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      基于CMAQ模型的邯鄲市霾污染來源的模擬研究

      2012-10-16 03:57:14程丹丹王麗濤潘雪梅
      關鍵詞:邯鄲市能見度貢獻率

      程丹丹,王麗濤,潘雪梅,魏 巍,蘇 捷

      (河北工程大學城市建設學院,河北邯鄲056038)

      霾是指大量的極細微干塵粒等均勻地浮游在空中,使得水平能見度小于10.0 km的空氣普遍渾濁現(xiàn)象[1]。近年來隨著人類活動的影響,城市化進程的加快,使得霾出現(xiàn)的頻率愈來愈高,當霾出現(xiàn)時,能見度降低,空氣質量惡化,霾已經(jīng)成為一種新的災害性天氣[2]。目前對霾的研究僅是利用長期的氣象觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,如魏文秀等[3]利用全省81個氣象臺站1961-2008年的氣象數(shù)據(jù)分析了河北霾分布與地形和風速的關系。本研究以MM5-Models-3/CMAQ為核心工具,通過對周邊省市污染物排放貢獻的模擬研究,對邯鄲市PM2.5及其主要成分、光散射系數(shù)的來源進行模擬計算,分析邯鄲市霾污染的主要來源。

      1 研究方法

      1.1 霾日的識別

      霾日的確定依據(jù)以下4個條件[4-6]:

      (1)以當天北京時間14:00(世界時6:00)的氣象數(shù)據(jù)為準,主要原因在于清晨的能見度往往受到局地輻射霧和高濕度的影響,這些天氣現(xiàn)象往往在中午即可消散。

      (2)依據(jù)天氣代碼,排除降水、降雪、沙塵、大風、揚沙、沙塵暴等其他影響能見度的天氣現(xiàn)象。

      (3)能見度低于10 km。

      (4)相對濕度小于90%,以便將霧中被誤報的霾識別出來,同時將霾中被誤報的霧清除出去。

      通過對2001-2010年間所有的霾日進行了識別,得到2007年12月是10年中霾污染最嚴重的一個月,因此以該月為研究對象模擬邯鄲市霾污染來源。

      1.2 模擬域的選取

      模擬域如圖1所示,采用兩層網(wǎng)格嵌套[7-8]。整個模擬區(qū)域采用 Lambert投影坐標系[9-10],其中兩條真緯度分別是北緯25°和北緯40°,坐標原點處在北緯34°和東經(jīng)110°。第一層網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)為164×97,網(wǎng)格間距為36 km,覆蓋了中國大部分地區(qū);第二層網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)為93×111,網(wǎng)格間距為12 km,覆蓋了北京、天津、河北、山西、河南和山東六省市及相鄰省市的部分地區(qū)。選取污染最嚴重的2007年12月進行模擬,為了消除初始條件的影響,從2007年11月26日開始模擬計算。

      1.3 模擬情景設定

      為估算周邊地區(qū)的影響,本研究模擬了基準情景,京津零排放,河北零排放,河南零排放,山東零排放和山西零排放6個情景,通過各個情景與基準情景的比較,計算各個地區(qū)對污染的貢獻率。模擬結果的驗證,另文研究。

      2 分析與討論

      2.1 PM2.5的來源

      如圖2所示,河北省對邯鄲市污染貢獻最大,達到67.9%。其次為山西省,其貢獻率為 7.38%。河南省的貢獻率為6.95%,山東省的貢獻率為5.48%,京津地區(qū)對邯鄲市的污染貢獻率最小,僅為 1.09%。

      2.2 各污染成分的來源

      本研究計算了PM2.5各主要成分的來源,包括硫酸鹽)、硝酸鹽有機碳(OC)和元素碳(EC)。

      由圖3可以看出各省市對邯鄲市污染物5種主要成分的貢獻率,均是河北省最大,邯鄲市的霾污染主要來源于河北省。硫酸鹽來自于河北省的占67.1%,硝酸鹽 31.9%,銨鹽 54.1%,有機碳77.1%,元素碳76.9%。此外,山西省和山東省是邯鄲市污染的第二來源,尤其是硝酸鹽,有9.82%來源于山西,8.08%來源于山東。京津地區(qū)對邯鄲市的污染貢獻最小,各成分均不足1.5%。

      2.3 消光系數(shù)的來源

      能見度可以通過大氣消光系數(shù)來計算,大氣消光系數(shù)Bext(mm-1)可以通過顆粒物的質量濃度進行估算,其估算公式為[11]:

      通過計算得出:在模擬時段內(nèi),各地區(qū)對邯鄲市的貢獻分別為:河北64.7%、山西11.2%、山東3.5%、河南 4.8%、京津 1.1%。

      3 結論

      1)基于CMAQ模型的模擬結果顯示,對邯鄲市PM2.5污染貢獻最大的是河北省,達到67.9%;其次為山西省,其貢獻率為7.38%;河南省和山東省的貢獻率分別為6.95%和5.48%;京津地區(qū)對邯鄲市的污染貢獻率最小,僅為1.09%。

      2)邯鄲市PM2.5主要成分的來源如下:硫酸鹽主要來自于河北(67.1%),河南(8.64%),山西(7.19%);硝酸鹽主要來自于河北(31.9%),山西(9.82%),山東(8.08%);銨鹽主要來自于河北(54.1%),山西(8.26%),山東(6.73%),河南(6.59%);有機碳來源于河北(77.1%),河南(7.25%),山西(6.48%);元素碳來源于河北(76.9%),山西(8.76%),河南(7.29%)。

      3)邯鄲市消光系數(shù)的區(qū)域貢獻率如下:河北64.7%、山西 11.2%、山東 3.5%、河南 4.8%、京津 1.1%。

      [1] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M] .北京:氣象出版社,2003.

      [2] 吳兌,吳曉京,李菲,等.1951-2005年中國大陸霾的時空變化[J] .氣象學報,2010,68(5):680-688.

      [3] 魏文秀.河北省霾時空分布特征分析[J] .氣象,2010,36(3):76-81.

      [4] 中國氣象局.2010.霾的觀測和預報等級[M] .北京:氣象出版社.

      [5] 趙普生,張小玲,徐曉峰.利用日均及14時氣象數(shù)據(jù)進行霾日判定的比較分析[J] .環(huán)境科學學報,2011,31(4):704-708.

      [6] HJ 633-2012,城市空氣質量日報和預報技術規(guī)定(試行)[S] .

      [7] WANG,L T,HAO,J M ,CHATANI,S,et al.A modeling study of coarse particulate matter pollution in Beijing:Regional source contributions and control implications for the 2008 summer Olympics[J] .Journal of the Air& Water Management Association.2008,58:1057-1069.

      [8] STREETS D G,BOND T C,CARMICHAEL G R,et al.An inventory of gaseous and primary aerosol emissions in Asia in the year 2000[J] .Journal of Geophysical Research,2003,108(D21):8809,doi:10.1029/2002 JD003093.

      [9] NCAR.2003.PSU/NCAR Mesoscale Modeling System Tutorial Class Notes and User's Guide:MM5 Modeling System Version 3[R] .Boulder:National Center for Atmospheric Research.

      [10] 馬 芳,王麗濤,潘雪梅.基于 MM5-Models-3/CMAQ的中國地區(qū)大氣污染模擬[J] .河北工程大學學報:自然科學版,2010,27(4):46-51.

      [11] IMPROVE.2000.Spatial and seasonal patterns and temporal variability of haze and its constituents in the United States.report III[R] .Interagency monitoring of Protected Visual Environments.issn:0737 - 5352-47.

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