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基于CAMx-PSAT的东莞PM2.5来源分析

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随着工业生产、汽车尾气等人为污染物排放量不断增加,大气颗粒物污染也越来越严重。根据粒径大小,大气颗粒物可分为总悬浮颗粒物和可入肺颗粒物。其中空气动力学直径≤2. 5 μm 的可入肺颗粒物( PM2. 5,也称为细颗粒物) 不仅深刻影响着空气质量,造成城市灰霾,还会对人体呼吸系统和心血管系统造成伤害。
作为珠三角地区的城市之一,为改善环境空气质量,近年来东莞市采取多项控制措施,并取得了明显成效。但随着社会经济的快速发展,大气颗粒物PM2. 5污染仍然较重。

1.2我国及东莞地区PM2.5污染的现状

珠三角地区是我国最大最繁荣的城市群之一,经济的快速发展和城市化水平的不断提高导致环境问题日益凸显,引起了学者们的广泛关注。气象条件对于空气污染天气的发生、演变和清除都起着至关重要的作用。大气边界层内的气象过程可显著影响大气污染的持续时间和污染物扩散的空间尺度,风向风速和边界层高度是影响大气污染物扩散和传输的关键因子,周围地区的污染物水平输送对城市空气质量也有显著影响。吴兑等分析了多次珠三角地区出现的严重灰霾天气,认为大尺度天气系统、中小尺度环流、近地面输送条件等均能对灰霾天气产生重要作用。珠三角地区的严重空气污染天气主要发生在秋冬春 3 季,主要与冷高压减弱变性后产生的稳定天气有关。但是在夏季或秋季也可能出现严重的污染天气———热带气旋外围下沉气流会导致大气边界层高度降低,地面大气的流动减缓,大气气溶胶的扩散受到限制,致使珠三角城市出现空气污染天气。局地环流,如海陆风和热岛环流,也会加强或者直接导致污染事件。此外,污染物的由北向南的跨区域运输也可能对珠三角空气污染产生重要影响。
计算机技术的进步和空气质量模型的发展,让数值模拟成为大气污染物浓度贡献研究的一种有力工具。空气质量模型通过模拟大气环境中各种污染物的扩散、生成、转化等各种大气化学转化和迁移过程,以反映真实大气中的污染特征。基于敏感性分析方法,通过改变各污染源排放量,考察空气质量对其变化的响应,从而估算不同排放源对该污染物的贡献。空气质量模型以新一代的通用大气化学传输模式为核心,常用的有WRF-Chem、CMAQ、CAMx 等模式,分析方法主要包括强力法(Brute Force Method, BFM)和去耦合直接法(Decoupled Direct Method,DDM)两类。针对细颗粒物(PM2.5)形成贡献的模拟研究,国外学者采用基于空气质量模型的敏感性测试方法已开展了大量的工作。如 Zhang 等(2011)研究了德克萨斯州东南部二次有机气溶胶的形成,并对其来源进行了分析。Ying 等(2006)基于三维化学传输模型的数值模拟手段探讨了加州圣华金河谷地区和南岸盆地地区 PM2.5水溶性无机离子的来源。近年来,随着我国大气污染表现出显著的区域性、复合性,关于主要城市群如京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等地的细颗粒物来源识别的研究报道日渐增多。在北京及周边地区,大量学者曾利用空气质量模型模拟研究了北京及周边地区的颗粒物污染来源特征。Streets 等(2007)运用 Model-3/CMAQ 模型研究了 2008 年北京奥运会期间周边省市污染物输送对北京市大气污染浓度的贡献,发现在稳定南风的作用下,北京市大气 PM2.5浓度 50%-70%来自河北省。在长江三角洲地区,程真等(2011)结合长三角 15 个城市的污染排放清单,以 MM5 气象场为基础,利用 CALPUFF 模型对区域内一次污染物(SO2、NOX、PM10)的相互输送影响进行了研究;赵秀娟等(2012)以 MM5-Models-3/CMAQ 空气质量模型为工具,基于情景分析法解析了河北省南部地区霾污染来源,定量评估本地及周边城市人为排放源对细颗粒物(PM2.5)及其组分(SO42-、NO3-、NH4+、EC、OC)的贡献。在珠江三角洲地区,程艳丽等(2009)研究了典型排放源对二次有机气溶胶形成的贡献,结果发现生物源(73%)、流动源(31%)、点源(12%)和有机溶剂源(12%)为主要贡献源,而面源和扬尘源的贡献相对较小。胡晓宇等(2011)的研究也指出城市间输送已成为造成珠江三角洲地区PM10污染的重要因素。在全国尺度,与PM2.5及其关键组分污染特征及来源解析相关的研究亦时有报道。Zhang等采用CMAQ模拟分析了2009年夏季和冬季电厂、工业源、交通源、民用源和天然源主要排放源对国内细颗粒物及其无机离子(SO42-、NO3-)污染的贡献。Ying等基于CMAQ空气质量模型研究了我国2009年夏季和冬季PM2.5硫酸盐和硝酸盐的区域来源,结果表明SO42-和NO3-污染跨输送特征明显。

基于CAMx-PSAT的东莞PM2.5来源分析
颗粒物源识别技术(PSAT)利用活性示踪剂,分配一次颗粒物(BC、OC,地壳粗、细粒子等)和二次颗粒物(NH4+、PSO42-、PNO3-、SOA 等),获取有关颗粒物生成(或排放)和消耗的信息,并统计特定地区、特定源类别的污染源排放等对颗粒物生成的贡献量,该技术与 CAMx 模拟计算总物种浓度的过程平行。一般来说,PSAT 追踪一次颗粒物只需一种示踪剂,二次颗粒物则需多个示踪剂来追踪气态前体物与生成的二次颗粒物之间的关系。PSAT 技术可非常灵活的控制模式模拟时不同化学反应过程中的源追踪。在模拟时间步长 t下,若反应为A → B,示踪物的计算方法如下:

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