王自发-区域大气细颗粒物来源解析方法

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王自发技术推动环保,科学预测未来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2013年11月13日第三届大气环境影响评价国际研讨会（2013.11.13－15南京）CAEIAThe3rdInternationalConferenceonAtmosphericEnvironmentalImpmactAssessment040801201602001998200020022004200620082010PM2.5(µgm-3)0306090120150霾天数北京PM2.5天津石家庄PM2.5保定PM2.5唐山PM2.5京津冀霾天数据：中科院观测研究和文献整理北京160天/年上海200天/年广州150天/年深圳160天/年Atmos.Res.2009,94,161-167全国霾污染日益严重：三区十群我国面临严重的大气复合污染VisibilitydecreasesignificantlyoverChina一次污染防治二次污染防治单一城市管理区域协同联动单一污染物控制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解决大气复合污染：源头控制和规划是关键对人体健康和生态环境危害很大光化学烟雾：臭氧(90%以上)为主的氧化剂等NOxVOCsO3对人体健康和生态环境危害很大光化学烟雾：臭氧(90%以上)为主的氧化剂等NOxVOCsO3对人体健康和生态环境危害很大光化学烟雾：臭氧(90%以上)为主的氧化剂等NOxVOCsO3NOxVOCsO3NOxVOCsO3NOxVOCsO3O3水溶性离子（57%）OC（18%）未知（14%）EC（6%）元素（5%）FClNO2SO4NO3PO4NaNH4KMgCaSO42-(39%)NO3-(28%)NH4+(23%)如何控制PM2.5与O3前体物来源行业区域联防联控地域时段高效的应急措施针对性的减排措施《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”来源解析：源模型法双向嵌套多尺度空气质量模式GNAQPMS1234全球区域城市街区特点4：新化学反应机制特点3：双向嵌套网格结构特点2：污染源解析技术特点1：自主建立的起沙机制论文发表在WASP2000;JGR,2000;Tellus2000:JGR2002:GRL2003;GRL2004;JAC2006;JGR2007;ACP,2008;JGR2009;AE2010,2011;SOLA2011a,b;ACP2011；ACP2012.跨洲东亚橘色：沙尘浅蓝色：污染气溶胶珠三角全球洲际区域城市群城市街区北京健德门转化为各个被标识源对污染物浓度的贡献来源解析：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，解决了非线性问题技术名称解析物种解析过程技术来源源识别与追踪技术一次、二次污染物不同地区和行业自主发展OSAT臭氧不同地区和行业国外引进PSAT颗粒物不同地区和行业国外引进敏感性分析方法•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；污染物浓度排放源Ebase0Ebase-50%CE△C1≠2*△C2化学非线性△C2△C1CE-50%传统数值源解析方法PM2.5O3Streetsetal.,2008北京外的贡献北京的贡献From上海市环境监测中心源解析方法对比技术方法解析物种解析来源优点缺点敏感性分析方法一次污染物容易实现计算量大，非线性偏差NAQPMS源示踪法臭氧及一次污染物行业地区•避免非线性影响•计算量减小无法追踪二次污染物前体物来源PSAT气溶胶同上同上无法多方法耦合应用OSAT臭氧同上同上无法追踪其时间来源GOAT臭氧地区同上只能标识臭氧生成地区二次污染物在线源解析模式NAQPMS-OSAM基于NAQPMS源示踪法发展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：基本方法多物种化学平衡A(前体物)B(二次产物)二次气溶胶解析方法SO2生成硫酸盐近似线性铵盐和氨气达到化学平衡硝酸盐硫酸盐铵盐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OSAM源解析计算流程源排放Pre+ΔPre来源iSec+ΔSec来源i平流、扩散、沉降化学反应Sec来源iPre来源iPre-ΔPre来源iSec+ΔSec来源i*Pre:前体物*Sec:二次生成或一次排放的污染物按前体物分配来源源解析地域时间行业标识来源空间来源标识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）Domain3区域输送贡献区域联防联控常效防控措施模拟结果：硫酸盐之区域来源上海城区上海郊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•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模拟结果：硝酸盐之区域来源上海城区上海郊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•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空间ID75%80%85%90%95%100%1234567891011121314151617181920212223242526272829Aug2006PercentageOtherXHCZSHLFBDZJKCDTQTJBJWu,etal.ACP,2011京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XT2010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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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》……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•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选取原则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•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•潜在风险评估承载力分析•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控制与应对主要评价思路收集基础数据和资料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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NAQPMS污染源解析技术关键问题评价方法：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环境容量输出能力沉降能力化学转化静态容量风压场湿沉降干沉降环境容量利用率=污染物排放量/环境容量关键问题评价方法：核算环境容量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3.化学转化过程4.大气静态容量SO2RSO4NOXRNO3……Q=C标准*VCVFluxd气候特征及对大气污染的影响地形的影响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污染重点区春季冬季秋季夏季气溶胶污染较轻，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春季秋季西南和东南气流共同作用，风速大，输送至成渝地区西南季风作用，主要受印度等国输送影响夏季云南贵州云南贵州云南贵州冬季云南贵州东北气流作用，主要受华中地区高浓度污染物输送影响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重点产业排放贡献空间分布电力工业：曲靖、六盘水、毕节、安顺、贵阳、遵义、铜仁、黔东南州建材行业：迪庆、丽江、保山、昭通化工行业：黔西南州和黔南州钢铁行业：德宏和玉溪有色冶金：怒江、文山SO2电力工业：毕节、六盘水、贵阳、遵义、铜仁、安顺、曲靖、昆明、红河建材行业：大理、丽江、迪庆、怒江、保山、德宏、普洱、玉溪、文山、黔西南州、黔南州、黔东南州、昭通化工行业：黔西南州、黔南州、昭通、红河州、曲靖、楚雄、西双版纳、迪庆钢铁行业：玉溪、楚雄、昆明、红河食品加工：临沧、西双版纳、德宏州大气环境预测依据云贵两省及地市十二五发展规划、趋势外推方法经济总量情景设计重点产业发展情景设计云贵两省及地市十二五减排方案各地市大气污染物排放强度假设重点产业大气污染物排放强度假设全社会排放预测结果分析云贵地区排放总体特征情景年排放量减少幅度明显情景年贵州SO2排放量大于云南，减排幅度大于云南滇东北、滇西北及西南排放