基于CMAQ的大气环境容量计算方法及控制策略

差与相关系数值，如表 1 所示。从检验结果可以看出，
对于 1、4、7、10 月，CMAQ 由于考虑了大区域的污染
物输送及大范围的背景源信息，SO2、PM10 和 NO2 的 日均误差均在 30%以内，可以较好的反映四季代表月
式如下式所示，am 是模型模拟值，ao 是观测值，N 为时
间样本数。
Σ f
(Fra Baidu bibliotek
%
)
=
1 N
N | aim- ai0 |
i=1
aim
（1）
Corr = cov ( aim，ai0 ) 姨var ( aim) var ( ai0)
（2）
将模拟获得的每小时 1 次的数据进行统计处理，
得出滦县地区 2006 年 1、4、7、10 月模型值的日均误
为此，本文以 SO2、PM10、NO2 为污染物，利用空气 质量模型 CMAQ 及 fortran 语言，建立了真实条件下 基于不同污染物达标率情况的月大气环境容量的计 算方法，该方法计算的环境容量可以反映研究地区的 季节性变化特征。以唐山市滦县南部地区的环境容量 分析为例，确定了该地区的大气环境承载力指标，为 该地区的工业项目引入提供科学依据。
收稿日期：2010-01-29；修回 2010－03－31 基金项目：国家重点基础发展计划（973）项目（2005CB724201）；河北省科技支撑计划项目（09276723） 作者简介：李莉（1982-），女，博士研究生，研究方向为大气环境数值模拟及环境规划与管理，（手机）13811811283（电子信箱）gogolily126@hotmail.com。
环境容量计算，还有人利用多维多箱模型提出了基于 试差法的[3]不同达标率下的唐山市区环境容量计算。 然而，受自身模型的限制，以往的环境容量研究都是 基于统计方法来进行的，即通过选取典型日、典型时 段来计算大气环境容量，不能反映真实情况下的四季 变化特征。
近年来，随着计算机技术的进步和空气质量模型的 发展，模拟真实条件下不同网格分辨率、小时分辨率 的空气质量模式已经出现，如 AERMOD、CALPUFF 和基于一个大气模式的 RAMS、CMAQ、CAMx 模式 等。安兴琴[4]等利用 RAMS 得出各污染单元 SO2 的相
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第 33 卷
（项目编号：HB200504-3）获得的北京、天津、河北、内 蒙古地区市较详细的面源、点源排放数据；内层选取 研究区域提供的精确到乡镇级别的污染源调查数据。 源清单均经过季节调整系数修正。
2 结果分析
2.1 模型验证
应用评估研究[7]中常用到的日均偏差（（f %））和相
关系数（Corr）对空气质量模式进行统计检验。所用公
CMAQ 是近年来大气环境污染控制研究中应用 较多的[5-6]，也是较为先进的模式。该模式是美国环保 署（EPA）发布的第三代空气质量模式系统，它将各种 复杂大气物理、化学过程的模式系统化，以应用于环 境影响评价及决策分析中。CMAQ 适用于城市和区域 尺度对流层 O3、酸沉降、能见度、细粒子及污染物的空 气质量模拟，模式设计要达到两个目标：环境管理部 门可以评估管理方案、措施在不同范围尺度对多种污 染物的空气质量影响；为科学家提供更好的探知、理 解和模拟大气中的物理和化学相互作用的手段。 CMAQ 设计为多层次网格模式，在实际的模拟区域之 外，首先以较粗的网格进行模拟，以取得细网格的边 界条件，进而使细网格的准确度提高。这样做好处有 两点：第一，在粗网格计算时总网格数变少，运算时间 得以有效的减少；第二，在细网格部分，由于边界层条 件是由外层网格所提供，而非固定值，则可以增加网 格的准确度。CMAQ 模式结构严谨，体系完整，并可灵 活的根据研究需要与适合的模型相耦合。这既符合科 学研究的需要，也满足了环境管理部门的应用需求。
关键词：CMAQ； 环境容量； 季节变化； 控制策略 中图分类号：X820 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.1003-6504.2010.08.038 文章编号：1003-6504(2010)08-0162-05
A Calculated Methodology of Atmospheric Environmental Capacity Based on CMAQ and Control Strategy
LI Li, CHENG Shui-yuan, CHEN Dong-sheng, HAO Lin-bo, FU Hong-ling
（College of Environmental & Energy Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China）
1 研究方法
1.1 基于 CMAQ 的大气环境容量计算方法 选取空气质量模型 CMAQ 计算研究区域的大气
环境容量。具体方法是通过将不同污染源数据输入模 型，选取 1、4、7、10 四个月份作为研究区域大气环境 容量的代表月，根据空气质量模拟结果判断该区域各 代表月某种污染物的不同达标率情况下的大气环境 容量。在 GIS 系统的辅助下，对污染源的增减采用试 差法，即在现状排放量和达标率基础上，对污染物排 放量进行调整，重新进行数值计算，以满足不同的达
标率要求。该达标率条件下的污染物排放量，即为该 达标率条件下污染物的大气环境容量。基于 CMAQ 的大气环境容量计算流程图如图 1 所示，模型的循环 用 Fortran 语言实现，虚线框为可调整部分。
1.2 模型设置 由于 CMAQ 采用的是一个大气模式，空气流动
是一个整体，所以除对研究区域进行模拟外，采用了 三层嵌套模型系统，分别为 27km、9km 和 3km 分辨 率 的 网 格 ，其 中 外 层 嵌 套 区 域 包 括 北 京 市 、天 津 市 、 河 北 省 及 山 东 省 、河 南 省 、辽 宁 省 、山 西 省 、内 蒙 古 自治区的部分地区，以实现污染物区域间输送情况 的模拟，从而得到更加准确的空气质量浓度分布。 研究区域附近地区为 3km 分辨率的网格模拟，垂直 计算网格 12 层。数值模型最内层网格模拟区域如图 2 所示，其中粗实线部分为研究区域。应用 MM5 模 型提供气象背景场，模拟区域气象模式初始场为美 国 1°×1°的 6 小时 NCEP 分析数据，并采用模拟区 域各省市各气象站台2006 年的温、压、湿、风等 3 小 时分辨率的气象要素资料，对 MM5 初始场进行了四 维同化。污染源清单：外层选取“北京与周边地区大气 污染物输送、转化及北京市空气质量目标研究”项目
第 33 卷 第 8 期 2010 年 8 月
Environmental Science & Technology
VoAl.u3g3第. 32N30o1卷.80
基于Ｃ Ｍ Ａ Ｑ 的大气环境容量计算方法及控制策略
李莉， 程水源， 陈东升， 郝粼波，付红玲
（北京工业大学环境与能源工程学院，北京 100124）
大气环境承载力分析，是环境管理的重要内容， 涉及到研究地区的可持续发展问题。大气环境承载力 分析又以环境容量分析为基础。环境容量由两类因素 决定：一类是自然因素，即污染物在大气中的输送、扩 散、干湿沉积以及各种化学清除与转化过程等；另一 类是社会因素，包括污染源的布局、污染物的种类与 排放方式、控制点的选取、环境目标值的确定等。目 前，关于环境容量的计算方法很多：如用 A-P 值法[1] 来计算环境容量，该方法应用最广，也最成熟。第二代 空气质量模型的出现，如 ADMS、ISC3 模型、多箱模 式等，可与优化规划相结合[2]，实现了基于总量控制的
摘 要：利用空气质量模型 CMAQ 建立了真实条件下基于不同达标率的大气环境容量计算方法，为大气环境质量管理提供了科学依 据。采用 CMAQ 建立研究区域的空气质量模型系统，设置多层嵌套网格（最小网格分辨率 3km），获得了 2006 年 1 月、4 月、7 月、10 月（四季 代表月）的小时污染物浓度值。通过调整研究区域的污染源排放量，并结合空气质量监测数据和环境空气质量标准，建立了不同污染物的达标 率与环境容量关系曲线。研究证明，该方法可以确定可吸入颗粒污染物、二氧化硫和二氧化氮在不同达标率下的大气环境容量，并充分反映三 种污染物环境容量的季节性变化特征。研究结果不仅有利于环境管理者制定针对研究区域的空气总量控制方案，还有助于构想基于季节性 变化的污染控制策略。
Abstract：CMAQ air quality model was used to establish a calculated methodology of atmospheric environmental capacity based on different air quality guideline-satisfaction ratio under the real conditions, which would be helpful to the air quality management. Air quality model system was established by using CMAQ for the research area with multi-nested grids, with the smallest grid resolution of 3km. Air quality concentration of January, April, July and October which were on behalf of four seasons in 2006 was obtained by running the system. The curve which reflects the relationship between air quality guidelinesatisfaction ratio and the environmental capacity was achieved by adjusting the sources emissions of the research area and combining with air quality monitoring data and air quality standards. Results indicated that the method can determine the atmospheric environmental capacity of pollutants under different air quality guideline -satisfaction ratio, as well as gave a comprehensive response to its seasonal changes. Therefore, the results would be helpful not only for environmental managers to formulate the air-volume control programs but also conceive a pollution control strategies based on seasonal changes. Key words：CMAQ; environmental capacity; season change; control strategy
第8期
李莉，等 基于 Ｃ Ｍ Ａ Ｑ 的大气环境容量计算方法及控制策略
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互贡献系数，并代入优化方程确定了各单元均满足空 气质量标准下的环境容量。该方法优点很多，然而，却 不能反映环境容量与达标率之间的关系。即使污染物 排放量在环境容量允许范围之内，由于 1、4、7、10 月 相同污染物排放量造成的污染浓度贡献差异，很可能 出现 1 月份空气质量达标率不高的现象。为了适应高 时空分辨率的空气质量模型，环境容量的计算也应相 应地细化，以反映时变特征。