王自发-区域大气细颗粒物来源解析方法

Wu, et al. ACP, 2011
95% Other XH CZ SH LF BD ZJK CD TQ TJ BJ
Percentage
90%
85%
80%
75% 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 Aug 2006
对北边（张家口、承德）夏季贡献大，冬季小 对南边（保定、廊坊）冬季贡献大，夏季小
南
北
西
战略环境评价实例应用
西部大开发重点区域和行业发展战略环境评价分项目之一
西南（云贵）重点区域和行业发 展战略环境评价 大气环境评价
目标
环境保护总目标：大气环境质量总体保持良 好，产业发展不使大气环境质量出现恶化
夏季
西南季风 作用，主 要受印度 等国输送 影响
云南
贵州 冬季
云南
贵州
受我国大 陆反气旋 和青藏高 原地形影 响，接受 东南海域 及省份较 干净气团 影响
东北气流 秋季 作用，主 要受华中 地区高浓 度污染物 输送影响
贵州
云南
云南
贵州
云贵两省重点产业排放贡献行业构成
排放贡献排序：电力行业>建材行业>化工行业>钢铁行业>有色冶金行业
硝酸盐源解析方法较为复杂，需追 踪一次排放NOy的污染来源 硝酸盐
OSAM源解析计算流程
标识来源
源排放
Pre +ΔPre 来源i Sec + ΔSec 来源i
地域 时间 行业
平流、扩散、沉降
Pre 来源i Sec 来源i
化学反应
Pre -ΔPre 来源i
Sec + ΔSec 来源i
源解析
按前体物 分配来源
技术名称
OSAT
解析物种
臭氧
解析过程
不同地区和行业
技术来源
自主发展 国外引进
源识别与追踪技术 一次、二次污染物 不同地区和行业
PSAT
颗粒物
不同地区和行业
国外引进
传统数值源解析方法
敏感性分析方法 • 非线性的误差； • 计算时间较长，多地域多物种 解析需要多组试验；
PM2.5
O3
北京 外的 贡献
化学非线性
3.化学转化过程
SO2 RSO4
NOX RNO3 ……
4.大气静态容量
Q=C标准*V
气候特征及对大气污染的影响
气候特征：高原季风气候 环流背景：孟加拉高压气流影响 降水特征：雨量充沛，主要集中在夏季 光照条件：云南较好，贵州较差
环流背景场的影响
冬暖夏凉，气候湿润 东南亚、南亚地区污染物的主要输送通道
重点产业排放贡献空间分布
• 污染物排放现状及历史
变化趋势分析 • 产业排放贡献分析 • 产业大气环境效应分析
控制与应对
大气环境预测 与风险评估
• 污染物排放预测分析 • 空气质量预测分析
承载力分析
• 环境容量计算 • 基准年、情景年区域 承载力分析 • 重点行业的承载力分 析
• 潜在风险评估
主要评价思路
收集基础数据和资料
针对性的减排措施 区域联防联控 高效的应急措施
行业
对人体健康和生态环境危害很大
地域 时段
前 体 物 来 源
来源解析：源模型法
《大气污染防治行动计划》“国十条” 《大气颗粒物来源解析技术指南》环境保护部 环发[2013]92号 源模型法：空气质量模型+高分辨率源清单+模式诊断技术
环保部“来源解析技术指南”
• 本地贡献小于 5μg/m3
• 苏州、嘉兴、 杭州和绍兴贡 献明显 • 长三角之外地 区对硫酸盐贡 献非常大
空间ID
上海城区
初边条件 上海城区 上海郊区 苏州 南通 无锡 泰州 常州 镇江 扬州 南京 嘉兴 宁波 湖州 杭州 绍兴 长三角之外
上海郊区
模拟结果：硝酸盐之区域来源
• 来源复杂 • 不同时段主 要来源地不 尽相同 • 城郊区来源 差别不大
CE △C CE-50%2
污 染 物 浓 度
△C1≠2*△C2
Streets et al., 2008
北京 的贡 献
From 上海市环境监测中心 △ C1
Ebase-50% 0
排放源
Ebase
源解析方法对比
技术方法 解析物种 解析来源
敏感性分 析方法 NAQPMS源 示踪法 PSAT OSAT GOAT 一次污染物
确定大气环境评价因子 校验大气污染源清单 模式调试及前期准备
— 数据收集及整理
部署实地综合观测
基础数据分析 区域污染状况数值模拟及分析
— 现状研究及评价
污染及排放源演变趋势分析 环境风险评价
重点产业战略发展建议
— 未来预测及评价
关键问题评价方法：区域污染输送与预测
OSAM源解析方法原理
假设条件： ①每种污染物可以按一次排放前体物分配其来源 ②空气中污染物是充分混合的，同一种污染物在所有标识来 源中具有相同的化学反应属性 ③污染物可100%分配到所有可能来源： 基本方法
A(前体物) B(二次产物)
多物种
化学平衡
二次气溶胶解析方法
SO2生成硫酸盐近似线性 硫酸盐 铵盐和氨气达到化学平衡 铵盐
地方空气质量业务预报 上海（2004 - ） 深圳（2003－）
沈阳（2007－） 北京（2008－）
大事记空气质量保障 北京奥运会 上海世博会 广州亚运会
NAQPMS污染源解析技术
优点（比传统敏感性分析方法） • 避免了非线性的误差 • 多地域多物种同时解析 应用 • 不同地区的相互输送量计算 • 污染来源（行业）解析
污染物排放标准 ——《大气污染物综合排放标准》、《水泥工业大气污染物排放标
准》、《火电厂大气污染物排放标准》、《锅炉大气污染物排放标准》、《煤炭 工业大气污染》、《工业炉窑污染物排放标准》……
大气环境容量
——根据评价区大气环境容量，评估现状及情景年大气承载力
评价因子选择
主要评价因子：SO2、NO2、PM10 复合污染评价因子：O3、PM2.5 酸雨评价因子：pH值 特殊评价因子：TVOC、苯、甲苯、二甲苯、能见度
北京 PM2.5 保定 PM2.5 天津 唐山 PM2.5 石家庄 PM2.5 京津冀霾天
全国霾污染日益严重： 三区十群
霾天数
北京 >160天/年
上海 >200天/年
PM2.5 (µg m )
-3
120
90
Visibility decrease significantly over China
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选 取 原 则
• • • • •
反映产业特征 反映区域性、累积性污染特征
具有较明确的评价标准或评价依据
具有较可靠的基础资料（或来源）和模拟预测方法 与当前环境管理要求相一致
主要研究内容
历史演变与 现状特征评价
• 气候特征分析 • 空气质量现状分析 • 历史变化趋势分析 • 污染输送特征分析
产业发展与大气环 境演变的耦合关系
EC （6%） OC （18%） 未知 （14%）
如何控制PM2.5与O3
F NO3 K Cl PO4 Mg NO2 Na Ca SO4 NH4
NOx
O3 3
O
SO4 (39%)
2-
NO3(28%) NH4+ (23%)
水溶性离子 （57%）
VOCs
元素 （5%）
光化学烟雾：臭氧(90%以上)为主的氧化剂等
关键问题评价方法：核算环境容量
目的：核算西南地区各地州大气环境污染物容量，为承载力分析提供依据 分析方法：区域空气质量模式法、常规数据分析
数据需求：空气质量模式模拟所需各种前期数据
环境容量计算方法
风压场 湿沉降 输出能力 沉降能力 环境容量 化学转化
干沉降
静态容量
环境容量利用率=污染物排放量/环境容量
王自发
中国科学院大气物理研究所 大气边界层物理和大气化学国家重点实验室
2013年11月13日
我国面临严重的大气复合污染
200 150
160
120
80
60
40
30
广州 >150天/年
深圳 >160天/年
0 0
Atmos. Res. 2009, 94,161-167
1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 数据：中科院观测研究和文献整理
双向嵌套多尺度空气质量模式 GNAQPMS
全球区域城市街区
特点4： 新化学反应机制 特点3： 双向嵌套 网格结构 1 3
4 特点2： 污染源解 析技术
2
论 文 发 表 在 WASP 2000; JGR, 2000;Tellus 2000: 特点1： 自主建立的起沙机制
JGR 2002: GRL 2003;GRL 2004; JAC 2006; JGR 2007; ACP, 2008; JGR 2009; AE 2010,2011;SOLA 2011a,b;ACP 2011；ACP 2012.
*Pre:前体物 *Sec:二次生成或一次排放的污染物
空间来源标识
Domain 3
区域输送贡献 区域联防联控 常效防控措施
空间按行政区域分为16个ID：上海城区，上海郊区，苏州，南 通，无锡泰州，常州，镇江，扬州，南京，嘉兴，宁波，湖州， 杭州，绍兴，长三角之外地区（其他）
模拟结果：硫酸盐之区域来源
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地形的影响
出现气候区域差异和垂直变化 形成局地环流，不利于污染物稀释
PM2.5污染明显轻于周边省市，秋季相对较重，黔中、黔 西、滇中为PM2.5污染重点区 春季 夏季
秋季
冬季
气溶胶污染较轻，云南好于贵州，春季相对较重
春季 夏季
秋季
冬季
大区域污染物输送态势
西南和东 春季 南气流共 同作用， 风速大， 输送至成 渝地区
关键问题评价方法：核算环境容量
容量=净输出量+沉降量+化学转化量+大气静态容量
1.输送过程—精细通量计算
使用地理信息系统（ARCGIS）将模式网格按照行政界线进行分区标记 基于模式模拟污染浓度与风场，精细计算标记区域通量
2.沉降过程
干沉降通量： 湿沉降过程(估算)：统计降水频次， 核算降水前后大气中污染物含量差异
确定影响西南地区空气质量的关键因素 深入了解产业发展与大气环境演变的耦合关系
重点评估未来发展导致的大气环境演变和潜在风险
分析西南地区的大气环境承载能力
西南地区大气环境和产业协调发展的调控策略
大气环境评价标准
空气质量标准
—— 《环境空气质量标准》（GB3095-2012）、《室内空气质 量标准》、《霾的观测 和预报等级》……
Photo taken from 300 m tower www.iap.cas.cn
By Jiang Zhu
解决大气复合污染：源头控制和规划是关键
一次污染防治 单一城市管理 单一污染物控制 二次污染防治 区域协同联动 多污染物协同控制
污染现状、形成机制、污染来源、 防治策略、调控对策
环境影响评价：大气污染模拟和预测
技术推动环保,科学预测未来
第三届大气环境影响评价国际研讨会
（2013.11.13－15 南京）
CAEIA The 3rd International Conference on Atmospheric Environmental Impmact Assessment
区域大气细颗粒物来源解析方法及 其在战略环评中的应用
优点
容易实现
缺点
臭氧及一次 污染物
气溶胶 臭氧 臭氧
行业 地区
同上 同上 地区
计算量大，非线 性偏差 • 避免非线性影响 无法追踪二次污 • 计算量减小 染物前体物来源 无法多方法耦合 同上 应用 无法追踪其时间 同上 来源 只能标识臭氧生 同上 成地区
基于NAQPMS源示踪法
发 展
二次污染物在线源解析模式NAQPMS-OSAM
空间ID
上海城区
初边条件 上海城区 上海郊区 苏州 南通 无锡 泰州 常州 镇江 扬州 南京 嘉兴 宁波 湖州 杭州 绍兴 长三角之外
上海郊区
京津冀源解析区域划分：
北京 BJ；天津 TJ；唐山&秦皇岛 TQ； 承德 CD；张家口 ZKJ；保定 BD；
廊坊 LF；石家庄SJZ；沧州CZ；
邢台XT
100%
2010年北京地区主要污染物的来源解析
以本地排放贡献为主，外来贡献冬季小而夏季大 外来SO2：34%（27%～41%），NO2：13%（11%～14%） 外来PM10：19%（13%～26%），PM2.5：23%（17% ～30% ）
2010年北京对周边大气污染物的贡献率
对东边（天津、秦皇岛和唐山）全年贡献较小，冬季相对较大
全球 洲际 区域 城市群 城市 街区
橘色：沙尘 浅蓝色：污染气溶胶
东亚 跨洲
北京 健德门 珠三角
来源解析：在线源识别与源追踪技术
污染排放、输送、化学转化等全 过程追踪
获得大气污染物的类别来源、地 域来源 通过质量追踪，了解污染物生成 消耗过程，解决了非线性问题
转化为各个被标识源 对污染物浓度的贡献