2018年冬季安徽省典型城市PM_%282.5%29来源解析的数值模拟研究.pdf
《2018年冬季安徽省典型城市PM_%282.5%29来源解析的数值模拟研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《2018年冬季安徽省典型城市PM_%282.5%29来源解析的数值模拟研究.pdf(11页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 52 卷 第 2 期 Vol.52,No.2,147157 2023 年 3 月 GEOCHIMICA Mar.,2023 收稿日期:2021-03-04;改回日期:2021-04-07 项目资助:长三角 PM2.5和臭氧协同防控策略与技术集成示范大气专项(2018YFC0213806)资助。第一作者简介:曹广翰(1996),男,硕士研究生,化学工程与技术专业。E-mail: 通信作者:何奕(1977),男,教授,主要从事工业生态与环境工程研究。E-mail: Geochimica Vol.52 No.2 pp.147157 Mar.,2023 2018年冬季安徽省典型城市PM2.5来源解
2、析的 数值模拟研究 曹广翰1,曹天慧2,田旭东3,施 耀1,何 奕1*(1.浙江大学 化学工程与生物工程学院,浙江 杭州 310027;2.浙江省生态环境科学设计研究院,浙江 杭州 310007;3.浙江省生态环境监测中心,浙江 杭州 310012)摘 要:细颗粒物(PM2.5)是决定环境空气质量的关键污染物。随着近年来环保措施的实施,PM2.5的来源特征也随之发生变化,探究 PM2.5的主要来源及其贡献值对制定有效的 PM2.5治理方案具有重要的现实意义。本研究使用 CMAQ-ISAM 模型,考察 2018 年冬季不同来源区域和来源种类对合肥市区 PM2.5及其关键组分的贡献。结果表明,合肥
3、市区冬季 PM2.5的主要区域来源为长三角外的远距离传输(52.6%),其次为合肥市的本地排放(26.3%)和安徽省其他城市的传输(12.3%)。远距离传输对硫酸盐、硝酸盐和有机 C 的贡献最大(57.9%、68.2%和 69.5%),而铵盐和元素 C 主要来自本地排放(37.1%和 52.9%)。合肥市本地及周边区域的 6 类排放源中,工业源对 PM2.5的贡献最大(21.3%),其次为农业源(11.6%),其中工业源的贡献主要来自本地排放,而周边区域农业源的贡献大于本地农业源。硫酸盐、硝酸盐和元素 C 的主要来源种类为工业源(33.9%、13.8%和 38.6%),铵盐和有机 C 则分别为
4、农业源(64.2%)和民用源(17.7%),其中工业源和民用源的贡献主要来自本地排放,农业源则为周边区域传输。关键词:PM2.5;CMAQ-ISAM 模型;来源解析;安徽省 中图分类号:P593;X513 文献标志码:A 文章编号:0379-1726(2023)02-0147-11 DOI:10.19700/j.0379-1726.2023.02.002 Numerical simulation study of the source apportionment of PM2.5 in typical cities of Anhui Province in the winter of 2018
5、 CAO Guanghan1,CAO Tianhui2,TIAN Xudong3,SHI Yao1,HE Yi1*(1.School of Chemical Engineering and Biological Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,Zhejiang,China;2.Eco-Environmental Science Research&Design Institute of Zhejiang Province,Hangzhou 310007,Zhejiang,China;3.Zhejiang Provincial Eco
6、logical Environmental Monitoring Center,Hangzhou 310012,Zhejiang,China)Abstract:Fine particulate matter(PM2.5)is the key pollutant that determines the ambient air quality.The source characteristics of PM2.5 have changed with the implementation of environmental protection measures in recent years.Exp
7、loring the main sources of PM2.5 and its contribution has important practical significance for developing effective PM2.5 control strategies.In this study,the CMAQ-ISAM model was used to investigate the contribution of different source regions and categories to PM2.5 and its key components in the He
8、fei urban area in the winter of 2018.The research results show that the main regional source of PM2.5 in Hefei in winter is long-distance transport outside the Yangtze River Delta(52.6%),followed by local emissions of Hefei(26.3%)and the transport from other cities in Anhui Province(12.3%).Long-dist
9、ance transport makes the greatest contribution to sulfate,nitrate,and organic carbon(57.9%,68.2%,and 69.5%,respectively),while ammonium salts and elemental carbon mainly originate from local emissions(37.1%and 52.9%).Among the 6 types of source categories in the local and surrounding areas of Hefei,
10、industrial sources have the largest contribution to PM2.5(21.3%)followed by 148 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.147157 Mar.,2023 agricultural sources(11.6%).The contribution of industrial sources is mainly from local emissions,while the contribution of agricultural sources from surrounding areas is
11、 larger than that of local agricultural sources.The main sources of sulfate,nitrate,and elemental carbon are industrial sources(33.9%,13.8%,and 38.6%,respectively),while those of ammonium salts and organic carbon are agricultural sources(64.2%)and residential sources(17.7%),respectively.Among them,t
12、he contribution of industrial and residential sources is mainly from local emissions,while that of agricultural sources is transport from surrounding areas.Key words:PM2.5;CMAQ-ISAM model;source apportionment;Anhui Province 0 引 言 中国东部的长三角地区是中国人口密度和工业发展水平最高的地区之一。近年来伴随着人类活动水平的不断提高,排放的大气污染物导致长三角地区的空气质量
13、受到严重威胁(Xu et al.,2016;Shi et al.,2018;Ma et al.,2019;Xue et al.,2020)。大气颗粒物污染,尤其是 PM2.5(空气动力学直径小于 2.5 m的颗粒物)污染,引起了社会的广泛关注。大气中高浓度的 PM2.5会引发雾霾或灰霾现象,导致可见度下降,对人们的出行造成影响(Liu et al.,2019b;Han et al.,2020)。研究表明,暴露于 PM2.5污染环境下将严重危害人体健康,其与呼吸道疾病、心血管疾病、肺癌等多种疾病存在显著关联性(Rajagopalan et al.,2018;Liu et al.,2019a;Yu
14、an et al.,2019;Wang et al.,2020)。随着我国污染治理工作的推进,污染排放特征不断变化,PM2.5的来源情况同样发生了改变。国务院于 2018 年发布了打赢蓝天保卫战三年计划,对于PM2.5污染的联防联控提出了新的要求,因此,迫切需要对长三角地区的重点城市开展新的 PM2.5来源解析工作,科学分析 PM2.5的区域传输在其中扮演的角色。国内外学者采用了多种方法对 PM2.5及其来源开展研究,常用的方法包括受体模型法(Du et al.,2017;Zhou et al.,2017;Li et al.,2018;Shen et al.,2020)、后向轨迹法(Gao e
15、t al.,2015;Wang et al.,2018;Zhao et al.,2019)和源模型法(安静宇等,2014;薛文博等,2014;李莉等,2015;Gao et al.,2020)等。受体模型法用于考察不同种类的污染源对受体区域的贡献,而后向轨迹法则用于分析大气污染物的传输轨迹,两者共同的局限性在于无法定量研究特定排放区域的贡献。源模型法又称扩散模型法,第三代源模型基于“一个大气”的理念,能够在一次运行过程中模拟大气中的各种物理化学过程,在此基础上定量分析不同排放区域的贡献。源模型法可进一步分为灵敏度分析法和示踪法。灵敏度分析法通过改变某污染源的排放值或求解模型的灵敏度方程组以得到
16、该排放源的贡献,但由于非线性因素的影响,灵敏度分析法结果不一定能够代表其对受体区域的贡献(Zhai et al.,2018;Chen et al.,2019;Hou et al.,2019)。示踪法通过标记各个排放源的污染物,追踪其在模拟区域内的输送、转化和沉降等过程,使用质量守恒估算排放源的贡献率。相较于灵敏度分析法,示踪法不会改变排放源的输入,且能够同时考察多个排放源的贡献。具有代表性的追踪法包括 CAMx-PAST 法(Li et al.,2015b;Zhang et al.,2018;Yang et al.,2020)、CMAQ-ISAM 法(Chen et al.,2017;Chan
17、g et al.,2019;Dong et al.,2020)、NAQPMS 法(Chen et al.,2015;Ming et al.,2017;Liu et al.,2019c)等。Li et al.(2015a)使用CAMx-PSAT 法考察了 2013 年冬季长三角内 6 个区域(上海城区、崇明岛、淀山湖、苏州、杭州和舟山)的PM2.5来源,得出城区 PM2.5的主要来源是本地排放,而农村地区 PM2.5更多来自传输输入。Li et al.(2019)使用CMAQ-ISAM法研究了2017年我国京津冀和长三角等重点地区的 PM2.5及其关键组分的来源,表明冬季和秋季华北平原对于长三角
18、的传输贡献与本地贡献接近(10%25%),而春季和夏季传输贡献较低。Ming et al.(2017)使用 NAQPMS 法研究了上海在 20132014年污染时期的 PM2.5的来源,结果表明,在污染时期二次气溶胶的贡献相较于非污染时期显著增大。目前,对长三角地区的 PM2.5来源解析研究更多地集中于上海和杭州等城市,对安徽省及其省内城市的研究较少,而安徽省位于长三角西北部,是连接华北、华中和华东的关键地区,在冬季北风的影响下污染气团可能向下游传输,进而影响到上海、浙江等地区,因此针对安徽省的 PM2.5区域传输研究十分必要。CMAQ-ISAM 法作为最新的示踪源解析法,具有以下优势:相较于
19、体模型法和后向轨迹法,该方法可定量研究用户定义的排放区域、排放种类及其任意组合的贡献,且不需要对排放源和受体点进行长时间采样分析;相较于灵敏度分析法,该方法不易受到非线性因素的影响;使用 第 2 期 曹广翰等:2018 年冬季安徽省典型城市 PM2.5来源解析的数值模拟研究 149 Geochimica Vol.52 No.2 pp.147157 Mar.,2023 了与CMAQ主体模式更一致的方法模拟示踪物质的对流传输过程;采用高效的求解器,有效提高了在气相化学反应中追踪前体物的效率;灵活性高,不需要修改代码或创建可执行文件即可进行参数设置;采用模块化设计提高了 ISAM 模块的可移植性。因
20、此,本研究基于 CMAQ-ISAM 模型,定量考察了合肥市在 2018 年冬季 PM2.5及其关键组分的来源特征,探究不同区域及种类排放源的贡献,以期为安徽省以及长三角地区的 PM2.5污染区域联防联控方案的制定提供参考。1 数据与研究方法 1.1 模型参数设置 本研究采用 WRFv3.8-CMAQv5.3 数值模型系统,考察合肥市的 PM2.5浓度分布及其主要贡献源。模型水平网格为双层嵌套,外层网格分辨率为 36 km,包含中国大部分区域,其为内层网格提供了边界条件;内层网格分辨率为 12 km,包含长三角地区,同时包含江西省东部和福建省北部地区(图 1),该层的模拟结果将用于模型系统的验证
21、和 PM2.5及其关键组分的来源解析。模拟时间段为 2017 年 12 月 15 日 2018 年 1 月 31 日,其中 2017 年 12 月 1531 日为模型起转时间,用于降低初始浓度场的影响。外层网格采用清华大学研制的 MEIC 排放清单(Li et al.,2017;Zheng et al.,2018),内层网格采用浙江省生态环境监测中心研制的长三角排放清单。自然源排放数据由 MEGANv2.1 模型产生。气象资料采用美国国家环境预报中心提供的0.250.25FNL数据(https:/rda.ucar.edu/datasets/ds083.3/)。WRF 和 CMAQ的参数设置见表
22、 1。ISAM模块追踪内层网格内的7个来源区域,分别为合肥市、安徽省其他城市、上海市、浙江省、江苏省、江西省东部和福建省北部(图 1)。来源种类共有 6 类,分别为电厂源、工业源、交通源、民用源、农业源和自然源。除了以上来源,ISAM 模块同时追踪来自初始条件(initial condition,ICON)、边界条件(boundary condition,BCON)和内层网格其他区域(other region,OTHR)的贡献。市区是人类活动的主要区域,人口密度较高,因此合肥市区所包含网格将作为源解析的受体区域。来自合肥本市排放的贡献称为本地排放贡献,来自安徽省其他城市和内层网格内其他区域的贡
23、献称为周边区域传输贡献,而来自外层网格(即 BCON)的贡献称为远距离传输贡献。图 1 内层网格的模拟区域 Fig.1 The modeling regions of the inner grid 表 1 WRF 和 CMAQ 模型参数 Table 1 Model parameters of WRF and CMAQ 模型 参数种类 方案名称 边界层方案 YSU 陆面方案 Noah 云物理方案 WSM6 积云对流方案 Grell-Devenyi 长波辐射方案 RRTM WRF 短波辐射方案 Dudhia 气相化学方案 CB06 CMAQ 气溶胶方案 AERO6 1.2 监测数据来源和模型验证标
24、准 2018 年 1 月合肥市内气象监测站和空气质量监测站的监测数据用于模型性能的验证。气象数据来源于美国国家气象数据中心,其提供了合肥市包河区气象站的每小时气象参数监测数据。空气质量数据来源于全国城市空气质量实时发布平台,其提供了合肥市内 10 个空气质量监测站的每小时颗粒物浓度监测数据。评估模型性能的统计参数包括标准化平均偏差(NMB)、标准化平均误差(NME)、平均分数偏差(MFB)和平均分数误差(MFE),计算公式为:mo1m1()NMB(100%)NiNiCCC (1)150 2023 年 Geochimica Vol.52 No.2 pp.147157 Mar.,2023 mo1m
25、1|NME(+100%)NiNiCCC (2)mo1om()1MFB(200%)(+/2)NiCCNCC (3)mo1om|1MFE(+200%)(+/2)NiCCNCC (4)式中:Cm为模拟值;Co为检测值。Boylan and Russel(2006)研究表明,在60MFB60 且 MFE75%时模型性能符合要求,因此将其作为模型性能的验证标准。2 结果与讨论 2.1 模型验证 合肥市气象参数(空气温度、相对湿度和风速)和颗粒物浓度(PM2.5和 PM10)模拟值与监测值的对比情况见图 2、3。气象参数的验证结果表明,空气温度和风速的模拟结果偏大,其 MFB 分别为38.7%和 24.8
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 2018 冬季 安徽省 典型 城市 PM_ 282.5 29 来源 解析 数值 模拟 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。