云南省一次典型空氣污染過程分析

萬普娟, 朱 翔,, 王 健, 向 峰, 邱 飛, 潘春梅

(1.云南師范大學(xué) 地理學(xué)部,云南 昆明 650500; 2.云南省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心,云南 昆明 650034)

0 引 言

世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)曾經(jīng)發(fā)布相關(guān)報(bào)告,有約700萬人在2012年死于空氣污染,其中有260萬人死于戶外空氣污染;有330萬人因室內(nèi)空氣污染死亡[1]。空氣污染的問題受到了越來越多的關(guān)注。除了人為排放源,污染物跨界傳輸也是造成污染的重要原因[2]。對(duì)此,許多學(xué)者做了大量的研究,文獻(xiàn)[2-5]分別研究了成都市、淮南市、上海市、攀枝花市的外來污染源;文獻(xiàn)[6-8]研究結(jié)果表明釜山、威尼斯、曼谷城區(qū)及其郊區(qū)的污染與污染物長(zhǎng)距離輸送有關(guān)。

云南省環(huán)境空氣質(zhì)量總體較好,但部分時(shí)段污染天氣隱患依然持續(xù)存在,根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,2015—2018年間出現(xiàn)污染天氣429 d,其中414 d為輕度污染,占96.5%;中度污染共計(jì)14 d,占比較小,為3.3%;重度污染僅1 d,出現(xiàn)于2015年,未出現(xiàn)過嚴(yán)重污染的天氣[9]。

目前對(duì)于云南省空氣污染的研究更多的是分析污染過程的水平時(shí)空特征、污染物與氣象要素的相關(guān)性、天氣背景形勢(shì)[10-11]等,但是對(duì)于污染物跨界傳輸方面研究的內(nèi)容較少。云南省的地理位置具有一定特殊性,與周邊多個(gè)東南亞國家接壤,包括緬甸、越南以及老撾,同時(shí)受東南季風(fēng)以及西南季風(fēng)兩大因素控制,在低層偏西風(fēng)作用下,有利于污染物傳輸,云南省的空氣質(zhì)量不僅受到本地排放的影響,也受到東南半島國家的傳輸影響[12-13]。

本文選取一次典型污染過程,對(duì)云南省各地理區(qū)環(huán)境空氣常規(guī)污染物演變特征進(jìn)行分析,結(jié)合云南和中南半島主要國家氣溶膠變化趨勢(shì)和火點(diǎn)監(jiān)測(cè)分布情況,利用后向軌跡模型等分析方法對(duì)該地區(qū)污染成因進(jìn)行探究,旨在為環(huán)境空氣質(zhì)量改善及決策提供技術(shù)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與研究區(qū)

本文根據(jù)云南省的地形、地貌、海拔以及環(huán)境監(jiān)測(cè)站點(diǎn)分布等因素,將云南省16個(gè)州(市)劃分為以下5個(gè)地理區(qū):滇中地理區(qū)包括3個(gè)州(市)、滇西北地理區(qū)包括4個(gè)州(市)、滇西南地理區(qū)包括5個(gè)州(市)、滇東北地理區(qū)包括2個(gè)州(市)、滇東南地理區(qū)包括2個(gè)州(市)，具體地理區(qū)劃分見表1所列。研究時(shí)段內(nèi)各地理區(qū)的日均環(huán)境空氣質(zhì)量常規(guī)6項(xiàng)污染物指標(biāo)和昆明市PM2.5小時(shí)值均來自國家環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)城市站數(shù)據(jù)。后向軌跡模式使用的氣象資料采用美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的全球數(shù)據(jù)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Global Data Assimilation System,GDAS)氣象數(shù)據(jù)。對(duì)于云南及中南半島5個(gè)國家的氣溶膠數(shù)據(jù)和火點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分別在美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)的LADSWEB數(shù)據(jù)中心、FIRM-Fire Map數(shù)據(jù)中心下載獲取。

表1 云南省各地理區(qū)劃分

1.2 后向軌跡方法

在HYSPLIT(hybrid single-patricle Lagrangian intergrated trajectory)模式的實(shí)際應(yīng)用中,其主要作用是對(duì)大氣污染物的輸送情況以及擴(kuò)散過程軌跡特征進(jìn)行分析,能夠?qū)鈭F(tuán)軌跡進(jìn)行計(jì)算分析,同時(shí)還可對(duì)擴(kuò)散形式、沉積狀態(tài)進(jìn)行模擬[14]。HYSPLIT模式是澳大利亞氣象局和美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)協(xié)作共同研發(fā)的,在軟件開發(fā)中,Roland Draxler至關(guān)重要[15]。本文利用 HYSPLIT 模式和ArcGIS 技術(shù)結(jié)合的MeteoInfo軟件中的插件TrajStat[14],對(duì)后向軌跡聚類、潛在源貢獻(xiàn)因子(potential source contribution function,PSCF)、濃度權(quán)重軌跡(concentration weighted trajectory,CWT)進(jìn)行分析。其中,PSCF法是一種假設(shè),在氣團(tuán)移動(dòng)過程中,若運(yùn)動(dòng)軌跡停留時(shí)間存在于某個(gè)網(wǎng)格中,則在這種情況下,氣團(tuán)即可接收到來自該區(qū)域的排放,當(dāng)傳輸完成后,即可對(duì)接收點(diǎn)濃度形成貢獻(xiàn)。另外,在CWT法的應(yīng)用中,首先對(duì)軌跡權(quán)重濃度進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算,然后再對(duì)各個(gè)網(wǎng)格平均權(quán)重濃度進(jìn)行計(jì)算[4]。

1.3 氣溶膠反演方法

大氣中的氣溶膠粒子是空氣中的主要污染物[16],通常衡量氣溶膠濃度大小采用光學(xué)厚度(aerosol optical depth,AOD),是指在計(jì)算輻射傳輸時(shí),單位截面面積上吸收和散射物質(zhì)產(chǎn)生的總衰減。氣溶膠反演方法采用暗像元方法(dense dark vegetation,DDV),或稱濃密植被法,是由Kaufman和Sendra在反演稠密植被上空氣溶膠光學(xué)厚度的過程中所創(chuàng)建的[17]。在可見光中,藍(lán)光波段的波長(zhǎng)在0.40～0.48 μm之間,而紅光波段的波長(zhǎng)在0.60～0.68 μm之間,其反射率在多數(shù)陸地表面上較低,因此能夠通過歸一化植被指數(shù)或通過植物在中紅外光(2.1 μm)的吸收能力較強(qiáng)的特征,作為暗像元區(qū)域的判斷方式,再利用一定的關(guān)系假設(shè),獲取到在可見光區(qū)域范圍內(nèi),所有像元的地表反射率數(shù)據(jù),完成反演AOD的過程[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物質(zhì)量濃度變化情況

根據(jù)文獻(xiàn)[19]對(duì)16個(gè)州(市)政府所在地城市空氣質(zhì)量指數(shù)(air quality index,AQI)日?qǐng)?bào)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),4月1日滇西南的思茅區(qū)和景洪市AQI分別為172和186,達(dá)到中度污染,滇中的昆明市和紅塔區(qū)、滇東南地理區(qū)(文山市和蒙自市)、滇西南的臨翔區(qū)達(dá)到輕度污染,除瀘水市無數(shù)據(jù)外其余城市空氣質(zhì)量均為良;4月2—6日,景洪市出現(xiàn)4 d輕度污染,其余城市空氣質(zhì)量以良為主,優(yōu)的天數(shù)較少。此次污染影響范圍較大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

為了進(jìn)一步探究污染原因,對(duì)氣體污染物和顆粒物質(zhì)量濃度進(jìn)行了分析,結(jié)果如圖1所示。

圖1 云南省各地理區(qū)PM2.5、PM10、SO2、NO2、CO質(zhì)量濃度

由圖1可知,滇中、滇東南和滇西南的各項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度較高,其中滇中地理區(qū)、滇西南地理區(qū)的PM2.5日均值超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),滇東南地理區(qū)PM10、PM2.5和O38 h日均值均超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn),5個(gè)地理區(qū)的SO2、NO2和CO質(zhì)量濃度在研究期內(nèi)均低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值。此次污染較為嚴(yán)重的區(qū)域是滇中、滇東南和滇西南,超標(biāo)污染物主要是PM2.5,其次是O3和PM10。滇西南和滇東南PM2.5和PM10質(zhì)量濃度比其他地理區(qū)高,而滇東北和滇西北總體較低。此次污染呈現(xiàn)出多污染物復(fù)合型特征。

滇東南地理區(qū)O38 h質(zhì)量濃度在4月4—6日超過三級(jí)標(biāo)準(zhǔn),而在其他時(shí)段,均超過二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。通過對(duì)國家氣候中心監(jiān)測(cè)所得結(jié)果進(jìn)行分析,2018年9月,厄爾尼諾狀態(tài)明顯,其中,東亞地區(qū)冬季風(fēng)比較弱,而氣溫異常偏高,春季溫度比往年更高,加上滇東南處于低緯高原季風(fēng)活動(dòng)區(qū)域,整年太陽高度角大,陽光透射率高,輻射強(qiáng)烈,導(dǎo)致大氣光化學(xué)反應(yīng)顯著,能夠有效促進(jìn)O3的形成。

滇中地理區(qū)6項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度處于較高水平,昆明、玉溪等云南經(jīng)濟(jì)核心城市均位于滇中地區(qū),并且人口數(shù)量比較多,機(jī)動(dòng)車數(shù)量較多,因此日常機(jī)動(dòng)車尾氣排放量大,同時(shí)工業(yè)產(chǎn)業(yè)和城市基礎(chǔ)的建設(shè)容易造成污染物積累。此次污染過程中云南正處于干季[20],來自亞洲西南部干熱的西風(fēng)氣流影響,晴天比較多,而雨天則比較少,同時(shí)濕度低,風(fēng)干物燥;另外,滇中地理區(qū)屬于滇東高原盆地,因此,在不利天氣因素和盆地地形因素的影響下,大氣污染物容易發(fā)生聚集,并且擴(kuò)散難度較大,可造成大氣污染物質(zhì)量濃度一直累積不斷升高。滇東北和滇西北地理區(qū)與中國的西藏、四川、貴州相鄰,而與滇西南和滇東南接壤的中南半島國家氣溶膠厚度大并且火點(diǎn)分布較多,因此滇西南和滇東北顆粒物污染較嚴(yán)重可能與中南半島國家生物質(zhì)的燃燒有關(guān)。

2.2 AOD結(jié)果分析

云南省及中南半島國家2019年4月1-6日期間氣溶膠反演結(jié)果中，4月3日和5日這2天的云量較大，成像質(zhì)量較差，大氣氣溶膠反演結(jié)果只覆蓋云南省少部分地區(qū)，但可以觀察出這2天中南半島國家大部分地區(qū)AOD較高。而剩余4天的云量少，成像質(zhì)量較好，大氣氣溶膠反演結(jié)果較好，以下具體分析這4天的AOD結(jié)果。

4月1日，云南省和中南半島5個(gè)國家的AOD均出現(xiàn)了最大值(2.64～3.00)，云南省的滇中地區(qū)AOD較高，滇西南地理區(qū)大部分為中值，局部地區(qū)出現(xiàn)高值；中南半島5個(gè)國家除柬埔寨和越南南部AOD相對(duì)較低，其余國家AOD較高，且高值區(qū)域大部分與云南省的西南部接壤。4月1日污染的原因如下：① 受中南半島國家氣溶膠較高的影響，② 云南省處于干季并且受厄爾尼諾暖海溫使得省內(nèi)氣候干燥，污染物不容易擴(kuò)散，造成氣溶膠累積。

4月2日云南省AOD明顯降低，大部分以低值為主，僅西雙版納傣族自治州、紅河哈尼族彝族自治州和文山壯族苗族自治州的南部局部地區(qū)出現(xiàn)高值；緬甸和泰國AOD也出現(xiàn)不同程度的下降，但緬甸東部、老撾北部與云南省接壤的地區(qū)AOD仍處于較高水平。

4月4日云南省AOD整體處于低水平，大部分地區(qū)的AOD在0.51～0.86之間；緬甸和泰國大部分地區(qū)AOD為中值，其余3個(gè)國家AOD值較高，中南半島5個(gè)國家與云南接壤地區(qū)以中低值A(chǔ)OD為主。

4月6日云南省AOD較低，中南半島國家氣溶膠厚度均高于云南省，且靠近云南省的絕大部分地區(qū)以中高值為主。

綜上所述，本次污染過程與云南省氣溶膠厚度有關(guān)，但主要是由中南半島5個(gè)國家氣溶膠厚度較高引起的，氣溶膠厚度較高主要是生物質(zhì)燃燒造成的。

2.3 火點(diǎn)分布情況

云南省及中南半島國家在2019年4月1-6日火點(diǎn)監(jiān)測(cè)分布情況如圖2所示，從圖2可以看出,緬甸、老撾和泰國的火點(diǎn)數(shù)均在1 000個(gè)以上，遠(yuǎn)大于云南省的火點(diǎn)數(shù)(57個(gè))。在研究時(shí)段內(nèi)，云南省火點(diǎn)分布較為分散，大部分出現(xiàn)在滇西南和滇東南地理區(qū)，少量位于滇中地理區(qū)。越南、老撾、柬埔寨、緬甸、泰國5個(gè)國家火點(diǎn)相對(duì)密集，柬埔寨火點(diǎn)主要集中于其中部和東北部，其余4個(gè)國家火點(diǎn)主要聚集在緬甸東部、泰國的東北部、老撾的北部、越南的東北部等與云南省滇西南和滇東南地理區(qū)靠近的區(qū)域。

火點(diǎn)數(shù)懸差較大原因主要是中國各級(jí)政府都在制定規(guī)定禁止燃燒秸[21]，而中南半島主要國家大多仍然要依靠傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展，東南亞國家是全世界水稻出口的重要地區(qū)，每年3—4月正好屬于中南半島國家的春耕，農(nóng)場(chǎng)的燒荒力度加大，大量燃燒田里的秸稈，為下一次種植做好準(zhǔn)備。中南半島生物質(zhì)燃燒形成的污染物(氣溶膠、顆粒物等)在偏南、偏西氣流作用下進(jìn)入云南省，加重云南省的空氣污染。

圖2 云南省和中南半島國家火點(diǎn)分布情況

2.4 后向軌跡模擬分析

以滇中地理區(qū)昆明市為研究對(duì)象,利用后向軌跡對(duì)本次污染過程中氣團(tuán)軌跡進(jìn)行具體分析,進(jìn)一步闡明污染成因。

2.4.1 軌跡聚類分析

以滇中地理區(qū)的昆明市(24.87°N，102.83°E)為參照點(diǎn)，選取1 000 m高度計(jì)算1—6日24 h后向軌跡，用于追蹤抵達(dá)昆明市的氣團(tuán)過去24 h的輸送軌跡。綜合考慮氣團(tuán)移動(dòng)速度以及移動(dòng)方向，將其分為4種類型，昆明市后向軌跡聚類分析結(jié)果如圖3所示、見表2所列。

圖3 昆明市后向軌跡聚類

表2 各聚類軌跡信息對(duì)比

從圖3和表2可以看出，對(duì)于聚類軌跡的出現(xiàn)頻率以及受點(diǎn) PM2.5質(zhì)量濃度進(jìn)行比較分析,其中,軌跡聚類1的發(fā)生率為10.42%,此聚類氣團(tuán)主要來源緬甸的東部,其主導(dǎo)下受點(diǎn) PM2.5平均質(zhì)量濃度為89.57 μg/m3,超標(biāo)的軌跡數(shù)目10條,PM2.5超標(biāo)的質(zhì)量濃度平均值為98.34 μg/m3;軌跡聚類2出現(xiàn)概率為40.28%,此聚類氣團(tuán)主要來源孟加拉國東部,其主導(dǎo)下受點(diǎn) PM2.5平均質(zhì)量濃度為33.51 μg/m3,超標(biāo)的軌跡數(shù)目2條,PM2.5超標(biāo)的質(zhì)量濃度平均值為89.71 μg/m3;軌跡聚類3出現(xiàn)概率為36.80%,此聚類氣團(tuán)主要來源緬甸西部,其主導(dǎo)下受點(diǎn) PM2.5平均質(zhì)量濃度為44.37 μg/m3,超標(biāo)的軌跡數(shù)目6條,PM2.5超標(biāo)的質(zhì)量濃度平均值為86.81 μg/m3;軌跡聚類4出現(xiàn)概率為12.50%,此聚類氣團(tuán)主要來源緬甸的北部,其主導(dǎo)下受點(diǎn) PM2.5平均質(zhì)量濃度為24.30 μg/m3,超標(biāo)的軌跡數(shù)目為0。

綜上可知污染期間,導(dǎo)致昆明 PM2.5質(zhì)量濃度較高的氣流主要來自緬甸的東部,其次是緬甸西部和孟加拉國東部的氣流,而緬甸北部是較清潔氣流。

2.4.2 PSCF 和 CWT 分析

在對(duì)昆明市PM2.5的 PSCF 和 CWT 分析中，主要是根據(jù)文獻(xiàn)[19]中的規(guī)定，對(duì)于PSCF污染軌跡閾值設(shè)置為75 μg/m3。為解決網(wǎng)格隨采樣點(diǎn)的距離增加而產(chǎn)生的誤差，可將影響系數(shù)權(quán)重因子W引入其中，具體而言，在研究區(qū)中，某個(gè)網(wǎng)格與其他網(wǎng)格相比，如果污染軌跡數(shù)小于平均滯留時(shí)間，并且超過3倍以上，那么可利用權(quán)重因子對(duì) PSCF 值進(jìn)行計(jì)算，據(jù)此減少不穩(wěn)定因素[22]。PSCF 方法中所使用的權(quán)重系數(shù)同樣適用于 CWT 方法。通過對(duì)WPSCF 網(wǎng)格進(jìn)行分析，如果色彩越深，那么污染軌跡在經(jīng)過這一網(wǎng)格的概率比較高；而如果WCWT網(wǎng)格的色彩越深，那么網(wǎng)格中這一地區(qū)的PM2.5值貢獻(xiàn)較大。如果2個(gè)高值相互重合，那么這一地區(qū)為潛在污染源地區(qū)。

根據(jù)WPSCF的計(jì)算結(jié)果分析，WPSCF在云南分布較少，大部分位于緬甸，具體而言，高值區(qū)主要位于滇西南西雙版納傣族自治州和普洱市、滇東南紅河哈尼族彝族自治州的西南部、緬甸的東部等區(qū)域；中值區(qū)和低值區(qū)主要位于滇中的昆明市和玉溪市、緬甸的中部、孟加拉國的東部等區(qū)域。WCWT的結(jié)果與WPSCF差異較小，WCWT高值區(qū)呈現(xiàn)以滇西南為中心向西北部擴(kuò)散的扇形趨勢(shì)，主要位于滇西南西雙版納傣族自治州和普洱市、緬甸的東北部和西北部等區(qū)域；中值區(qū)位于楚雄彝族自治州的南部、玉溪市的東部、臨滄市、德宏傣族景頗族自治州的西南部、緬甸北部、孟加拉國的東部等區(qū)域；低值區(qū)(10～20 μg/m3)分布較為分散，主要是大理白族自治州的西部、怒江傈僳族自治州的南部、緬甸的北部和中部等區(qū)域。

綜上所述，滇西南、緬甸是昆明市此次污染的主要貢獻(xiàn)源，即潛在污染源區(qū)。

3 結(jié) 論

(1) 2019年4月1—6日,云南省滇西南出現(xiàn)中度污染,滇中以及滇東南地理區(qū)出現(xiàn)輕度污染,滇西北和滇東北空氣質(zhì)量以良為主。滇中地理區(qū)6項(xiàng)污染物質(zhì)量濃度處于較高水平,而滇東南O38 h污染較嚴(yán)重,5個(gè)地理區(qū)的SO2、NO2和CO質(zhì)量濃度在研究期內(nèi)均低于二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值,超標(biāo)污染物為PM2.5、PM10和O3。此次污染過程是一次持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、污染范圍廣、污染程度深的復(fù)合型污染。

(2) 此次空氣污染主要成因是在厄爾尼諾以及干季不利氣象條件下,中南半島國家生物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的大氣污染物在氣流作用下與本地污染物疊加所致。

(3) 對(duì)滇中地理區(qū)昆明市后向軌跡分析得出,昆明市PM2.5污染與緬甸東部、緬甸西部和孟加拉國東部生物質(zhì)燃燒的傳輸有關(guān),滇西南也是其潛在污染源區(qū)。