基于细颗粒物PM2.5达标约束的大气环境容量核算

WRF 初始场和边界场采用 NCEP 的 FNL 全球再分析资料（1.0°×1.0°），土地利用类型 数据和地形高程数据采用 USGS 数据。模拟时段为 2015 年，模拟时段选取 1、4、7、10 四 个典型月份，分别代表冬季、春季、夏季和秋季，模拟时间间隔为 1h。模拟区域采用兰伯 特投影坐标，包括 3 重嵌套网格：第一层分辨率为 27km，网格划分为 66×78，覆盖中国东 部大部分地区，包括华北、华东和华南等地；第二层模拟区域分辨率为 9km，网格划分为 58×70，主要覆盖该省及周边部分省；第三层模拟区域分辨率为 3km，网格划分为 54×64， 主要该市及周边部分市。物理过程参数化方案选择如表 2 所示。
关键词：大气环境容量，空气质量达标，CMAQ，PM2.5
Modeling Study on Atmospheric Environmental Capacity of Major
Pollutants Constrained by PM2.5 Compliance
Li Zhenliang1,2, Jiang Hongqing1,3*, Lu Yaling1,3, WU Yuewen1,3
污染源排放总量根据不同季节取相应的分配系数，春、夏、秋、冬的分配系数分别为 0.90、 0.85、1.00 和 1.25。对环境统计数据中重点工业源，依据企业经纬度坐标，采用 GIS 空间 分析技术，自下而上建立 3km 分辨率工业源网格化排放清单；对于以区县或乡镇行政区为 统计单元的生活源，以 1km 分辨率人口密度为权重，将生活源排放量分解到 1km 网格，采 用 GIS 空间融合技术建立 3km 分辨率生活源网格化排放清单；对于以地级城市为统计单元 的移动源，以路网数据为基础，将移动源排放量分解到 3km 网格,建立 3km 分辨率移动源 网格化排放清单；最后对工业源、生活源及移动源排放清单进行空间叠加，得到 3km 分辨 率的 SO2、NOx 和颗粒物（PM10、PM2.5）网格化排放清单。
基于细颗粒物 PM2.5 达标约束的大气环境容量核算
李振亮 1,2，蒋洪强 1*，卢亚灵 1，武跃文 1
（1. 环境保护部环境规划院 环境保护部环境规划与政策模拟重点实验室，北京 100012；2. 重庆市Байду номын сангаас境科 学研究院，重庆 401147）
*通讯作者，研究员，博士，主要研究方向为环境规划与区域经济，（电子信箱）jianghq@。
1.2 WRF 和 CMAQ 参数设置
污染物在大气中的扩散及对流、干湿沉降、化学转化等过程均与风速、风向、温度、相 对湿度、气压、边界层高度等气象条件密切相关，因此气象条件是影响大气污染特征的重要 因素之一，也是空气质量模型模拟大气污染特性的重要输入资料。本项目基于中尺度气象数 值模式 WRF（Weather Research and Forecast）实现了空气质量模型所需的风向、风速、边界 层高度等关键气象要素能力，对大气物理化学反应的气象驱动因素进行模拟。
Environmental Planning and Policy Simulation, Beijing 100012)
Abstract: In this study, CMAQ was applied to estimated the atmospheric environmental capacity of major pollutants constrained by PM2.5 compliance for a city in the middle of China, by iteratively computing the responding relationship between air quality and pollution emissions. The results would be references for the compliance planning of ambient air quality. Model calibration show that the daily-average PM2.5 simulated by CMAQ give the better consistence to the measured values after multiplying by the coefficient 2.05, which demonstrates that the emission inventory based on the environmental statistics data might underestimate the emissions of particulate matter. It is estimated that the fugitive emission and dust emissions would be about 2 times higher than the particulate matter emissions from the environment statistics data. Regional ambient air quality compliance could be achieved by using a space difference strategy (i.e. the units, whose emissions are less than the average emissions, maintain constant emissions; the other units, whose emissions are larger than the average emissions, are reduced in proportion to self-emissions) for the reduction of major pollutants from local area and surrounding areas. The results indicate that 14.76% and 18.72% reduction for SO2 and NOx emissions, respectively, and 0.88 ten thousand tons reduction for primary PM2.5 are necessary for the purpose that annual-average PM2.5 in the city is in accord with the concentration standard (GB3095-2012). Keywords: atmospheric environmental capacity; air quality compliance; CMAQ; PM2.5
(1. Chinese Academy for Environmental Planning, Beijing 100012; 2. Chongqing Research Academy of
Environmental Sciences, Chongqing 401147, P. R. China; 3. State Environmental Protection Key Laboratory of
35% 35% 35% 22.5% 5% 2.5%
生活源
60%
45% 40% 25% 25% 5%
5%
机动车源
90%
25% 22.5% 45% 25% 2.5% 5%
*：不同工业源的比例根据实际排放情况（如燃烧锅炉类型、有无除尘设备等）进行估算
污染源排放清单需要进行时空分配，以满足 CMAQ 的需求。为了体现季节间的差异，
大气环境容量核算方法主要包括 A-P 值法、线性优化法及模型迭代计算法，其中 A-P 值法应用较广，原理较简单，没有考虑外来污染源的贡献；线性优化法是基于各功能区对环 境空气质量指标的影响传输矩阵，在环境质量达标排放的约束下，采用最优化技术计算得到 各功能区的最大环境容量[5-9]。无论是 A-P 值法或者线性优化法，均是基于线性假设的前 提，不适用于复合型污染物的环境容量核算。模型迭代计算法可以通过模型输入（污染源排 放量）和环境质量之间的响应关系，计算得到 PM2.5 等复合性大气污染指标约束下的多污染 环境容量[3,10]。
根据环境统计数据中的主要污染源——重点工业源、非重点工业源、生活源及机动车源， 各污染源中烟（粉）尘排放数据转化为 PM，PM 各组分的估算比例系数见表 1。
污染源
表 1 PM 各组分的估算比例系数
Table 1 Proportion of compositions in PM
PM 在烟粉
PM 各组分的比例
表 2 WRF 和 CMAQ 参数方案设置
Table 2 Parameterization scheme for WRF and CMAQ
WRF
CMAQ
参数化方案 相关设置 参数化方案
前言
目前我国大气污染特征已从煤烟型污染转变成为复合型污染[1]。2015 年，全国 338 个 地级以上城市中，265 个城市环境空气质量超标，占 78.4%。超标天数中以细颗粒物（PM2.5） 和臭氧（O3）为首要污染物，分别占超标天数的 66.8%和 16.9%[2]。PM2.5 和 O3 为典型的复 合型大气污染物，其浓度值不仅与颗粒物直接排放量相关，还与影响其二次污染组分的其他 污染物（如 SO2、NOx、NH3、VOCs）排放有关。复合型大气污染物浓度值与各污染物排放 量存在较为复杂的非线性关系[3,4]。核算细颗粒物 PM2.5 大气环境容量，不仅需要计算一 次颗粒物的允许排放量，还需要计算影响大气环境化学反应的其他污染物的“最佳”允许排放 量。
尘的比例* PMC PMF PEC POA
PSO4
PNO3
工业源（火力发电）
95%
20% 25% 45% 25% 2.5% 2.5%