基于扩散模型的辽宁中部城市...M_(2.5)传输规律研究_秦思达.pdf

摘要：研究采用扩散模型法，基于气象模型 WRF 耦合空气质量模型 Models3/CMAQ，对 2019 年辽宁中部城市群 PM25污染特征进行模拟分析，通过目标情景设计，获取辽宁中部城市群 7 个城市间大气污染物传输特征并建立传输矩阵。研究发现：辽宁中部城市群中的 PM25浓度本地源贡献率最高的是本溪（722），其次为沈阳（632），其他城市本地源贡献率在 489621之间。本溪为对外输送型城市，其排放的 PM25主要影响辽阳（78）和抚顺（71）；铁岭与抚顺之间为单向输送，铁岭向抚顺输送的 PM25占到抚顺贡献率的 90，反之仅为 23；鞍山与辽阳 PM25为双向输送，二者之间的影响分别为 71与 83。受海洋气候影响，营口本地源贡献率为 489，且对其他城市的影响仅在 0224之间。关键词：CMAQ；PM25；辽宁中部城市群；区域传输Abstract：The diffusion model method was used to simulate and analyze the PM2.5pollution characteristics of the centralurban agglomeration of Liaoning Province in 2019 based on the meteorological model WRF coupled with the air qualityModel Models-3/CMAQ.The transmission characteristics of air pollutants among seven cities in the central urbanagglomeration of Liaoning Province were obtained through the target scenario design and the transmission matrix wasestablished.The results show that:the contribution rate of local sources in central urban agglomeration of LiaoningProvince is the highest in Benxi（72.2%），followed by Shenyang（63.2%），and the contribution rate of local sourcesin other cities ranges from 48.9%to 62.1%.Benxi is an external transport city，and the pollutants emitted mainly affectLiaoyang（7.8%）and Fushun（7.1%）；transmission chain between Tieling and Fushun is one-way，and PM2.5transmitted from Tieling to Fushun accounts for 9.0%of Fushuns contribution rate，while only 2.3%vice versa；thePM2.5transmission in Anshan and Liaoyang is bidirectional，and the influence between them is 7.1%and 8.3%，respectively.Under the influence of Marine climate，the contribution rate of Yingkou local sources is 48.9%，and theimpact on other cities ranges from 0.2%to 2.4%.Key words：CMAQ；PM2.5；central urban agglomeration of Liaoning Province；regional transmission中图分类号：X51文献标识码：A文章编号：16741021（2023）050069-041引言辽宁中部城市群位于我国东北部，由沈阳、鞍山、抚顺、本溪、营口、辽阳、铁岭组成，是 大气污染防治行动计划 中划定重点区域“三区十群”之一1。该地区为大陆性季风气候，产业结构以重工业为主，“两高一低”企业数量较多，受冬季供暖影响，污染类型以煤烟型为主2。由于该区域的城市距离近、分布密集，城市间的大气污染物传输效应尤为明显3。因此，探索辽宁中部城市群城市间 PM25的传输规律，掌握城市间 PM25的扩散影响，对制定区域大气污染防治措施具有重要意义。研究方法方面，扩散模型法在研究区域传输时具有明显优势，一方面可以按污染源类别进行解析，不受成分相近的源类的影响；另一方面可以不受限于观测点的位置。模型选择方面，收稿日期：2023-02-27；修订日期：2023-05-12。作者简介：秦思达，男，1989 年生，工程师，硕士，主要研究方向为大气环境科学。基金项目：国家重点研发计划（2017YFC0212500）；辽宁省自然科学基金（2022-MS-101）；辽宁省生态环境厅委托项目“双碳 背景下北方寒冷地区控煤降污效果预测评估”。基于扩散模型的辽宁中部城市群PM2.5传输规律研究秦思达1王贺2赵鹏雷1（1.辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁沈阳 110161；2.沈阳师范大学，辽宁沈阳 110034）69Environmental Monitoring环境监测CMAQ 模型基于“一个大气”理念4，将整个大气作为整体进行研究，在模拟污染物大气物理扩散的同时考虑了化学变化的影响。皮子坤等5基于 CMAQ模型对大连市的大气氮湿沉降进行了模拟研究。本研究采用大气扩散模型法，基于气象模型 WRF 耦合空气质量模型 Models3/CMAQ，定量解析目标城市间的 PM25传输系数，可以揭示该地区的 PM25扩散传输规律，服务于 O3与 PM25的协同减排。2研究方法21模型选择与数据来源气象场输入由气象模式 WRF 提供（版本 43），数据采用美国 NCEP 发布的 FNl0832 全球再分析资料。清单数据主要包括本地、外来、天然 3 部分。本地源清单是基于 2019 年统计数据及现场调研数据，通过 大气污染排放清单编制指南 方法估算获取；外来源排放数据采用 2019 年 MEIC 排放清单；天然源采用 MEGAN 模型6-7计算获取，该模式可用来评估从陆地生态系统排放到大气中的气体和气溶胶的排放量。本研究将本地源清单、外来源清单与天然源清单进行空间嵌套，通过对辽宁中部城市群的人口、道路、土地等信息进行再分配，建立适用于本地数值模拟的高分辨率网格化清单。空气质量模式选择美国EPA 发布的 Models3/CMAQ（版本为 521）。22模拟范围与模拟时间气象模拟设计两层网格嵌套，采用 Lambert 投影坐标系，中心经纬度为 122E，41N，两条真实纬度为 25N 与 40N，分辨率分别为 27 km 与 9 km，两层网格的网格数均为 100100。第一层覆盖中国北方大部分地区，第二层覆盖辽宁全省及周边主要城市。CMAQ 的核心模块 CCTM 在模拟时，需调用气象场模拟结果8-9，因此，需保持 CMAQ 与 WRF 的网格设置参数相同，但其网格数略小于 WRF 网格，第二层网格数为 9090，垂直方向共设置 24 个气压层，层间距自近地面向上逐渐增大。20202022 年期间新冠疫情对人们生产生活造成重大影响，大气污染源的实际排放与时间分配经验系数出现差异，且污染源清单的年份为 2019 年。因此，本研究以2019 年为基准年，选取 1，4，7，10 月代表四季变化，为降低初始场影响，模拟时将时间提前7 d 以供模型预热10。3结果与讨论31模型评估选取国控站的空气质量数据与本研究的模拟结果进行对比，以验证 CMAQ 模拟结果的可靠性11。以 4 个代表月 PM25浓度的平均值作为年均值进行拟合验证。为量化模拟结果准确性，本研究采用平均偏差（Mean Bias，MB）、归一化平均偏差（NormalizedMean Bias，NMB）、归 一 化 平 均 误 差（NormalizedMean Error，NME）、均方根误差（Root Mean SquareError，RMSE）及相关性指标 R 评价模型的可靠性。由表 1 可知，本研究模拟的各项统计指标与同类研究的误差及偏差分析水平接近，各城市PM25模拟值的 NMB 在 40以内，NME 在 50以内，MB绝对值为 2013，其他均小于 20，模拟结果比较可靠12。沈阳、鞍山、抚顺、本溪、营口、辽阳、铁岭模拟值与监测值的相关性 R 值分别为076，078，084，083，071，082，078。模拟值与监测值拟合度较高，因此本次模拟结果较为理想，可以实际反映各市的污染现状。表 1模型对辽宁中部城市群 PM25模拟的表现评估R0.760.780.710.820.840.83NME/%473537364332RMSE/（gm-3）31.5125.1728.8120.7133.2523.36MB/（gm-3）9.21-8.92-16.65-8.71-15.33-5.84NMB/%18-18-31-21-30-120.784530.40-20.13-400.79-9.48-193927.60统计指标城市平均值沈阳鞍山抚顺本溪营口辽阳铁岭70环境保护与循环经济32城市间的PM25传输特征本研究采用 Zeroout 法13，定量解析辽宁中部城市群内 7 个城市间污染物传输系数，即应用完整的区域污染源清单模拟作为基准情景，应用去除目标污染源的区域清单模拟作为对比情景，分析不同情景下的污染物浓度变化，以了解该地区对其他城市空气质量的影响。通过建立辽宁中部城市群的污染物传输系数矩阵，获取 PM25的传输规律。（1）研究发现，辽宁中部城市群 7 个城市的 PM25本地源贡献率在 489722之间，其中本溪贡献率最高，这可能是本溪工业结构以黑金属冶炼为主，且主要分布在主城区附近，导致当地钢铁公司对PM25浓度的平均贡献率超过 4014。另外，本溪位于中部城市群东部，属于长白山余脉，多为低山、丘陵地貌，主城区位于城市西部地势较低的平原地带，城市总体上由西向东海拔逐渐升高，山体形成了一道屏障，不会导致污染物向东北、东南等方向扩散。沈阳 PM25的本地源贡献率达到 632，这可能是由于沈阳人口较为稠密，城市人口数占中部城市群总人口的 3615，受人类活动活跃影响，本地污染物排放水平较高。营口本地源贡献率较低，仅为489，这可能是由于营口地处中部城市群南端，城区位于渤海湾沿岸，是一个受海洋性气候影响的大陆城市。（2）研究发现，本溪、鞍山属于对外输送型城市，对周边城市输送 PM25的比例较高，例如鞍山向辽阳和营口输送的 PM25占到辽阳的 71、营口的 63；本溪输送的污染物占到辽阳市的 78、抚顺的71。考虑是由于本溪和鞍山的产业结构都以钢铁行业为主，钢铁行业的产值占很大一部分，相应的大气污染物排放量也很大，这对周边城市的空气质量也产生了较大影响。国家自 2019 年起推进钢铁行业超低排放改造，根据辽宁省制定的 辽宁省钢铁超低排放改造方案，到 2025 年辽宁省 80以上的钢铁产能将完成超低排放改造，氮氧化物与挥发性有机物的重点工程减排量将分别达到 796 万t 和 327 万 t16。因此，随着配套政策的落地实施，预计鞍山、本溪对外输送污染物的情况将在 2025 年得到较大程度改善。（3）研究发现，部分城市间的 PM25传输为单向输送，例如铁岭向抚顺输送的 PM25占到抚顺贡献率的 90，而抚顺向铁岭输送的 PM25仅占铁岭的23，结合抚顺、铁岭的大气污染物排放总量，铁岭对抚顺 PM25浓度的影响远大于后