凉山州工业排放PM_10_的数值模拟研究

第31卷第2期2011年6月高原山地气象研究P l ateau and M oun tai n M et eoro l ogy Research Vo.l 31No 2J un.2011收稿日期:2011-02-03作者简介:李杨,硕士研究生,研究方向为环境规划与评价。

E m ai:l li yangyang2008@yahoo .cn文章编号:1674-2184(2011)02-0045-05凉山州工业排放P M 10的数值模拟研究李 杨1,刘志红1,钱 骏2,廖瑞雪2,边敏娟1(1.成都信息工程学院,四川成都610225;2四川省环境保护科学研究院,四川成都610041)摘要:利用CALPU FF 耦合MM 5的大气扩散模型,对四川省凉山彝族自治州2007年工业排放P M 10的扩散传输进行数值模拟,分析了污染物的浓度时空分布以及影响污染物浓度分布的主要因素。

结果表明:CALPU FF 耦合MM 5模型对凉山州2007年工业排放P M 10的浓度模拟有着较好的适用性;污染物主要沿着安宁河和黑水河分布,浓度分布特征随时间变化,其中冬季污染较为严重;各市(县)的PM 10浓度值有空间差异,西昌和甘洛污染最为严重,季平均浓度分别为67 81 g /m 3和57 23 g /m 3;凉山州P M 10的浓度分布受气象条件、地形和污染源的地理位置的综合影响。

关键词:大气污染;CA LPUFF 模型;MM 5;数值模拟;PM 10中图分类号:X511 文献标识码:A do:i 10 3969/j issn 1674-2184 2011 02 008引言随着工业化的快速发展,城市大气污染日益受到关注,特别是复杂地形城市,由于其特殊的地理条件影响了污染物的中远距离传输,更加受到相关专家的重视。

目前,国内外就大气污染问题建立了许多大气质量模式,其中适用于广域区域模拟的大气扩散模型CALP UFF 在国内有着广泛的应用。

王淑兰[1]等利用CALPUFF 模型揭示了珠江三角洲内城市之间污染物相互输送的特点和规律,并分析了不同城市空气污染影响因素的差异,定量给出了珠江三角洲城市间空气污染的相互影响和相互贡献;张雯婷[2]等利用CALP U FF 模型模拟了贵阳建筑扬尘对P M 10浓度的贡献,分析了其季节变化及影响因素。

凉山州地处于四川省西南部横断山脉东部的高山峡谷区,其P M 10的排放大多来自于工业企业,对空气质量有着重要的影响。

为了保持凉山州空气质量,对工业排放P M 10的浓度分布情况进行模拟研究有着重要的意义。

本研究尝试利用CALP U FF 模型耦合中尺度气象模式MM 5模拟凉山州2007年工业排放P M 10的浓度分布情况,分析污染物的浓度分布特征以及影响浓度分布的主要因素,为大气环境容量测算、大气污染治理提供科学依据。

1 材料与方法1 1 模型简介CALP UFF[3][4]模型由美国国家环保局开发,采用非定常三维拉格朗日烟团输送模式及烟团函数分割方法,垂直坐标为地形追随坐标,水平结构为等间距的网格。

采用地形动力学、坡面流参数方法对初始猜测风场分析,适合于粗糙、复杂地形条件下的模拟[5]。

模型系统包括诊断风场模型CAL MET [6]、高斯烟团扩散模型CALP U FF 和后处理CALPOST 三部分。

CAL M ET 利用MM 5模式输出较高精度的风场作初始场,结合地形的运动学和热力效应来调整初始风场,然后经气象站的地面常规观测资料修正产生最终风场,这样使模拟风场更接近现实风场。

接着以改进后的气象风场驱动CALP U FF 进行空气质量的预测。

CALP O ST 对模拟结果进行后处理。

MM 5[7]模式是由美国国家大气研究中心(NCAR )和美国宾州大学(PS U )在原有的流体静力模式MM 4基础上发展出的新一代中尺度非流体静力气象模式。

MM 5模式具有多重嵌套功能、非静力动力框架、地形垂直坐标以及四维资料同化系统,对中尺度和区域尺度的大气环流预报和模拟有较好的效果[8~10],是具有数值天气预报业务系统功能和天气过程机理研究功能的综合系统[11]。

本次研究中MM 5为CAL MET 提供气象初始场。

1 2 研究区域及污染源分布凉山彝族自治州(26 03 ~29 18 N ,100 31 ~103 52 E )位于四川省西南部横断山脉东部的高山峡谷区,包括17个县(市)。

地貌类型以山地为主,约占总面积的71 7%以上,山地多为海拔大于1500m 以上的高中山和中山,相对高差长达1000~2500m 。

气候条件受海拔高度和地形影响,垂直差异明显,小气候复杂多样,具有年温差较小,日温差较大,干雨季分明,四季不甚明显的特点。

凉山州工业大气污染源以有色、黑色冶炼,烟草及水泥等建材行业为主。

冶炼是烟尘的主要污染行业;工业粉尘排放主要源于冶金和建材生产企业。

各大污染源在生产周期上基本为连续排放,故各种污染物排放在时间上相对均衡。

凉山州大气污染源较分散,中小企业偏多,骨干企业较少;企业分布主要沿安宁河沿线逐步扩大分布,其中德昌、西昌、盐源、会理等县市污染源分布较密集;盐源、木里两县占全州面积比例较大,但污染源较少。

污染源分布见图1。

1 3 数据基础从NCAR资料下载中心得到NCEP1 1 再分析资料作为MM5的初始场,时间间隔为6小时。

地面气象资料来自凉山州西昌、雷波、盐源、会理4个县(市)的地面观测站数据,包括风速、风向、气温、云量、云底高度、地面气压、相对湿度、降水量和降水类型。

区域地形高程和土地利用类型等地理数据采用美国地质调查局(U SGS)资源数据中心的数据,经处理得到各网格平均高程和土地利用类型。

P M10监测数据来自西昌大气环境监测站24小时自动采样,监测地点位于西昌市,站点分别为州政府和长安。

2 模拟与验证2 1 模型参数设置利用CALP U FF耦合MM5模拟凉山州2007年P M10浓度分布情况,模拟时间为2007年1、4、7、10月。

模拟中MM5采用墨卡托投影,网格设置双重嵌套,中心27 67 E,中心101 98 N,母网格设置64 52个网格,分辨率为15km;子网格设置88 82个网格,分辨率为5km,包括了凉山州整个区域,垂直方向设置12层。

CALPUFF 设置模拟水平网格尺度为5k m,网格数为88 82,垂直方向顶层高度为4000m,分为12层。

22 模拟结果验证通过模型模拟得到2007年1、4、7、10月凉山州工业排放P M10的浓度分布。

将模拟值与监测值进行线性回归,以尽可能的验证模型的适用性。

位于西昌市有两个自动监测站点:州政府和长安,根据监测站点4个月的监测数据和模拟数据,得到样本总数96,线性回归方程C模拟=0 589C监测-0 004,相关系数R=0 42。

图2展示了模拟值与监测值的对比,从折线变化规律上看,CALPUFF模拟结果基本上能够反映凉山州P M10的浓度变化情况,模拟结果可信,但模拟结果较监测结果偏低。

造成模拟结果与监测浓度存在偏差的原因有: (1)模型设置网格分辨率为5km,模拟结果是一个区域平均值,而监测值是定点值,因此模拟值与监测值会存在偏差。

(2)模拟仅对凉山州区域范围进行浓度模拟,模拟区域外的污染物输送会造成模拟值与监测值一定程度上的差异。

(3)此次模拟仅考虑了P M10的工业排放情况,而P M10的来源一般比较复杂,排放清单的建立以及源排放估算的不确定性,会使得监测值与模拟值存在差距。

3 结果与讨论3 1 四季浓度特征经CALP UFF模型模拟得到出凉山州2007年工业排放P M10的浓度时空分布,模拟时间为1、4、7、10月,分别代表冬、春、夏、秋的四个季节。

图3中给出1、4、7、10月P M10的月均浓度分布图。

可以看出,污染物主要沿着安宁河和黑水河沿线扩散传输,其中安宁河谷污染较突出。

四季污染物的浓度分布特征又呈现出差异,其中冬季高浓度区域范围较大。

从地域上看,西昌、甘洛、宁南、美姑都有浓度峰值区。

1、4、7、10月的月均浓度最大值分别达到102 g/m3、86 g/m3、70 g/m3、101 g/m3。

这些高浓度格点都出现在西昌地区,如图3中坐标点分别为(818 561,3075 752)、(818 561,3065 752)、(818 561, 3065 752)、(818 561,3080 752)。

46高原山地气象研究 第31卷以全州各市(县)为关心点,计算得到了工业排放P M 10对其影响情况,如表1。

受季节变化的影响,P M 10对各地的浓度影响值也有不同程度的变化。

会理、金阳、布托、昭觉、雷波、盐源污染物浓度较小,年均浓度在1 g /m 3以下,其中会理、金阳、布托、盐源四季浓度均未达到1 g /m 3;宁南、普格、西昌、甘洛污染物浓度较大,年均浓度均达到10 g /m 3以上,其中西昌和甘洛污染物浓度最大,且四季浓度值波动较明显。

西昌的冬季污染较严重,月均浓度达到110 55 g /m 3;甘洛的秋季污染较严重,月均浓度达到149 65 g /m 3。

两地四季平均浓度分别达到67 81 g /m 3和57 23 g /m 3。

表1 凉山州2007年工业排放P M 10对各地浓度影响值月均值/ g m -3会理会东宁南普格德昌金阳布拖西昌昭觉雷波美姑喜德冕宁越西甘洛木里盐源1月0 160 6319 279 896 740 780 43110 551 631 223 011 986 024 2549 433 790 744月0 171 0712 125 269 070 400 2857 470 660 251 581 032 761 3019 092 110 447月0 201 354 628 4312 070 190 3523 790 640 155 700 763 520 8420 762 750 5710月0 132 218 1916 896 020 220 1679 410 670 202 470 946 431 01149 653 390 24平均值/ g m -30 171 3211 0510 128 480 400 3167 810 900 463 191 184 681 8557 233 010 5047第2期 李 杨,等:凉山州工业排放PM 10的数值模拟研究3 2 24小时浓度变化西昌地区污染源较多且分布密集,对局地空气质量影响大,因此污染较重;甘洛地区污染源较少,但源排放量较大,受气象条件的影响,也出现高浓度值。

1、4、7、10四个月中,日均浓度超过100 g /m 3西昌有26天,甘洛有19天。

西昌1月污染较严重,日均浓度最大值出现在1月8日,达到346 61 g /m 3;甘洛10月污染较严重,日均浓度最大值出现在10月13日,达到487 85 g /m 3。