象條件密切相關(guān)[20～23]?；赟PSS皮爾遜相關(guān)性分析給出了各污染物與氣象參數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，見下表。結(jié)果顯示溫度、相對濕度、氣壓、降雨量和風(fēng)速是影響本次污染的主要氣象參數(shù)，其中PM2.5濃度溫度和風(fēng)速與呈正相關(guān)，因為溫度的光化學(xué)反應(yīng)的重要影響因素，溫度較高時光化學(xué)反應(yīng)加劇，利于形成二次污染，風(fēng)速越大越利于擴散。PM2.5濃度與相對濕度、氣壓和降雨量呈負相關(guān)，因為相對濕度大，顆粒物易與水蒸氣凝結(jié)成核發(fā)生濕沉降，有利于大氣污染物的去除[24]，降雨能夠沖刷污染物，降低污染物濃度。

表 2020年3月～4月各污染物與氣象參數(shù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)Tab. Pearson correlation coefficient of various pollutants and meteorological parameters in MengZi during March - April, 2020

研究表明,近地面逆溫層抑制大氣對流運動，有利于污染的出現(xiàn)和發(fā)展[25]。圖6根據(jù)紅河州氣象局提供的探空數(shù)據(jù)繪制的3月27日、29日和4月1日和3日20∶ 00的溫度對數(shù)壓力圖。由圖知，污染期受靜止鋒(弱冷空氣)影響，蒙自上空出現(xiàn)上暖下冷的逆溫層，逆溫層在近地面，且逆溫層狀態(tài)穩(wěn)定，不利于氣流的垂直運動，空氣污染難以擴散。污染期蒙自對流有效位能有一定能量但是較弱，使得垂直上升運動弱，大氣湍流作用幾乎沒有，不利于污染物在隨風(fēng)飄移過程中不斷向四周擴展，不利于將周圍清潔空氣卷入，進而導(dǎo)致污染物濃度增加，這與中央氣象臺環(huán)境氣象公報關(guān)于西南地區(qū)報到相吻合。

圖6 溫度對數(shù)壓力圖Fig.6 Temperature logarithmic pressure diagram

3 結(jié) 論

3.1 HYSPLIT-4后向軌跡模擬分析和NASS衛(wèi)星遙感監(jiān)測火點分布表明，東南亞生物質(zhì)焚燒是造成此次污染的直接原因。

3.2 火點監(jiān)測和后向軌跡分析表明。污染過程前期氣流流經(jīng)軌跡方向的火點分布較少，其污染物長距離傳輸量也較少；污染過程中氣流流經(jīng)軌跡區(qū)域火點明顯增加，甚至數(shù)倍于污染前期；污染結(jié)束后氣流軌跡發(fā)生較大變化，軌跡流經(jīng)區(qū)域火點分布明顯減少。

3.3 污染物長距離傳輸對蒙自市環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要影響。污染前期由于東南亞國家生物質(zhì)焚燒污染物的長距離輸送不斷累積，PM2.5、PM10、CO和NO2等污染物濃度急劇升高，直至3月27日PM2.5日均濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標準(GB 3095—2012)》24h平均二級標準限值(75μg/m3)。

3.4 污染期間蒙自市受靜止鋒(弱冷空氣)的影響，逆溫層在近地面且逆溫層狀態(tài)穩(wěn)定，不利于氣流的垂直運動，空氣污染難以擴散；另外蒙自對流有效位能有一定能量但是較弱，使得垂直上升運動弱，大氣湍流作用幾乎沒有，不利于污染物在隨風(fēng)飄移過程中不斷向四周擴展，不利于將周圍清潔空氣卷入，進而加劇了污染物的累積。

3.5 在外源傳輸影響無法控制前提下，要有效控制蒙自市大氣污染，必須做好內(nèi)源防控。一是做好污染天氣預(yù)判，及時啟動應(yīng)急響應(yīng)機制，夯實工業(yè)源、移動源、揚塵源等應(yīng)急減排措施；二是加強環(huán)境執(zhí)法監(jiān)管力度，堅持鐵腕治污，綜合運用按日連續(xù)處罰、查封扣押、限期停產(chǎn)等手段依法從嚴處罰環(huán)境違法行為；三是聚焦影響環(huán)境質(zhì)量的主要污染物，堅持精準治污、科學(xué)治污、依法治污，統(tǒng)籌運用源頭防控、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、末端治理等手段，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、能源結(jié)構(gòu)、交通運輸結(jié)構(gòu)調(diào)整和污染源深度治理，著力推進多污染物協(xié)同減排，大幅降低污染物排放。