CMAQ模型在大氣環境影響評價中的應用

田軍，葛春風，甄瑞卿，劉夢，焦濤

(1.南京大學環境規劃設計研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.北京國環清華環境工程設計研究院有限公司，北京 100084；3.北京京誠嘉宇環境科技有限公司，北京 100053；4.中持水務股份有限公司，北京 100192)

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CMAQ模型在大氣環境影響評價中的應用

田軍1，葛春風2，甄瑞卿3，劉夢4，焦濤1

(1.南京大學環境規劃設計研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.北京國環清華環境工程設計研究院有限公司，北京 100084；3.北京京誠嘉宇環境科技有限公司，北京 100053；4.中持水務股份有限公司，北京 100192)

空氣質量模型是大氣環境管理和研究中非常重要的技術手段。文章系統回顧國內外空氣質量模型的發展歷程，分析了不同時期、不同類別空氣質量模型的特征，重點介紹第三代空氣質量模型CMAQ(Community Multiscale Air Quality Modeling System)的基本原理和典型特征，并對其在環評領域的法規化應用提出了一些建議。

CMAQ模型；大氣環評；模型法規化

在當前大氣污染問題日益突出的背景下，環評作為環保工作中非常重要的一環，如何在項目確立之初，對環境影響及環境風險進行更加客觀、準確的預判和把控，成了當下環保工作面臨的重要難題。對于大氣環境而言，要想解決這一問題，就必須依賴空氣質量模型的發展。所謂空氣質量模型，是運用氣象學原理，通過數學方法模擬污染物從污染源排放到擴散輸送全過程的方法。目前，該方法已廣泛應用于不同尺度、不同類型污染過程的模擬，成為了大氣環境研究領域的重要組成部分[1]。本文首先回顧了空氣質量模型的發展歷程，然后對目前國內外廣泛使用的多尺度空氣質量模型CMAQ(Community Multiscale Air Quality Modeling System)的應用研究進行探討，最后從環評從業者的角度，對未來發展提出了一些建議。

1 空氣質量模型的發展歷程

1970年至今，美國環保署及相關研究機構共開發了三代空氣質量模型。20世紀70—80年代，以箱模型、高斯擴散模型、拉格朗日軌跡模型為基礎，推出了第一代空氣質量模型，這些模型采用簡單的參數化線性機制描述復雜的大氣物理過程，適用于模擬惰性污染物的長期平均濃度，其中具有代表性的有ISC、AERMOD、ADMS、CLAPUFF等；80—90年代，研究人員在第一代模型的基礎上加入了較為復雜的氣象模塊和非線性反應機制，形成第二代空氣質量模型，其中具有代表性的包括RADM、UAM等；隨著大氣光化學研究的不斷深入和發展，90年代中后期，第三代模型應運而生，第三代空氣質量模型考慮了大氣中不同物質、不同相態之間的相互轉換和相互影響，能夠更加客觀真實地模擬污染物的轉化和遷移過程，代表模型有CMAQ、WRF-CHEM、CAMx等[2]。如表1所示。

表1 空氣質量模型發展歷程

2 CMAQ模型簡介

CMAQ是美國環保署開發的第三代區域空氣質量模型，經過十幾年的發展，現已更新至5.1版本。CMAQ秉承“一個大氣(One Atmosphere)”的理念，將整個對流層大氣作為一個整體，采用一套考慮不同物質相互影響的大氣控制方程，對環境大氣中的物理、化學過程以及不同物質的相互作用過程進行周密考慮，適用于光化學煙霧、區域酸沉降、大氣顆粒物污染等多尺度多物種的復雜大氣環境問題的模擬[3]。該模型主要結構如圖1所示，其核心是化學傳輸模塊(CCTM)，主要模擬污染物的傳輸、化學轉化、沉降等過程，同時該模塊還具有一定的擴展性，可根據實際的模擬需求，加入云物理過程、氣溶膠模塊等；初始/邊界條件接口模塊(ICON/BCON)主要是為CCTM提供污染物初始場和邊界場；光解反應速率模塊(JPROC)用于計算相關反應的光解速率；氣象-化學接口模塊(MCIP)是氣象數據接口，通過該模塊可將WRF、MM5等中尺度氣象場轉化為CCTM可讀取的文件格式。

圖1 CMAQ模型主要結構Fig.1 The main structure of CMAQ model

3 CMAQ模型在環評領域的應用

3.1 滿足戰略及規劃環評需求

《“十三五”環境影響評價改革實施方案》提出要以改善環境質量為核心，以全面提高環評有效性為主線，以創新體制機制為動力，以“生態保護紅線、環境質量底線、資源利用上線和環境準入負面清單”為手段，強化空間、總量、準入環境管理，劃框子、定規則、查落實、強基礎，不斷改進和完善依法、科學、公開、廉潔、高效的環評管理體系[4]。

針對當前大氣環境呈現的復合型、區域型污染特征，CMAQ可為確定“質量目標”與“控制措施”間的定量化關系提供技術支持。具體來說需要根據現狀污染源清單以及規劃期污染源強的變化情況，分別設置基準情景和預測情景，通過對比兩種情境下的模擬結果，定量評估規劃方案帶來的環境效益。

3.2 模擬復雜二次污染物

《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)的出臺，不但收嚴了大氣中可吸入顆粒物PM10和NO2的標準限值，而且首次將細顆粒物PM2.5和臭氧8小時平均濃度納入了環保管控范圍[5]。但是目前AERMOD、ADMS、CALPUFF等法規模型在大氣二次污染物模擬方面仍存在一定的不足，另外隨著當前環保部門對于VOCs提出越來越嚴的管控和削減需求，如何定量評估VOCs的環境效益也成為一個難題。基于上述背景，對于部分源強復雜、影響范圍大的項目可憑借CMAQ較為全面的大氣化學反應機制，為O3、PM2.5、VOCs等大氣二次污染物的模擬評估提供技術支撐。

3.3 分析大氣環境容量

大氣環境容量是污染物總量管控的一項重要內容，反映了某一地區在空氣質量達標規劃或管控要求的約束下所能容納污染物的最大值，是總量紅線的重要指標。目前在一般環評項目中，通常采用的是A-P值法、模擬法、線性規劃法[6]。這些方法主要基于統計學原理，即通過對比最大小時、日均、年均濃度與目標值的差距來估算剩余的環境容量。但是對于真實環境來說，一方面大氣環境容量存在季節性差異，例如夏季氣溫較高，地表湍流較強，邊界層高度相對較高，因此相對于其他季節，夏季可以容納更多的大氣污染物；另一方面，大氣污染物的排放也存在一定的季節性變化，例如我國北方地區由于供暖需要，冬季大氣污染物排放量明顯高于其他季節。因此，為了更加客觀真實地反映區域大氣環境承載力，可利用CMAQ模型，在時間和空間上對環境管理目標及模擬濃度開展精確分析，從而得到更為客觀的環境容量。

4 空氣質量模型發展建議

4.1 建立法規化清單

目前，我國尚未從國家層面建立起一套法規化的大氣污染物排放清單，嚴重制約了當前空氣質量管理的推進。因此，從環評的角度出發，需要建立一套適用于我國戰略環評、規劃環評的法規化污染源清單，以確保模擬的標準化和統一化。考慮到我國工業排放源清單(火電、鋼鐵等)受經濟形勢和市場波動的影響較大，不同年份的污梁物排放情況存在一定差異，因此還需要定期對相關清單數據進行更新，保證源清單的時效性。

4.2 建立法規化模型

環境管理部門應編制環境空氣質量法規模型導則，規定CMAQ等模型的應用原則及標準化數據集。

(1)中尺度氣象數據集。中尺度氣象模擬數據的準確性對CMAQ模擬的結果影響很大，因此從科學性和技術復核的角度來看，建議相關技術評估部門在現有“中尺度氣象數據在線服務系統”的基礎上進行改進，一方面加強對地面觀測資料的同化，提高模擬結果的準確性，另一方面可以提高模擬的空間分辨率，滿足業務單位的相關技術需求。

(2)模型設置參數。為確保模擬結果的唯一性和可比性，技術評估部門需要對CMAQ模型相關參數的選取進行規范化和統一化，便于評估部門對模擬結果的真實性和準確性進行把控。

(3)下墊面參數。在空氣質量模型中，下墊面參數直接影響著近地面氣象要素，特別是風場的分布。2015年環境保護部環境工程評估中心發布了適用于AERMOD系統的地表參數化系統(http://www.ieimodel.org/)，已在很多業務單位的環評中得到了較好的應用。建議下一階段在該平臺中增加針對CMAQ等中尺度模型的下墊面參數服務。

5 結語

CMAQ模型憑借其較為全面的大氣污染物輸送及化學反應機制，廣泛應用于科研和業務模擬工作中。隨著環評技術要求不斷提高，該模型在戰略環評和規劃環評中得到了較好的應用，并為區域產業調整、空間布局、環境承載力等方面研究提供了有力的技術支撐。為進一步增強環評的規范性和科學性，建議環境主管部門從氣象數據、源清單、模型參數、下墊面參數等方面入手，提出統一的數據標準和評估方法，讓CMAQ的模擬結果具有唯一性和可比性，從而有助于環評工作的標準化和法規化。

[1] 王占山, 李曉倩, 王宗爽, 等. 空氣質量模型CMAQ的國內外研究現狀[J]. 環境科學與技術, 2013, 36(6): 386- 391.

[2] 薛文博, 王金南, 楊金田, 等. 國內外空氣質量模型研究進展[J]. 環境與可持續發展, 2013, 38(3): 14- 20.

[3] 田軍. 南京市機動車大氣環境影響及其控制策略研究[D]. 南京: 南京大學, 2013.

[4] 環境保護部. 關于印發《“十三五”環境影響評價改革實施方案》的通知[Z]. 2016.

[5] 郝吉明. 改善環境空氣質量 保護人民群眾健康[J]. 求是, 2012(8): 37- 38.

[6] 蔡治平, 閻茹. 區域環境影響評價中大氣環境容量的計算方法[J]. 武漢工程大學學報, 2008, 30(1): 26- 29.

Application of CMAQ Model in Atmospheric Environmental Impact Assessment

TIAN Jun1, GE Chun-feng2, ZHEN Rui-qing3, LIU Meng4, JIAO Tao1

(1.Academy of Environmental Planning and Design, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2.Beijing Guohuan Tsinghua Environment Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Beiijng 100084, China; 3.CERI Eco Technology Co., Ltd., Beijing 100053, China; 4.CSD Water Service Co., Ltd., Beijing 100192, China)

Air quality modeling is a very important tool for EIA (environmental impact assessment), and it can also support the environmental management and policy-making. This paper reviewed the development process of air quality models from both home and abroad, analyzed characteristics of air quality models of different periods and categories, with the focus on the structure and application of CMAQ (Community Multiscale Air Quality Modeling System), and then gave suggestions on the standardized application of air quality models in EIA.

CMAQ model; atmospheric environmental impact assessment; standardization of modeling

2016-09-12

田軍(1988—)，男，江蘇阜寧人，工程師，碩士，主要研究方向為大氣環境模擬、大氣源清單及源解析等，E-mail：jtian@njuae.cn

焦濤(1981—)，男，江蘇泰興人，高級工程師，主要研究方向為環境規劃與管理，E-mail:tjiao@njuae.cn

10.14068/j.ceia.2016.06.001

X823

A

2095-6444(2016)06-0001-03