基于MM5-Models-3/CMAQ的中國地區(qū)大氣污染模擬

馬 芳,王麗濤,潘雪梅

(河北工程大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,河北邯鄲056038)

“十五”以來,我國經(jīng)濟(jì)以平均每年9.48%的速度保持快速增長,與此同時對能源的需求也在逐步增大,從而進(jìn)一步導(dǎo)致了污染物排放量迅速增加。“十五”期間,中國的環(huán)保投資比“九五”(1995-2000年)增加了100%[1]。而在一些重點地區(qū),政府的環(huán)保力度更大,大量高污染、低能源效率的企業(yè)被關(guān)閉,環(huán)境基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)逐步加快。

多尺度空氣質(zhì)量模型(Community Multi-Scale Air Quality,CMAQ)是美國環(huán)境保護(hù)局開發(fā)的多尺度空氣質(zhì)量模型,已被廣泛用于研究多種空氣污染物形成、運輸及評估。張美根等[2-5]利用CMAQ模型模擬東亞地區(qū)二氧化硫、硫酸鹽、硝酸鹽、氨、有機(jī)碳和總懸浮微粒的濃度變化情況等。在區(qū)域尺度的模擬方面,以2008年北京奧運會的空氣質(zhì)量為研究目標(biāo),Chen等[6]、Cheng等[7]、Streets等[8]、Wang等[9]分別針對周邊地區(qū)污染對北京大氣質(zhì)量影響進(jìn)行了研究;李莉等[10]對長三角區(qū)域大氣污染物特征及運輸情況進(jìn)行了研究,馮業(yè)榮等[11]對珠江三角洲空氣污染的特征進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。本文以中國地區(qū)的空氣質(zhì)量為研究對象,采用MM5-Models-3/CMAQ區(qū)域空氣質(zhì)量模擬系統(tǒng),以 2005 年 1、4、7 和 10 月為模擬時段,對 SO2、NO2和顆粒物(PM)等大氣污染物的濃度進(jìn)行了模擬,并與實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。

1 模型設(shè)置和數(shù)據(jù)輸入

1.1 模型設(shè)置

Models-3/CMAQ是美國環(huán)保局開發(fā)的區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型,CMAQ為Models3的核心模塊,可同時模擬多種空氣污染及其相互轉(zhuǎn)化過程,如O3、酸沉降、能見度及PM在整個對流層的情況。Byun和Ching等[12]針對CMAQ中化學(xué)轉(zhuǎn)化和運輸過程進(jìn)行了詳細(xì)的描述。它的模擬范圍可以從區(qū)域擴(kuò)大到大陸半球的空間尺度。

本研究采用第五代中尺度氣象模式MM5為CMAQ提供氣象場。在MM5模式計算中,地形和土地利用數(shù)據(jù)來自美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)庫。MM5所需的氣象背景場選用美國環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)提供的全球1×1度分辨率的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。為了提高模擬的準(zhǔn)確率,使用四維同化方案,所需的氣象觀測數(shù)據(jù)均來自中國國家氣象中心。NCEP最后的分析數(shù)據(jù)作為MM5模式的初始條件。

1.2 模擬域和模擬時段

模擬區(qū)域采用36km的網(wǎng)格,覆蓋中國地區(qū)和東亞的一部分(圖1)。地圖采用lambert投影,兩條標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為北緯25°N和40°N。模擬區(qū)域以(34°N,110°E)為中心,西南角的坐標(biāo)是(x=-2 934km,y=-1 728km)。模擬時段2005年1、4、7和10月,以代表2005年的4個季節(jié)。

1.3 源排放清單

源排放清單來自于Streets等人的研究[13-14],污染物包括、氮氧化物()、CO和非甲烷揮發(fā)性有機(jī)化合物(NMVOC)和 4種顆粒物、、元素碳(BC)和有機(jī)碳(OC)。在本清單編制時,可獲得的中國各省區(qū)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)大多更新到2004年。因此,以2004年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),外推計算2005年的排放量;方法學(xué)體系參考文獻(xiàn)[15]。

2 模型驗證及結(jié)果分析

2.1 地面觀測數(shù)據(jù)

目前,可用于模型評價的地面觀測數(shù)據(jù)比較少,對公眾發(fā)布的的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)是由中國47個主要城市的地方政府每日發(fā)布的空氣污染指數(shù)(Air Pollution Index,API)的報告。空氣污染指數(shù)計算方法可以參考惠學(xué)香針對API計算的改進(jìn)[16],通過API可以反算主要污染物的濃度水平[17-18]。

以下為中國31個省會城市的CMAQ模擬結(jié)果和API反算的濃度水平的對比。在這些城市中,PM10是主要的空氣污染物,因此可用模擬的API和實際監(jiān)測的PM10濃度進(jìn)行比較評價。模擬值為城市中心所在的網(wǎng)格的濃度。

從圖2可以看出,該模型較好的再現(xiàn)了中國中部和東部城市PM10的污染水平,特別是四川,湖北,湖南,安徽,江西,浙江,城市有上海,重慶以及長江沿岸地區(qū)。這些城市四個月標(biāo)準(zhǔn)平均偏差為-8%和-25%。有兩個地區(qū)的PM10濃度被低估,一是在中國西北地區(qū),包括新疆,青海,西藏,這些地區(qū)揚塵的濃度貢獻(xiàn)較高。在CMAQ當(dāng)前版本并不能直接進(jìn)行揚塵的計算,因此排放清單中也未納入揚塵的排放,這是它低估的原因之一。另一地區(qū)為中國東北部的黑龍江、吉林、遼寧三省,該地區(qū)是重要的重工業(yè)地區(qū),很可能由于排放清單中對工業(yè)排放的空間分布的計算誤差,導(dǎo)致了PM10的低估。中國北部的北京、天津、河北、山西、河南地區(qū),1、7、10月份該地區(qū)模擬結(jié)果較為吻合,4月存在的一定程度的低估。這是由于這些地區(qū)在春季會有沙塵暴的發(fā)生,而沙塵排放不計算在顆粒物的排放清單中。

2.2 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)

為了克服地面觀測的缺乏,本研究應(yīng)用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬結(jié)果的評價包括NO2柱濃度和氣溶膠光學(xué)厚度(AOD)的數(shù)據(jù)。圖3為OMI(Ozone Measurement Instrument)衛(wèi)星所觀測到的對流層NO2柱濃度月平均值與CMAQ模擬值的比較。從結(jié)果來看,模擬值能夠很好的反應(yīng)NO2的空間分布和時間變化。1月NO2最高,其次是10月、4月和7月。NO2濃度較高的地區(qū)主要集中在中國的三大城市群:京津冀、長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)。對其他污染地區(qū),如河北省南部,山西太原,四川省東南部幾個工業(yè)城市以及韓國和日本主要城市也能進(jìn)行很好的再現(xiàn)。此外,從統(tǒng)計結(jié)果來看,1、4、7和10月模擬值和觀測值的相關(guān)系數(shù)分別為0.86、0.80、0.81和 0.88,其中偏差都很小(小于2%),表明模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確。從圖中也可以看出污染最嚴(yán)重的1月和10月,模型高估了東部地區(qū)的濃度水平這可能是由于對采暖期NO2排放量的估算具有很大的不確定性所致。

AOD為大氣氣溶膠光學(xué)厚度,可作為PM2.5的污染指標(biāo)。在本研究中,AOD值來自美國國家航空航天局的MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)衛(wèi)星數(shù)據(jù)。MODIS AOD數(shù)據(jù)在中國的應(yīng)用研究非常活躍,Wang等人[19]通過MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù)和CSHNET地面數(shù)據(jù)的比較系統(tǒng)評價了MODIS數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,兩者的相關(guān)系數(shù)為0.72。得到的主要結(jié)論為,中國中南部農(nóng)業(yè)地區(qū)MODIS的準(zhǔn)確度較高,中等準(zhǔn)確度出現(xiàn)在溫帶森林地區(qū)、沿海地區(qū)、東北和中部的農(nóng)業(yè)地區(qū);而在北方干旱和半干旱地區(qū),東北部偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)田,青藏高原和南方森林地區(qū)準(zhǔn)確度最差。Wang等人也發(fā)現(xiàn),MODIS數(shù)據(jù)檢索明顯高估了北部干旱和半干旱地區(qū),低估了東北部偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)田和南部森林的濃度水平。

由圖4可以看出,CMAQ大體再現(xiàn)了AOD的分布特點。模擬準(zhǔn)確度較高的地區(qū)有:4、7和10月的四川盆地,1月和4月的長江中下游地區(qū),如湖北,湖南,安徽,江西,7月份的北京、河北和山東地區(qū)。這與Wang等人的研究結(jié)果基本一致。2005年1月,中國的西北,東北和中部和南部一些地區(qū)CMAQ模擬AOD值均高于MODIS觀測AOD值。這可能是由于1月份中國北部和中部地區(qū)有剩余雪冰存在,影響了AOD的遙感,或是MODIS數(shù)據(jù)對南方森林地區(qū)的系統(tǒng)性低估。4月,在中國西北和南部地區(qū),CMAQ模擬的AOD值普遍低于MODIS結(jié)果,這可能部分歸因于揚塵的貢獻(xiàn),如前所述,本研究并未將其計算在內(nèi)。7月CMAQ的評估明顯偏低。在Kim等人[20]研究中中國夏季的AOD觀測值最高,可能的原因包括二次氣溶膠形成、相對濕度增高、親水性氣溶膠吸濕增長、生物質(zhì)燃燒的貢獻(xiàn)等。因此,CMAQ模擬值偏低的原因可能來源于生物質(zhì)燃燒排放的不確定性和模型中顆粒物計算過程的不確定性。10月CMAQ預(yù)測值比MODIS觀測值高,特別是在中國東北、東部和南部地區(qū)。這可能部分歸因于中國東北部和南部地區(qū)的MODIS觀測值的系統(tǒng)偏差。對整個模擬域的AODs統(tǒng)計分析表明,1、4、7和10月模擬和觀測的相關(guān)系數(shù)分別是 0.70、0.64、0.67和0.72,表明整體來說,CMAQ能對AODs進(jìn)行很好的預(yù)測。

3 結(jié)論

1)MM5-CMAQ模擬系統(tǒng)能較好地模擬出SO2、NO2和PM等污染物的空間分布格局,模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果較吻合,尤其是京津冀、長江三角洲和珠江三角洲地區(qū)。CMAQ模型能夠較好的再現(xiàn)污染物的空間分布和時間變化。

2)中國地區(qū)大氣污染呈現(xiàn)出區(qū)域性的特征,且在時空分布上東西部地區(qū)存在明顯的差異。經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的污染更為嚴(yán)重。同時,MM5-CMAQ模擬系統(tǒng)對于區(qū)域大氣污染物特征具有很好的模擬能力,可以為區(qū)域大氣污染控制服務(wù)。

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