曹國軍 李嘉昕 趙鳳君 舒立福 葉江霞

(1.西南林業(yè)大學(xué) 昆明 650224； 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所國家林草局森林保護(hù)學(xué)重點開放性實驗室 北京 100091)

在野火失去控制成為災(zāi)害造成重大生態(tài)與經(jīng)濟(jì)損失得到關(guān)注的同時(Stevens-Rumannetal.， 2019； Abatzoglouetal.， 2019； Forkeletal.， 2019)，人們也逐漸認(rèn)識到野火是重要的生態(tài)過程，有調(diào)節(jié)生物體性狀、種群大小、群落組成結(jié)構(gòu)及生態(tài)系統(tǒng)功能的作用(McLauchlanetal.， 2020)。國際上常采用計劃燒除(prescribed burning)來管理野外土地，即在一定可控范圍下人為使用弱度火，有計劃地對林下可燃物進(jìn)行燒除，以減少可燃物載量、降低森林火災(zāi)和病蟲害發(fā)生的可能，促進(jìn)火依賴的動植物的繁育與更新等，它是森林經(jīng)營的重要措施。長期以來計劃燒除在北美被認(rèn)為是管理非商業(yè)性可燃物及植被的最為經(jīng)濟(jì)有效的手段，被廣泛應(yīng)用于國家森林和國家公園土地管理中(Stambaughetal.， 2017； Liuetal.， 2009)，我國于20世紀(jì)80年代開始在林地管理中實施計劃燒除(王蘭新等， 2015)?，F(xiàn)有研究表明計劃燒除可有效減少林下可燃物載量，從而降低野火發(fā)生風(fēng)險，但計劃燒除過程中因地表生物質(zhì)燃燒會產(chǎn)生大量有害物質(zhì)，包括一氧化碳、多環(huán)芳烴、二氧化硫、氮氧化物、醛酮類化合物和煙塵顆粒物(PM)等(柯華兵等， 2020)，經(jīng)過大氣傳輸與沉降，會極大地影響近地表空氣質(zhì)量，特別是PM2.5(空氣動力直徑≤2.5μm的顆粒物)(Huetal.， 2008)。高質(zhì)量濃度的PM2.5不僅降低能見度，影響出行安全，甚至嚴(yán)重威脅人類健康(胡婧等， 2007)，這一問題已經(jīng)引起環(huán)保部門及社會關(guān)注(閆想想等， 2020)。國外已有學(xué)者初步探索了計劃燒除煙塵對空氣質(zhì)量的影響規(guī)律(Goodricketal.， 2013； Draxleretal.， 2015； Zhaoetal.， 2020)，而國內(nèi)對這一問題關(guān)注較少，特別是對計劃燒除煙塵排放量、傳輸過程及其如何影響空氣質(zhì)量的定量分析。

云南是我國森林火災(zāi)高發(fā)多發(fā)區(qū)(Yeetal.， 2017)，特別是人口集中、社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對較好的滇中地區(qū)。該區(qū)域內(nèi)森林以鄉(xiāng)土樹種云南松(Pinusyunnanensis)分布為主，其面積占全省森林的52%，蓄積占全省有林地的32%(胡宗華， 2017； 陳劍等， 2021)。由于云南松生長更新迅速，每年產(chǎn)生大量枯落物，嚴(yán)重影響林地生產(chǎn)力，加之當(dāng)?shù)丶撅L(fēng)氣候、連年高溫少雨，使云南松林具有極大的火災(zāi)隱患，是我國計劃燒除的重點對象，在20世紀(jì)末就有對云南松計劃燒除的研究(馬志貴等， 1998； 王秋華等， 2018)。云南省多地每年11月至翌年2月集中實施計劃燒除，如2019年2月間滇中多地進(jìn)行了大規(guī)模云南松林計劃燒除，而與此同時昆明市主城區(qū)地面空氣質(zhì)量連日下降，主要污染物PM2.5超過國家空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)75μg·m-3，達(dá)到輕度污染。城市空氣質(zhì)量下降是否與周邊云南松林計劃燒除有關(guān)，計劃燒除點的煙塵中含有多少有害物質(zhì)，其產(chǎn)生的煙塵如何進(jìn)行傳輸，以及程度影響空氣質(zhì)量的程度這些問題都值得定量研究。

本研究以2019年2月云南省玉溪市峨山縣與新平縣云南松計劃燒除林分為對象，通過樣地調(diào)查、載量評估、煙塵排放計算及時空擴(kuò)散過程模擬，分析下風(fēng)口城市PM2.5模擬擴(kuò)散值與地面監(jiān)測值的定量關(guān)系，揭示計劃燒除煙塵對下風(fēng)向城市空氣質(zhì)量的影響，為指導(dǎo)科學(xué)合理的計劃燒除、煙塵管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

玉溪市新平縣與峨山縣位于云南省中部地區(qū)，與昆明市相距約90 km，位于昆明市西南方向，地處哀牢山中段(101°16′30″—102°37′E，23°38′15″—24°32′N),主要地形為河谷地帶，土壤類型以紅壤為主，森林面積分別為32.04萬hm2和13.2萬hm2，森林覆蓋率分別達(dá)64.6%和68.4%，主要林分類型為云南松林，起源為天然林。區(qū)域內(nèi)日照時間與無霜期較長，降水量較少，屬亞熱帶高原季風(fēng)氣候，冬春季受來自大陸高壓前部的偏東氣流或經(jīng)過青藏高原南側(cè)的西風(fēng)氣流的影響，其來風(fēng)向主要為東北向。由于云南松屬暖性針葉樹種，林下枯落松針堆積，屬易燃性高可燃物，加之冬春季干旱少雨，使得這一區(qū)域成為滇中高火險地區(qū)，是云南省實施計劃燒除的重點地區(qū)，也是歷年來計劃燒除的代表性林分。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

2.1.1 氣象資料 煙塵的擴(kuò)散和沉降與氣象條件密切相關(guān)。利用NOAA的全球資料同化系統(tǒng)(global data assimilation system，GDAS)美國國家環(huán)境預(yù)測中心(national center of environment prediction，NCEP)的氣象數(shù)據(jù)，其中包括6 h一次的再分析資料、3 h 一次的預(yù)報資料，該數(shù)據(jù)在垂直方向分為21層，有溫度、經(jīng)向風(fēng)、緯向風(fēng)、濕度以及垂直速度等數(shù)據(jù)。NCEPGDAS數(shù)據(jù)把全球插值成1°×1°正形投影地圖，從2005年1月—2019年2月，每7天保存一文件，每月更新，每月按5個星期進(jìn)行保存(ftp:∥arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/)。下載覆蓋研究區(qū)計劃燒除時間點2019年2月11—14日的氣象資料。

2.1.2 地面空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù) 地面空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)反映近地表空氣質(zhì)量，來自空氣質(zhì)量監(jiān)測平臺真氣網(wǎng)(https:∥www.zq12369.com/)，該平臺是一個空氣質(zhì)量情況實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)服務(wù)工具，利用國家級地面監(jiān)測站點提供面向公眾及應(yīng)用的空氣質(zhì)量環(huán)境大數(shù)據(jù)服務(wù)，主要監(jiān)測數(shù)據(jù)有PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO、O3。借助該平臺查詢并整理研究區(qū)主要城市昆明市2019年2月11—14日間逐時PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測值。

2.1.3 遙感數(shù)據(jù) 為觀測及評估模擬煙塵擴(kuò)散格局，選取我國第一顆地球靜止軌道高分辨率對地觀測衛(wèi)星——高分四號，該衛(wèi)星提供了50 m空間分辨率的可見光近紅外多光譜(PMS)及400 m的中紅外(IRS)波段數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)因較好的空間分辨率及高溫敏感性，對熱異常及地物動態(tài)變化監(jiān)測，特別是林火煙塵，具有重要應(yīng)用前景(覃先林等， 2018)。選取2019年2月11日17時的多光譜數(shù)據(jù)，并對影像進(jìn)行幾何精糾正及多波段合成處理。其他行政界線、地名點等數(shù)據(jù)采用非涉密的基礎(chǔ)地理信息資料。

2.2 可燃物載量評估

據(jù)地方林草部門資料， 2019年2月11—14日間新平縣和峨山縣實施了大規(guī)模的云南松林計劃燒除，為準(zhǔn)確獲取計劃燒除點地表可燃物載量，對計劃燒除已燒區(qū)域和未燒除區(qū)域的云南松林分進(jìn)行野外調(diào)查。將云南松林下可燃物分為腐殖質(zhì)層和地表死可燃物，地表死可燃物根據(jù)其大小、燃燒時滯分為4類，分類標(biāo)準(zhǔn)見表1。根據(jù)計劃燒除林分的特點，選取典型樣點，分別在峨山縣小街鎮(zhèn)、新平縣嘎灑鎮(zhèn)和老廠鄉(xiāng)云南松林分中設(shè)置3個10 m×10 m的未燒除云南松樣點。樣點1為云南松純林，起源為天然林，平均胸徑12cm，郁閉度為0.65，林下灌草覆蓋，土層厚。樣點2為云南松與櫟(Quercusacutissima)類天然混交林，平均胸徑16cm，郁閉度達(dá)0.70，林下灌草及枯枝落葉覆蓋較多，土層厚度中等。樣點3為云南松與萌生櫟天然混交林，胸徑僅6cm，郁閉度為0.60，林下草本覆蓋較豐富，土層較薄。分別記錄每個樣地內(nèi)優(yōu)勢樹種、樹高、胸徑等。根據(jù)表1中可燃物大小分別在樣地內(nèi)收集10 h、100 h燃燒時滯的可燃物并稱取總質(zhì)量，分別選取鮮質(zhì)量200 g樣品帶回備用； 對大于100 h燃燒時滯的可燃物單獨拾取，測量其直徑、長度、腐朽程度并取鮮質(zhì)量300 g樣品。然后在樣地內(nèi)四個角點及中心點設(shè)置5個0.2 m×0.2 m小樣方，先將小樣方內(nèi)1 h燃燒時滯的可燃物測量厚度并收集樣品稱取總鮮質(zhì)量，再對小樣方人工挖掘土壤剖面、測量腐殖質(zhì)厚度并收集樣品稱鮮質(zhì)量，分別取1 h燃燒時滯的可燃物和腐殖質(zhì)各100 g樣品帶回備用。

表1 可燃物載量調(diào)查分層標(biāo)準(zhǔn)表

將野外調(diào)查所取樣品帶回實驗室，放入105℃恒溫烘箱內(nèi)24 h烘干得到干質(zhì)量，計算測定云南松林分下各類可燃物載量，以及對比已燒除與未燒除樣地，計算燃燒率。

2.3 煙塵排放量計算

煙塵定量分析是探究計劃燒除林分煙塵排放及對空氣質(zhì)量影響的關(guān)鍵，由于生物質(zhì)燃燒釋放的煙塵成分非常復(fù)雜，定量化建模也極為困難(Larkinetal.， 2010)，研究借助美國林務(wù)局(U.S Forest Service, USFS)的火研究評估軟件工具BlueSky。該工具通過一系列的建模過程，以極為靈活的方式解決可燃物類型及其載量的燃燒和排放量，可用于煙塵模擬及林地計劃燒除管理決策支持，已成為全美日常野火煙氣預(yù)報的重要工具(Larkinetal.， 2010； Zhaoetal.， 2020)。BlueSky工具對煙塵研究的系列過程是完全模塊化的，用戶可以通過BlueSky Playground 3.0自定義運行。對估計煙塵釋放量，只需要輸入火的基本信息，如規(guī)模(面積)和地點(緯度和經(jīng)度)，而其他可燃物信息可默認(rèn)設(shè)置或根據(jù)具體情況自定義輸入。為獲取更準(zhǔn)確的排放量信息，利用實地野外可燃物樣地調(diào)查及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)對可燃物類型、載量、濕度及燃燒效率進(jìn)行自定義，作為模擬煙氣排放量的輸入。

2.4 煙塵模擬

煙塵模擬借助HYSPLIT(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory model，混合單粒子拉格朗日綜合軌跡模型)進(jìn)行。該工具是由美國大氣海洋局(National Oceanic Administration，NOAA)和澳大利亞氣象局共同研發(fā)、用于粒子擴(kuò)散軌跡及沉降分析的軟件工具，在預(yù)測野火煙塵、大氣污染物、火山灰和過敏原的傳輸擴(kuò)散軌跡和沉降中應(yīng)用廣泛(Draxleretal.， 1998； Morozetal.， 2010； Maetal.， 2020； Irajietal.， 2020； 劉灝等， 2021； Vinogradovaetal.， 2021)。HYSPLIT具有前向和后向運算的模式，本研究對煙塵污染進(jìn)行擴(kuò)散模擬，采用前向模式，基于歐拉-拉格朗日模型，粒子平流擴(kuò)散采用拉格朗日方法，即通過粒子的初始起始點位置P(t)和推算起始點P′(t+Δt)的平均速率，從而計算得出最終所在位置。

推算起始點：

P′(t+Δt)=P(t)+V(P,t)Δt。

(1)

最終所在位置：

P(t+Δt)=P(t)+0.5[V(P,t)+V(P′,t+Δt)]Δt。

(2)

式中：P′(t+Δt)為煙塵粒子抬升后推算起始位置；P(t)為初始起始點位置；V(P，t)為初始位置的速度向量；V為粒子運動速度；t為起始時間；Δt為時間步長；V(P′,t+Δt)為推算起始點的速度向量；P(t+Δt)為一定時間后煙塵所在位置。

氣象數(shù)據(jù)格式在水平坐標(biāo)保持不變，但在垂直方向與普通算法不同，會根據(jù)坐標(biāo)而內(nèi)插到地形中：

(3)

式中：σ為地形坐標(biāo)；Ztop為模式坐標(biāo)頂部，Zgl為地形高度，Zmsl為模式坐標(biāo)下邊界高度。

2.5 煙塵擴(kuò)散格局分析

選取昆明市區(qū)內(nèi)呈貢新區(qū)、東風(fēng)東路、龍泉鎮(zhèn)、金鼎山4個國家級空氣質(zhì)量監(jiān)測點，以近地面監(jiān)測及模擬的PM2.5值為例，分析煙塵的擴(kuò)散傳輸格局。提取逐小時HYSPLIT模擬PM2.5質(zhì)量濃度值，考慮到常規(guī)空氣中仍存在一定量的PM2.5，將計劃燒除前一周的空氣中PM2.5進(jìn)行平均得到各監(jiān)測點空氣質(zhì)量基礎(chǔ)量，加上HYSPLIT模擬值，得到各監(jiān)測點的模擬擴(kuò)散煙塵觀測值。通過同步的PM2.5監(jiān)測值與模擬值數(shù)值大小及動態(tài)格局對比分析，結(jié)合研究區(qū)域地理環(huán)境因子，揭示煙塵擴(kuò)散的規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 可燃物載量和PM2.5排放量

根據(jù)野外樣地調(diào)查及室內(nèi)烘干試驗，評估了各樣點的可燃物載量(表2)?？梢?個樣點的可燃物載量差異較大，樣點1、2、3的載量分別為63.422，57.902 和27.943 t·hm-2。各樣點涵蓋了不同燃燒時滯的可燃物類型，且腐殖質(zhì)載量最高。因各樣點的腐殖質(zhì)厚度、林分密度及優(yōu)勢樹種胸徑的差異，導(dǎo)致3個樣點載量差異較大。樣點1、2、3的腐殖質(zhì)厚度分別為4、3、1.5cm，載量(占地表可燃物總載量的比例)分別為56.89(89.7%)、45.06(77.82%)和22.52 t·hm-2(80.59%)。其次主要為1 h時滯的細(xì)小可燃物，約占10%。另外，樣點中包括了一些10 h時滯的中等大小的死可燃物，其占比平均達(dá)到6.6%； 而超過100 h時滯的粗大可燃物幾乎不涉及。

Bluesky計算的2月11日至14日云南松林下計劃燒除的PM2.5排放量見表3。分別對3個樣點計算了每1 000 hm2的PM2.5排放量(圖1)，可見腐殖質(zhì)的排放量遠(yuǎn)大于其他時滯的可燃物，1 h和10 h可燃物次之，10 h和大于100 h的可燃物排放量幾乎沒有。可以看出，PM2.5排放量大小不僅與燒除面積有關(guān)，還與不同時滯的可燃物載量有關(guān)。

表2 可燃物載量估算

表3 2月11日至14日計劃燒除PM2.5排放量

圖1 3個樣點每1 000 hm2可燃物的PM2.5排放量

3.2 模擬煙塵擴(kuò)散及動態(tài)格局

3.2.1 模擬參數(shù)設(shè)置 在模擬中，選取計劃燒除面積較大區(qū)域為當(dāng)日模擬的空間起始點； 起始時間根據(jù)實際計劃燒除的開始時間設(shè)置，為當(dāng)日北京時間12： 00，經(jīng)過多次與衛(wèi)星影像對比，垂直方向選取100 m為煙塵初始高度，時間步長為1 h，總時長為24 h，由HYSPLIT輸出各時段模擬煙塵的矢量格式。選取2019年2月11日17時云南省部分地區(qū)同時間的高分四號衛(wèi)星影像與該時段模擬結(jié)果示意圖進(jìn)行可視化疊加對比，以驗證HYSPLIT模式參數(shù)設(shè)置及煙塵模擬效果。由圖2可見，衛(wèi)星影像中煙塵已擴(kuò)散至昆明境內(nèi)，通過HYSPLIT模擬的煙塵傳輸擴(kuò)散的起點位置相同，模擬的煙塵輪廓與高分四號衛(wèi)星影像中煙塵的擴(kuò)散范圍基本一致，表明模擬擴(kuò)散軌跡與當(dāng)日計劃燒除所排放煙塵運動軌跡基本匹配，反映了計劃燒除煙塵傳輸模擬參數(shù)設(shè)置的有效性及模擬結(jié)果的正確性。

3.2.2 煙塵時空傳輸動態(tài)格局 借助ArcGIS，疊加行政界線及地名點基礎(chǔ)地理信息，模擬的PM2.5質(zhì)量濃度依據(jù)中國《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行分級劃分： 0～35μg·m-3(優(yōu))、35～75μg·m-3(良)、75～115μg·m-3(輕度污染)、115～150μg·m-3(中度污染)、150～250μg·m-3(重度污染)，對大于250μg·m-3(嚴(yán)重污染)進(jìn)行細(xì)化，制作PM2.5的傳輸擴(kuò)散專題可視化地圖。

圖2 高分四號影像與模擬輪廓疊加對比示意圖

圖3 模擬2月11日煙塵擴(kuò)散格局

在2月11日，根據(jù)計劃燒除調(diào)查資料設(shè)置模擬起始點，一個煙塵從模擬點進(jìn)行空間傳輸移動(圖3a)，此時PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到污染值(大于75μg·m-3)面積為41 396 hm2，占總擴(kuò)散面積的75%。受西南風(fēng)影響，煙塵向東北方向傳輸擴(kuò)散，煙塵擴(kuò)散經(jīng)過玉溪市但并未擴(kuò)散至玉溪市區(qū)內(nèi)，以330 993.17 hm2·h-1的擴(kuò)散速度在16時由西南方向擴(kuò)散進(jìn)入昆明市區(qū)內(nèi)(圖3b)，繼而向東北方向曲靖市擴(kuò)散，并于22時在昆明市區(qū)內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度分布范圍達(dá)到最大(圖3c)； 隨著時間推移，PM2.5質(zhì)量濃度因在空間擴(kuò)散范圍增加并因稀釋而降低(圖3c、3 d)。由圖3可知，模擬時段計劃燒除釋放的PM2.5主要影響區(qū)域為玉溪市、昆明市和曲靖市，影響最嚴(yán)重的為昆明市，市區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大面積75～115μg·m-3(橙色)的輕度污染、115～150μg·m-3(紅色)的中度污染以及零星斑塊的150～250μg·m-3(玫紅色)的重度污染。

圖4 模擬的2月12日煙塵擴(kuò)散格局

在2月12日，新平縣與峨山縣同時進(jìn)行計劃燒除，故設(shè)置2個模擬起始點，煙塵從模擬點進(jìn)行空間傳輸移動(圖4a)，在14時第2個煙塵以111 178.75 hm2·h-1的速度擴(kuò)散至第1個煙塵的模擬起始點，隨后2個煙塵融合一并向東北方向擴(kuò)散移動(圖4b)。在16時以594 440.34 hm2·h-1的速度同時擴(kuò)散至玉溪及昆明市內(nèi)，并隨后向東北偏東向擴(kuò)散(圖4c)。23時昆明市區(qū)內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度呈階梯分布，其中呈貢區(qū)影響較為嚴(yán)重，PM2.5質(zhì)量濃度在35～400μg·m-3均有分布，其中35～75μg·m-3(良)面積為9 463.34 hm2，75～115μg·m-3(輕度污染)面積為8 953.45 hm2，115～150μg·m-3(中度污染)面積為4 410.8 hm2，大于150μg·m-3(中度污染)面積為2 975.87 hm2，市區(qū)內(nèi)其他區(qū)域主要為0～35μg·m-3(優(yōu)，圖4 d)。2月12日擴(kuò)散至玉溪與曲靖市區(qū)內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度主要為0～35μg·m-3(優(yōu))，而在23點后風(fēng)向由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為南向風(fēng)，煙塵擴(kuò)散軌跡逐漸向正北方向移動(圖4e、4f)。

圖5 模擬2月13日煙塵擴(kuò)散格局

在2月13日，模擬起始點和煙塵數(shù)與上相同(如圖5a)，但由于2月13日計劃燒除面積較大，PM2.5排放量遠(yuǎn)大于12日。峨山縣的煙塵點在12時至18時向東向擴(kuò)散移動，并在18時以197 889.44 hm2·h-1的速度傳輸?shù)竭_(dá)昆明市區(qū)。而新平縣的煙塵點沿東北偏東向，以277 880.82 hm2·h-1的速度擴(kuò)散至玉溪市區(qū)，在當(dāng)日18時，2個煙塵在空間上疊合(圖5a、5b)。隨后，峨山的煙塵于當(dāng)日19時開始向東北方向擴(kuò)散，往昆明市區(qū)大量輸送，并在23時分布最廣，使昆明市區(qū)的PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)0～250μg·m-3，大于75μg·m-3的面積為79 151.38 hm2(圖5c、5 d、5e)，于2月14日03時擴(kuò)散至曲靖市區(qū)內(nèi)(圖5f)?？傮w看，峨山煙塵影響的主要地區(qū)是昆明市和曲靖市，新平煙塵擴(kuò)散的主要影響范圍是玉溪市，其次是昆明市。

在2月14日，新平縣與峨山縣計劃燒除點位置如圖6a。于當(dāng)日15時,2個煙塵擴(kuò)散重合，且同時對玉溪市區(qū)產(chǎn)生影響(圖6b)，隨時間推移至昆明市區(qū)時間為當(dāng)日20時，在2月15日04時分布范圍最廣(圖 6c、6d)。2月14日，在4天模擬期間內(nèi)計劃燒除面積和PM2.5排放量最少，2個煙塵主要影響地區(qū)為玉溪市，對昆明市和曲靖市影響較小，3個市區(qū)內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度值主要范圍為0～35μg·m-3(綠色)。

圖6 模擬2月14日煙塵擴(kuò)散格局

3.3 地面空氣監(jiān)測與擴(kuò)散模擬相關(guān)性

將2月11—14日昆明市區(qū)內(nèi)PM2.5近地面質(zhì)量濃度監(jiān)測值與HYSPLIT模式模擬值時間動態(tài)進(jìn)行散點圖分析(圖7)，從數(shù)值上看模擬值與監(jiān)測值有所差異，但將二者繪制散點圖發(fā)現(xiàn)，基本呈線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.787 43。確定系數(shù)達(dá)到0.78743，相關(guān)很強，但模擬值總體上小于監(jiān)測值。

進(jìn)一步分析2月11—14日地面監(jiān)測PM2.5質(zhì)量濃度與模擬質(zhì)量濃度，監(jiān)測值與模擬值在時間動態(tài)變化格局上極為相似(圖8)。2月11日，可見模擬值和監(jiān)測值的逐時變化趨勢較接近，且量級一致，但監(jiān)測的峰值比模擬峰值出現(xiàn)滯后。在2月12日和13日，PM2.5質(zhì)量濃度模擬值在達(dá)到峰值后下降，監(jiān)測峰值也存在滯后，于次日凌晨出現(xiàn)且持續(xù)時間較長，與模擬值存在一定誤差，監(jiān)測峰值均大于75μg·m-3，達(dá)到輕度污染。在2月11日至2月14日的模擬中，發(fā)現(xiàn)模擬的PM2.5峰值稍大于監(jiān)測值，監(jiān)測值在某段時間下降速率較快，此時段的模擬值大于監(jiān)測值。

PM2.5模擬值與監(jiān)測值相比存在滯后現(xiàn)象，是由于PM2.5的模擬經(jīng)過上升傳輸擴(kuò)散，而監(jiān)測數(shù)據(jù)的PM2.5值是在近地面50 m，雖然PM2.5已擴(kuò)散至該地區(qū)，但并未沉降。模擬值與監(jiān)測值的差異是由于白天氣象因素影響PM2.5的擴(kuò)散，例如： 風(fēng)速、溫度、濕度以及水蒸氣的蒸發(fā)等。而夜晚凌晨后風(fēng)速變小、濕度變大，特別是清晨水汽凝結(jié)，導(dǎo)致上層PM2.5加速沉降，故監(jiān)測值較大(曹瑩瑩， 2016； 崔芬萍， 2017)。另外拉格朗日的計算也存在一定誤差(15%～30%)(張鈺伊等， 2016)。

圖7 PM2.5質(zhì)量濃度的模擬值與監(jiān)測值對比

圖8 PM2.5模擬值與監(jiān)測值的變化過程

4 討論

本文利用地面PM2.5監(jiān)測數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)和計劃燒除資料等，結(jié)合HYSPLIT前向模式，從模擬計劃燒除所釋放的PM2.5的輸送路徑和質(zhì)量濃度時空變化，以及計劃燒除對空氣質(zhì)量影響方面，分析了2月11—14日計劃燒除釋放PM2.5的過程。

4.1 可燃物載量

本研究模擬的云南松林計劃燒除區(qū)域，可燃物總載量平均值達(dá)到49.8 t·hm-2，其中腐殖質(zhì)占比82.7%，時滯1、10、100與大于100 h的總和為8.3 t·hm-2。這與王秋華等(2018)采用收獲法稱取可燃物分析滇中地區(qū)新平縣云南松純林的可燃物載量結(jié)果基本一致，但低于本研究的總載量，其中除腐殖質(zhì)外其他類型可燃物載量基本相同，其主要原因是采集的可燃物類型為松針凋落物、松針、蕨類，與本研究設(shè)置的可燃物類型不同，從而造成本研究計算的可燃物總載量較大。造成可燃物載量差異的因素眾多，主要因素為海拔和坡度等立地因子，林分密度與優(yōu)勢樹種的大小是控制地表死可燃物載量的重要林分因子，其與可燃物載量呈正相關(guān)。

4.2 影響煙塵傳輸?shù)囊?/h3>

根據(jù)2月12日13： 00—13日12： 00每小時煙塵傳輸?shù)臄U(kuò)散面積，得到煙塵傳輸速度，結(jié)合真氣網(wǎng)獲取該時段風(fēng)速數(shù)據(jù)。可以得出煙塵傳輸速度在12日17： 00達(dá)到第1個峰值，在之后4 h內(nèi)速度陡降，在12日21： 00至翌日上午7： 00傳輸速度變化幅度較小，但在7： 00后又一次陡升，最大峰值出現(xiàn)在13日11： 00。在12日15時之前，風(fēng)速在3～4級波動，之后出現(xiàn)一次陡降，在23： 00至翌日09時維持在2級風(fēng)，之后陡升并在13日11時達(dá)到峰值風(fēng)速。可見風(fēng)速與煙塵傳輸速度趨勢基本一致，表明煙塵傳輸速度與風(fēng)速呈正相關(guān)。

煙塵在12日21時至次日07時傳輸速度出現(xiàn)小幅度變化，此時風(fēng)速保持穩(wěn)定，進(jìn)一步分析影響煙塵傳輸速度的其他因素，特別是地形地貌要素及其微地形格局。如曲靖市地處烏蒙山脈，地形復(fù)雜，兩山之間存在微氣候(峽谷效應(yīng))，使小范圍內(nèi)風(fēng)速產(chǎn)生變化，進(jìn)一步影響煙塵的傳輸擴(kuò)散，凌晨山地晝夜溫差較大，溫度降低、壓強減小，風(fēng)速也會隨之產(chǎn)生變化。地形、高度、溫度等因素會對風(fēng)速產(chǎn)生影響(Mcvicaretal.， 2010； Wuetal.， 2018)，且城市建設(shè)和土地利用變化會導(dǎo)致地表粗糙，并使風(fēng)速降低(李艷等， 2008)，這些因素都會間接影響煙塵傳輸速度。

4.3 煙塵模擬結(jié)果

研究模擬的主要城市煙塵中PM2.5平均質(zhì)量濃度值總體上達(dá)到44μg·m-3，大于地面監(jiān)測值，這與Pouliot等(2017)對2016年11月14日亞特蘭大RRF模擬的PM2.5質(zhì)量濃度為20μg·m-3并小于實際觀測值的結(jié)果不一致。這是由于他們使用的火災(zāi)排放數(shù)據(jù)來自美國國家大氣研究中心(NCAR)的野火調(diào)查數(shù)據(jù)，在美國東南部的可燃物載量估計中，腐殖質(zhì)的載量并不包含在內(nèi)，這使得模擬的PM2.5值較小。而本研究模擬的煙塵質(zhì)量濃度中，腐殖質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙塵最多，這與Zhao等(2020)在美國佐治亞州的2016年 Rough Ridge Fire研究中分析不同可燃物對煙塵的貢獻(xiàn)率得出的結(jié)果一致。本研究的計劃燒除主要燃燒物為地表可燃物，為了進(jìn)一步分析地表可燃物對于煙塵中PM2.5的影響，將可燃物根據(jù)不同燃燒時滯分為4層，并將腐殖質(zhì)單獨作為一類，這利于更精確地估計森林可燃物燃燒的排放煙塵。此外，本研究對煙塵時空格局進(jìn)行了逐小時模擬，但由于研究區(qū)域較小，觀察的影響范圍主要是周圍城市，對不同燃燒時滯可燃物的煙塵貢獻(xiàn)分析不夠詳盡。

4.4 影響煙塵擴(kuò)散的精度

氣象數(shù)據(jù)作為模擬煙塵時空格局的必要因素，其數(shù)據(jù)精度也影響模擬精確性，本研究選取了NOAA的NCEP的氣象數(shù)據(jù)產(chǎn)品，精度為1°×1°，其模擬的計劃燒除煙塵空間擴(kuò)散距離約為500 km，這對于較小尺度的煙塵擴(kuò)散研究，特別是山地地形效應(yīng)、立體氣候明顯的區(qū)域，氣象數(shù)據(jù)的精度明顯影響模擬結(jié)果的精確性。研究利用更精細(xì)的氣象因子，如國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)產(chǎn)品，并分析其與HYSPLIT模式兼容格式，是提高模擬精度的方向。另外，本研究僅關(guān)注了滇中玉溪市新平縣與峨山縣計劃燒除的煙塵排放，這一時段是否還存在其他生物質(zhì)燃燒或污染事件，也會造成監(jiān)測值與模擬值的偏差。最后，拉格朗日模型的計算本身存在一定誤差。

4.5 減緩煙塵影響的建議

計劃燒除煙塵中污染物的排放量取決于可燃物載量及燃燒面積，傳輸擴(kuò)散的軌跡與分布受風(fēng)的影響較大，溫度和濕度是PM2.5在沉降過程中的重要影響因素。適當(dāng)?shù)目刂朴媱潫娣e、風(fēng)速小的天氣、控制溫度與濕度，是減緩排放污染物的重要手段。

通過鏈接計劃燒除的火災(zāi)信息、可燃物載量、火災(zāi)消耗、火災(zāi)排放和煙塵擴(kuò)散模型，基于過去氣象因素(與當(dāng)日氣象條件相似)和當(dāng)前煙塵排放信息，對突發(fā)性森林火災(zāi)所產(chǎn)生的煙塵進(jìn)行模擬，可以有效預(yù)測煙塵的傳輸軌跡與格局，從而通過人為的增加濕度等措施減緩煙塵擴(kuò)散(加速沉降)，從而降低其對城市和人口密集區(qū)域空氣質(zhì)量的影響，從而減少對人類危害。

5 結(jié)論

本研究以云南松林分計劃燒除釋放的PM2.5為例，通過對可燃物樣地調(diào)查、載量評估、BlueSky煙塵排放量計算及HYSPLIT煙塵模擬擴(kuò)散，分析其對傳輸通道下風(fēng)向城市空氣質(zhì)量的影響，定量揭示了森林計劃燒除對空氣質(zhì)量的影響，利于指導(dǎo)林火管理和污染預(yù)警。研究得出如下結(jié)論：

1) 計劃燒除煙塵排放量與可燃物載量及燒除面積正相關(guān)，腐殖質(zhì)層越厚、載量越大，煙塵排放越多。

2) 森林計劃燒除對煙塵傳輸通道下方城市的空氣質(zhì)量具有明顯影響，但具有一定滯后性。計劃燒除在有效減少可燃物載量、降低森林火險的同時，其燃燒釋放的煙塵會明顯降低傳輸通道下方城市的空氣質(zhì)量，但由于煙塵的空間抬升、擴(kuò)散及沉降，使得計劃燒除對空氣質(zhì)量的影響具有一定的時間滯后性。

3) 進(jìn)行計劃燒除前的煙塵污染定量評估與預(yù)警可有效減緩計劃燒除煙塵危害。考慮計劃燒除煙塵排放的污染及對擴(kuò)散通道下空氣質(zhì)量的影響，有必要進(jìn)行計劃燒除前的煙塵污染定量預(yù)報、評估和預(yù)警，以指導(dǎo)選擇合適的燒除時間和控制每日計劃燒除面積，以消除或減緩對周邊空氣質(zhì)量及居民健康的不利影響，同時發(fā)揮森林計劃燒除的減災(zāi)和生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用。