城市空气质量数值预报系统对PM25的数值模拟研究

Ｄｅｌｌａｆｔｍｅｎｌ ｏｆ Ａｔｍｏ印ｈｅｄｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｎ毫ｎｊｉｎｇ ＵｎｉＶ廿ｄｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２ｌ００９３
Ｒｅ∞ｉｖｍ ６ Ｊｕｎｅ ２００６；
Ｍ∞Ｉｖ甜ｉｎ弛ｖｉｓｅｄ ｆｏｒｍ ２５ Ｊａｎｕ８ｒｙ ２００７；
Βιβλιοθήκη Baidu
童ｃｃｅｐｔ耐２６ ＪａｎｕａＴｙ ２００７
Ａｂｓ打ａｃｔ：Ｎａｎｊｉｎｇ ｕｎｉｖｅ船ｉｔｙ ｃｉｔｙ Ａｉｒ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ（ＮＪｕ－ＣＡＱＰＳ）ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ． Ａ ｍｏｄｅｌ ｆｂｒ ａｅ∞∞ｌ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｉ８
２ ＰＭｌ．与ＰＭ２．５采集试验（ＰＭＩｏ ａｎｄ ＰＭ２．５ ｓａｍｐｌｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ）
为了解南京市ＰＭ。。与ＰＭ：．，实际浓度分布特 征，并检验发展后的数值模式系统对于城市细颗粒 物的模拟性能，我们分冬夏两季进行了ＰＭｍ与 ＰＭ：．，浓度监测．具体时间分别为夏季（２００４一０８．２７ —２００４－０９—０２），冬季（２００５·０ｌ·１１～２００５·０１一１８）．监 测地点为南京市环境监测中心的４个监测子站（山 西路，瑞金路，迈皋桥，草场门）．４个子站分别位于 南京市不同功能区内，其平均浓度可以反映该物种 在市区的普遍分布特征．采用Ａｎｄｅｒｓｏｎ采样仪采 样，单个样品采样体积大于３０ｍ３．用高纯度过滤乙 烯滤膜收集样品．用化学质量平衡法对采集的ＰＭ。。 和ＰＭ：．，进行来源解析，同时分析了样品的离子成分 （黄辉军，２００６），根据数值模拟计算的要求获取了 同期的氮氧化物、二氧化硫等监测资料．
第２７卷第５期 ２００７年５月
环境科学学报
Ａｃｔａ Ｓｃｉｅｎｔｉａｅ Ｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｔｉａｅ
Ｖ０１．２７．Ｎｏ．５ Ｍａｙ，２００７
欧阳城，蒋维楣，刘红年．２００７．城市空气质量数值预报系统对ＰＭ２．５的数值模拟研究［Ｊ］．环境科学学报，２７（５）：８３８—８４５ Ｏｕｙａｎｇ Ｙ，Ｊｉ柚ｇ ｗ Ｍ，Ｌｉｕ Ｈ Ｎ．２００７．ｓｔＩｌｄｙ∞ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ８ｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭ２．，ｕｓｉｎｇ ｕｒｂ蚰ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ８ｙ８ｔｅｍ［Ｊ】．Ａｃ协ｓｃｉｅｎｔｉ妣 Ｃｉｌｃｕｍ８ｔａｎｔｉ∽，２７（５）：８３８—８４５
本文在实际观测的基础上，运用加入气溶胶模 块后的城市空气质量预报系统对南京市可吸入颗 粒物ＰＭ。。和细颗粒物ＰＭ：．，进行了数值模拟计算， 着重研究南京城市区域内ＰＭ：．，的时间变化规律和 空间分布特征以及由于化学过程产生的二次气溶
胶对ＰＭ：．，浓度的影响．并通过与观测资料的对比， 检验发展之后的模式系统对于城市颗粒物的模拟 性能．
Ｂｉｍｕｌａｔｉｏｎ地Ｂｕｈ瘩ａｎｄ ｏｂ８ｅ竹ａｔｉｏｎ ｄａ纽ｉｎｄｉｃＢｔｅｓ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ ｈ∞ａ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｂ咖ａｎｃｅ ｉｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｃｅｎｔｍｔｉ∞ｓ ｏｆ ＰＭ２．，ａｎｄ ｏｔｌＩｅｒ ｐａｎｉｃｌｅＢ ｉｎ
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南京市是我国著名的大中型城市，近年来经济 迅速发展，城区开发速度明显加快．随着机动车总 量和道路车流量持续快速增长，大气污染特征逐渐 由煤烟型转向石油煤烟混合型，可吸入粒子中细颗 粒物含量不断增加．南京市近期发布的空气污染指 数（ＡＰＩ）显示，大气颗粒物已经成为南京市危害最 大的污染物之一（黄辉军，２００６）．因此，我们选择了 南京市作为本次细颗粒物模拟的研究对象．
Ｂｉｏｇｒ且ｐｈｙ：０ｕＹＡＮＧ Ｙ仰（１９７９一），ｍａｌｅ，Ｐｈ．Ｄ．ｃａｎｄｉｄ８ｔｅ，Ｅ·ｍａｉｌ：ｏｙｙ０７２３＠１６３．ｃ嘲·Ｃｏ丌唧ｏⅡｄｉｎｇ ａｕ也＂
万方数据
５期
欧阳琰等：城市空气质量数值预报系统对ＰＭ：．，的数值模拟研究
８３９
放源的空间分辨率较低，往往是ｌ ｏ×ｌ ｏ源排放资料 即可．而环境监测部门提供的用于城市尺度空气质 量研究的排放源空间分辨率较高，往往仅高架点源 一项就有几百甚至上千个，同时又仅仅只能提供排 放源高度等基本信息，而无法提供制作Ｍｏｄｅｌ￥＿３排 放源清单时所需要的如烟气温度，烟道口径等详细 描述信息．使得排放源制作十分困难，且常常需要 理想化设定有关参数，导致模拟结果的偏差．因此， 有必要建立一套适用于城市尺度并且方便输入常 规业务资料的城市空气质量预报模式．南京大学空 气质量预报模式系统（ＮＪｕｃＡＱＰｓ）（房小怡，２００４ａ） 就是在该背景下建立的．模式系统中包含特有的边 界层模块，考虑了建筑物、人为热源等城市化因素 的影响，非常适合城市尺度的各类空气污染问题的 模拟．运用该模式系统曾对城市的ｓ０：、ＮＯ，等气态 污染物进行了数值模拟，体现了良好的模拟性能 （房小怡，２００４ａ；２００４ｂ）．但是，由于该模式系统最 初是根据环保业务部门的实际需要，针对城市常规 气态污染物的研究及发布污染指数而开发建立的， 模式中所考虑的化学反应主要是气相化学反应，缺 少气溶胶化学的有关反应．目前，因城市的可吸入 颗粒物（ＰＭ，。）、细颗粒物（ＰＭ：．，）对城市环境、人体 健康的综合影响（任丽新，２００２）逐渐成了人们关注 的焦点（ｗａｎｇ，２００２）．为了能够利用该模式系统对 城市颗粒物进行数值模拟研究，有必要对该模式系 统进行发展，在模式系统中加入有关的气溶胶模 块．经发展后的南京大学空气质量预报模式系统， 既可以发挥其在以往城市环境问题研究中的优势， 又扩展了应用领域，提高了其对于城市颗粒物的模 拟性能．
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３ 数值试验方案（Ｎｕｍｅｒｉｃ８ｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ８ｃｈｅｍｅｓ）
３．１ 模式系统的发展 原有的南京大学空气质量预报系统（ＮＪｕ－
ｃＡＱＰｓ）由中尺度气象模式ＭＭ＂城市边界层模式 （ＵＢＬＭ）与大气化学模式（ＡｃＴＤＭ）３部分组成，适 用于城市尺度的气态污染物模拟（房小怡，２００４ｂ）．
参考另一空气质量预报模式ＣＡＭｘ中内嵌的气 溶胶模块ＦＡＳＴＡＥＲＯ中提供的有关气溶胶化学方 案，在原有的模式系统（ＮＪＵ．ＣＡＱＰｓ）中引入１个参 数化的气溶胶热力学平衡模块和１个二次有机气溶 胶模块，在气溶胶粒径分布上考虑ＰＭ。。和ＰＭ：．，２种 模态． ３．１．１ 热力学平衡模块对于硫酸盐，气相化学反 应生成的硫酸在气一粒分配过程中全部以硫酸盐的 形式存在．对ｓＯ：的液相氧化过程进行参数化处理， 考虑相对湿度、温度等影响因子．硝酸钠由钠盐和 总硝酸盐（包括气态硝酸和硝酸盐）按照化学反应 式量的比例生成．硝酸铵浓度的大小受到总硝酸 盐、硫酸盐、硝酸钠、总氨（包括气态氨和铵盐）浓度 大小和相互比例关系的共同影响．同时，还需要考 虑温度、相对湿度以及硝酸和氨的浓度比例关系． 最终的硝酸盐包括硝酸铵与硝酸钠，硫酸盐包括硫 酸铵和硫酸钠．
ＰＭ。。特别是ＰＭ：．，的浓度分布特征有着特别重要的 意义．
在国内空气质量数值预报领域中，目前使用较 为广泛的是美国ＥＰＡ开发的空气质量模式Ｍｏｄｅｌｓ－３， 该模式在国内主要应用于区域尺度的模拟研究（张 美根，２００３，２００４，卢艳，２００５），城市尺度的模拟应用 相对较少．主要原因是区域性问题研究时要求的排
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｉｔｙ ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｐ聆ｄｉｃｔｉｏｎ ８ｙ８ｔｅｍ；ＰＭ２．５；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｈｔｉｏｎ；５∞ｏｎｄａｒｙ北ｍｓｏｌ
ｌ引言（Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ）
可吸入颗粒物ＰＭ。。已经成为影响中国城市空 气质量的首要污染物，我国１９９６年颁布的环境大气 空气质量标准中已明确规定了ＰＭ。。的年均与日均 的质量浓度标准．在ＰＭ。。中，ＰＭ：．，又占了相当大的 比例（黄鹂鸣，２００２，黄辉军，２００６）．因此，了解城市
城市空气质量数值预报系统对ＰＭ２．５的数值模拟研究
欧阳琰，蒋维楣’，刘红年
南京大学大气科学系，南京２１００９３
收稿日期：２００６·０６－０６
修回日期：２００７－０１—２５
录用日期：２００７一Ｏｌ一２６
摘要：发展了南京大学城市空气质量数值预报模式系统（ＮＪｕ－ｃＡＱＰｓ），在模式系统中引入了气溶胶模块．运用该系统对南京地区冬夏两季 ＰＭ，。浓度的时问变化规律和空问分布特征进行了数值模拟研究，通过与实际观测资料对比，检验发展后的模式系统对于细颗粒物的模拟性 能．结果表明，南京市城近郊内冬夏两季ＰＭ２５浓度具有明显的时空变化特征。一般在半夜和清晨会出现较高浓度，午后至傍晚浓度较低．冬季 浓度高于夏季，冬夏两季算例的浓度日均值之比为１．５１．空间分布受到排放源位置、地面流场等因素影响．二次气溶胶在ＰＭ２．５中占相当的份 额，冬夏两季算例中二次气溶胶在ＰＭ：．，中所占比例分别为１２％和１５％，夏季二次气溶胶对ＰＭ：．，浓度贡献较冬季大．与实际观测资辩的对比 验证表明，经过发展的该模式系统对于城市ＰＭ：．５等颗粒物的模拟性能良好． 关键词：城市空气质量数值预报系统；ＰＭ２，５；数值模拟；二次气溶胶
文章编号：０２５３．２４６８（２００７）０５一０８３８一０８
中图分类号：）【３２
文献标识码：Ａ
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＭ２．５ ｕｓｉｎｇ ｕｒｂａｎ ａｉｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｍｏｄｅｌ ｓｙｓｔｅｍ
ＯＵＹＡＮＧ Ｙ８ｎ，ＪＩＡＮＧ Ｗｅｉｍｅｉ’，ＬＩＵ Ｈｏｎｇｎｉａｎ
基金项目：江苏省环保科技项目（Ｎｏ．２００４００８） Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ ｔｈｅ Ｐｍｊｅｃｔ ｏｆ Ｊｉａｎ铲ｕ Ｐｍｖｉｎｃｉａｌ Ｅｎｖｉ∞ｎｍｅｎｔａｌ Ｐｍ把ｃｔｉｏｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎｏ．２００４００８） 作者简介：欧阳琰（１９７９一），男，博士研究生．Ｅ—ｍａｉｌ：ｏｙｙ０７２３＠１６３，ｃｏｍ；·通讯作者（责任作者》