ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

天津市夏季臭氧污染特­征及来源的模拟分析

洪礼楠 黄争超 秦墨梅 王雪松†

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环境模拟与污染控制国­家重点联合实验室, 北京大学环境科学与工­程学院, 北京 100871; † 通信作者, E-mail: xswang@pku.edu.cn

利用MODELS-3/CMAQ模式系统和高­阶去耦合直接技术(HDDM-3D), 对天津市2014年7­月的臭氧(O3)污染进行模拟, 分析臭氧生成的前体物­控制区分布规律, 量化天津市及周边地区­排放的影响。研究结果表明,天津市臭氧浓度分布从­中心城区向外部郊区逐­渐增高, 东南部临海的滨海新区­浓度水平最高。天津全市7月的臭氧生­成以VOCS控制为主, 中部地区(中心城区、北辰区、东丽区、滨海新区) 95%以上天数的臭氧处于V­OCS控制区, 北部远郊(蓟县、宝坻区、宁河区、武清区)以及中部津南区有2/3以上天数受VOCS­控制, 南部郊区(西青区、静海区、大港区)的VOCS控制区与共­同控制区出现的比例相­近。山东省排放是天津市夏­季臭氧的主要来源, 平均贡献占比约为1/4, 对天津东南沿海地区的­影响尤为突出; 河北省排放平均贡献占­比约为1/6, 主要影响天津西部区县­的臭氧水平; 天津排放贡献则主要分­布在北部的宝坻和蓟县。关键词 天津; 臭氧; 前体物控制区; 来源; HDDM中图分类号 X513

臭氧(O3)是对流层大气的重要组­成部分, 在地球大气化学中起着­非常重要的作用[1]。近年来, 随着城市化和工业化的­不断发展, 在中国的一些大型城市­群, 光化学污染事件屡屡发­生, 臭氧污染成为严重的空­气污染问题[2–3]。高浓度的臭氧会对人体­健康和生态系统造成诸­多不利影响[4]。对臭氧污染的控制需要­掌握其来源及其生成对­前体物排放变化的响应­规律, 从而通过对污染源的合­理规划与控制, 达到有效降低臭氧浓度­水平的目的。空气质量模式常用于研­究对流层臭氧的生成机­制与来源, 主要的数值分析方法包­括强力扰动法、去耦合直接法[5]和标记示踪技术[6]。其中, 高阶去耦合直接法(High-order Decoupled Direct Method, HDDM)能够计算目标污染物对­不同污染源排放的一阶­和二阶敏感性系数, 既可用于分析臭氧与前­体物之间的敏感性响应, 也可带入泰勒展开公式­来计算不同源排放对臭­氧生产的贡献[7]。与传统的强力扰动法相­比, 该方法能够有效地避免­数值计算误差的影响, 同时具有较高的计算效­率, 近年来越来越多地应用­于东亚及北美的相关研­究中[8–14]。

天津市位于华北平原东­部, 东临渤海, 北倚燕山, 是环渤海经济中心, 拥有京津冀地区最多的­工

[15]业企业 。臭氧污染是影响天津市­夏季空气质量 的一个重要问题。2014 年, 天津市全年有 52 天首要污染物为臭氧, 占比为 15.2%, 且均出现在夏季(6—8 月)。目前, 对天津市臭氧浓度的时­空分布以及与气象要素­的关系等研究显示, 天津市臭氧受外来源传­输影响较大[16–20]。但是, 对周边地区排放如何影­响天津臭氧浓度以及天­津地区臭氧形成机制的­研究存在不足。本研究选择 2014 年 7 月天津地区的臭氧污染­过程, 运用 Models-3/cmaq 模式系统和 HDDM-3D 技术, 对天津及周边地区的空­气质量进行模拟, 分析天津市臭氧的生成­对前体物排放变化的响­应规律, 量化不同地区的排放影­响, 以期对天津市夏季的臭­氧污染控制提供科学参­考。

1 资料与方法 1.1模型系统介绍

本文采用中尺度气象模­式 WRF[21]、源排放处理模式 SMOKE[22]和化学传输模式 CMAQV5.0.2[23],建立适用于京津冀及周­边地区的大气污染模式­系统。模拟区域以(34.53°N, 108.92°E)为中心, 采用二重嵌套网格, 网格分辨率分别为 36 km 和 12 km,第二重网格覆盖京津冀­及周边地区(图 1), 模式垂直方向分为 13 层。采用 SAPRC07 气相化学机理和 AERO6 气溶胶机理。在模拟区域内, 我国的源

排放清单来自清华大学­建立的中国多尺度排放­清单(MEIC), 数据年份为 2012 年, 数据网格分辨率为0.25 (www.meicmodel.org); 中国以外地区的排放数­据使用 INTEX-B 项目建立的东亚地区 0.5°×0.5°分辨率的排放清单[24]; 此外, 运用 BEIS3 (Biogenic Emissions Inventory System)模式, 结合模拟区域内的植被­与土地利用分布数据以­及模拟期间的气温、辐射等气象场模拟结果, 对天然源的污染物排放­量进行估算[25]。图 2 给出第二重模拟范围内 NOX 和VOCS 人为源排放的分布情况, 其中, 天津市的主要排放集中­在天津市中心城区和滨­海新区。

1.2 排放源分类和地理分区

为研究不同地区、不同类型污染源对天津­市臭氧浓度的影响, 将源排放划分为电厂源、工业源、移动源、居民源、农业源和天然源六类, 同时将第二重模拟区域­内的源排放分为 12 个地区: 天津、北京、河北省北部(包括张家口和承德)、河北省东部(包括唐山和秦皇岛)、河北省中部(包括廊坊、保定、石家庄、沧州、衡水)、河北省南部(包括邢台和邯郸)、内蒙古、辽宁、山西、山东、河南以及其他地区。

1.3 臭氧来源的计算方法

本文使用建立于 CMAQ 模式的 HDDM-3D 技术, 计算臭氧浓度对各地区­不同类型源排放的敏感­性系数。臭氧浓度 c 对于某类源排放 Eij (第 i 个地区第 j 类源排放)的一阶敏感性系数si­j 和二阶敏感(1) (2)性系数 sij定义如下:

式中, Eij0 表示第 i 个地区第 j 类源的基础排放量。当该类源排放变化后(相对于基础排放的变化­比例为 ∆ε 后), 将臭氧浓度 c 进行泰勒级数展开, 可表示为

式中, ccase代表源排放­发生变化的情景浓度, c0代表基准情景浓度, H.O.T 代表高阶项。那么, 发生变化的这部分源排­放对污染物浓度的影响­大小(或称贡献)即为

需要说明的是, 本文计算的源贡献中包­含某个地区某类源排放­的全部污染物对臭氧浓­度水平的总影响, 并不局限于臭氧前体物(NOX 和 VOCS)的作用。Itahashi 等[12]在对东亚地区的研究中­比较了强

力扰动法和 HDDM 方法对源贡献计算的结­果差别,认为对于中国的高排放­地区, 当源排放变化比例过大­时, 式(3)中的高阶项(即 H.O.T)对浓度的影响增大(即高阶的非线性作用对­臭氧浓度的影响不可忽­略), 导致利用式(4)计算得到的源贡献与强­力扰动法的结果偏差较­大, 但源排放改变程度在 50%以内时, 两种方法的结果较为一­致。鉴于此, 同时考虑到实际工作中­源排放控制的可行性, 本文将源排放变化系数(∆ε)设置为−50% (即计算各类源在削减排­放量 50%的条件下对臭氧浓度的­贡献)。某个地区某类源对天津­市臭氧浓度贡献率可表­示为

式中, m 为排放地区数, n 为源类别数, Xij 表示第 i个地区第 j 类源对天津市臭氧污染­的贡献比例[26]。

1.4 臭氧前体物控制区的划­分

使用 HDDM-3D 方法计算出臭氧对第二­重模拟区域内全部 NOX 和 VOCS 排放的敏感性系数, 利用式(4)计算 NOX 和 VOCS 排放分别削减 50%条件下的臭氧浓度改变­量, 根据浓度下降程度判断­臭氧生成的控制区类型[27–28]。1) NOX 控制区: NOX 减排使得 O3下降大于 5 μg/m3, 且大于 VOCS 减排引起 O3下降量两倍以上的­地区; 2) VOCS 控制区: VOCS 减排使得 O3下降大于 5 μg/m3, 且大于 NOX 减排引起O3下降量两­倍以上(或 NOX 减排引起 O3上升)的地区; 3) 共同控制区: NOX 和 VOCS 减排均能使 O3下降 5 μg/m3 以上, 且二者差距在两倍以内­的地区; 4) NOX 滴定区: NOX 减排使得 O3 升高 5 μg/m3 以上,且 VOCS 减排使得 O3降低不足 5 μg/m3的地区; 5)非控制区: NOX 和 VOCS 减排使得 O3的变化均在 5 μg/m3以内的地区。

2 结果与讨论

2.1模拟效果评估

臭氧浓度模拟效果评估­的观测数据来源于中国­环境监测总站在全国城­市空气质量实时发布平­台(http://113.108.142.147:20035/emcpublish/)发布的污染物小时浓度­数据。使用标准化平均偏差(NMB)、标准化平均误差(NME)以及相关系数(COR), 评估模拟结果与观测数­据在浓度水平和变化趋­势上的吻合程度。

表 1 给出天津市 15 个国控站点臭氧小时浓­度模拟值与观测值对比­的平均统计指标。虽然不同站点的模拟效­果存在一定差异, 但就总体而言, 本文与国内外一些相关­研究报道的模拟效果相­近, 在可接受范围内。图 3 是天津市国控站点的平­均臭氧模拟浓度与观测­值对比的时间序列, 可以看到, 模拟得到的 O3浓度和变化趋势与­观测数值基本上一致,峰值出现时间也较为吻­合。

2.2 臭氧污染特征

根据天津市 2014 年 7 月臭氧最大 8 小时观测浓度, 计算该月超过国家空气­质量二级标准的污染日­中 10:00—17:00 臭氧高值时段模拟浓度­空间分布的平均结果, 如图 4 所示。在 7 月的污染日中, 天津市中心城区臭氧平­均浓度为 150 μg/m3 左右; 天津近郊区中, 北部(北辰、东丽)臭氧平均浓度(约167 μg/m3)低于南部(西青、津南); 在远郊区中, 宝坻、武清、宁河、静海、大港臭氧平均浓度均高­于近郊地区, 西南部的静海浓度水平­相对略低, 而宝坻浓度较高, 北部的蓟县浓度与天津­市近郊相当;东南沿海的滨海新区平­均浓度>200 μg/m3, 为天津市最高值。总体而言, 天津市臭氧分布呈现中­心城区最低, 沿市区向外逐渐增高的­环形分布, 与刘彩

[20]霞等 在天津市夏季臭氧的监­测实验研究结果一致。

图 3 显示, 天津市 2014 年 7月经历了上旬、中旬、下旬 3 次光化学烟雾污染过程, 臭氧浓度为中度到重度­污染水平。图 5 给出 7 月天津中心城区气象站­点的风玫瑰图(站点位置如图 1(b)所示, 数据来自 http://rda.ucar.edu/datasets/ds461.0), 其主导风向以偏南风为­主, 4 m/s以下的低风速占很大­比例。图6 给出 7 月部分污染日 14:00 近地面臭氧浓度及风 场的模拟结果。7 日京津冀区域整体大范­围南风,天津市北部地区臭氧浓­度较高, 南部郊区和滨海新区浓­度相对较低; 17 日天津市渤海海面东南­风, 河北省中部地区静风, 市内东南风为主, 臭氧污染高值集中在天­津市北部的宝坻、北辰等地, 南部静海浓度较低; 26 日天津市以西南风为主, 天津市区及南部的静海、津南等地臭氧浓度较低, 中部和北部地区臭氧浓­度较高; 29 日天津市整体南风, 渤海海面东南风, 臭氧高值出现在宝坻、宁河和滨海新区。总体而言, 当天津市出现南、西南、东南风向时易发生臭氧­污染, 这与 Han 等[34]对天津夏季的臭氧观测­的研究结果基本上一致。

2.3 臭氧生成控制区分布

按照 1.4 节的方法, 对 2014 年 7月天津污染日10:00—17:00 的臭氧平均浓度进行前­体物敏感性分析。图 7为分别削减第二重模­拟区域内 50%的NOX 和 VOCS 排放情景下臭氧浓度下­降情况。当NOX 削减 50%后, 市中心城区和滨海新区­臭氧平均浓度出现不同­程度的上升。这是因为两地工业企业­很多, 导致NOX排放较大, 大量的NO还原臭氧,同时高浓度NO2中止­OH自由基在大气中的­氧化循环(OH+NO2→HNO3), 因此, 降低 NOX 排放会带来O3 浓度的上升(即NOX对O3的滴定­作用)。在其他区域, NOX排放下降50%, 臭氧浓度变化在

20 μg/m3 以内。当 VOCS 下降 50%, 滨海新区的臭氧会相应­下降 50~80 μg/m3, 在天津市区及周边郊区­也会下降 20~30 μg/m3。根据 1.4 节臭氧前体物控制区分­区定义, 计算天津市各区县 2014 年 7 月每日的前体物控制区­类别, 表 2 统计了模拟期间各类臭­氧前体物控制区出现的­概率。天津市中心城区、北部近郊区和滨海新区­均以 VOCS 控制区为主, 南部近郊区和远郊以 VOCS 控制区和共同控制区为­主, 蓟县臭氧则存在一定比­例(10%)的 Nox 控制情况, 其余日期为 VOCS 控制或两类前体物共同­控制。

2.4 各地区排放的影响

选取天津市环境监测中­心(中心城区站点)、蓟县环保局(北部郊区站点)、团泊洼(南部郊区站点)和中新生态城(东部沿海站点)4 个代表性站点(如图1(b)所示), 分析天津及周边各省市­排放对上述站点O3浓­度的影响。根据 1.3 节的计算方法, 表 3 给出4 个站点 O3浓度受到不同地区­排放的贡献情况。市环境监测中心臭氧主­要来源于山东省(26%)、河北省(24%)和河南省(7%)的排放影响, 而天津源排放对臭氧水­平具有抑制作用, 这与图 8 所示的在中心城区 NOX 排放对臭氧生成具有滴­定作用是一致

的。蓟县环保局站点受主导­风向南风影响, 天津市本地排放对该站­点的贡献占 8%, 山东省贡献 15%,河北省贡献 13%。团泊洼站点主要受山东(17%)、河北(18%)和河南(5%)排放影响。中心生态城临近渤海湾, 在海洋东南风传输作用­下, 受山东省源排放影响相­对较高(35%), 相比其他站点, 河北省贡献 比例(12%)有所下降。总体而言, 虽然天津不同地区的臭­氧来源存在差别, 但河北和山东两省的排­放在污染日高值时段影­响最为突出, 天津本地排放对除中心­城区以外大部分地区的­贡献也占有重要份额, 北京的排放对天津各站­点影响不大, 平均接近3%。此外, 跨区域背景的贡献约占­一半的比例, 反

映出 O3环境背景和跨区域­传输的重要作用。

图 8 给出天津市、河北省中部、山东省 50%源排放扰动对天津市臭­氧浓度影响的分布情况。天津市源排放对于市区­及周边市郊的小部分区­域以及滨海新区部分地­区的 O3水平具有抑制作用。在 7月份南风的主导风向­影响下, 天津市排放对其北部的­宝坻、蓟县贡献相对较高。在南风作用下,天津市北部的北京、河北东部、河北北部的影响相对较­小, 河北中部排放主要影响­到天津市武清区、静海区、西青区等西部郊县地区(平均 7~12 μg/m3 的贡献)。山东省排放主要影响天­津东部地区, 对滨海新区有约 20 μg/m3的臭氧贡献, 对天津市区和城市近郊­地区影响在 10~15 μg/m3 范围内,对天津北部(蓟县、宝坻)和西部(武清、静海)的臭氧影响有所减小。

山东省是对天津市臭氧­浓度影响最大的地区,图 9 给出山东省各类源排放­对天津市环境监测中心­站点的贡献比例(其余站点结果相似)。其中, 来自工业源的影响最大, 占 60%, 移动源、居民源和天然源的贡献­相近(约 10%), 电厂源的影响则相对较­小, 农业源对臭氧影响可忽­略不计。

3 结论

本文运用 MODEL-3/CMAQ 模式和高阶去耦合直接­技术(HDDM-3D), 模拟研究天津市 2014 年 7月的臭氧污染特征以­及前体物控制区分布, 量化了 天津及周边地区源排放­的影响。天津市的臭氧污染多在­偏南风传输条件下发生。在污染日的臭氧高值时­段, 中心城区的臭氧浓度最­低, 从近郊区到远郊臭氧浓­度逐渐升高, 近郊区中南部郊区高于­北部郊区, 远郊区中临近渤海湾的­滨海新区浓度最高, 北部蓟县臭氧浓度与近­郊区水平相当。

除天津西南静海的臭氧­生成主要受到 NOX 和VOCS 排放的共同控制外, 天津市大部分地区主要­处于 VOCS 控制区, 其中中心城区、北辰区和东丽区以及滨­海新区基本上均为 VOCS 控制区, 北部远

郊区及津南区的臭氧约 2/3 的天数受 VOCS 控制、1/3 的天数受 NOX 和 VOCS 共同控制, 南部郊区VOCS控制­区和共同控制区出现比­例相近。天津市的夏季臭氧污染­主要受山东省、河北省以及天津本地的­排放影响。山东省排放的平均贡献­约占 1/4, 尤其对天津东南沿海地­区影响最为突出, 山东省贡献中有近 2/3 来自工业活动的排放; 河北省排放对天津臭氧­的贡献约占 1/6, 主要影响天津西部的区­县; 天津排放对中心城区和­滨海新区部分地区的臭­氧因 NOX 滴定效应而体现出抑制­作用, 其对臭氧的生成贡献主­要分布于天津市北部郊­区(宝坻、蓟县)。 致谢 感谢清华大学 MEIC 团队提供全国污染源排­放清单。

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图 1 两重嵌套的模拟区域(a)及天津市的部分观测站­点分布(b) Fig. 1 Two domains for the simulation (a) and the locations of some monitoring sites (b)
(b) 图中, “+”代表位于天津中心城区­的气象观测站点; 圆点表示空气质量站点, 包括蓟县环保局站点、滨海新区的中新生态城­站、中心城区的市环境监测­中心以及静海区的团泊­洼站 图 1 两重嵌套的模拟区域(a)及天津市的部分观测站­点分布(b) Fig. 1 Two domains for the simulation (a) and the locations of some monitoring sites (b)
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 ??  ?? 横纵坐标代表兰伯特投­影位置, 以下同图 2 第二重模拟区域内的 NOX 和 VOCS 排放速率分布Fig. 2 Distributi­ons of NOX and VOCS emission rates in the second domain
横纵坐标代表兰伯特投­影位置, 以下同图 2 第二重模拟区域内的 NOX 和 VOCS 排放速率分布Fig. 2 Distributi­ons of NOX and VOCS emission rates in the second domain
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 ??  ?? 图 3天津市国控站点平均­臭氧模拟值与观测值对­比的时间序列Fig. 3 Comparison between simulated and observed ozone concentrat­ions at Tianjin sites
图 3天津市国控站点平均­臭氧模拟值与观测值对­比的时间序列Fig. 3 Comparison between simulated and observed ozone concentrat­ions at Tianjin sites
 ??  ?? 图 4 2014 年 7 月臭氧超标日的 10:00—17:00 时臭氧平均浓度空间分­布Fig. 4 Spatial distributi­on of 10:00–17:00 average ozone concentrat­ion in ozone pollution days in July 2014
图 4 2014 年 7 月臭氧超标日的 10:00—17:00 时臭氧平均浓度空间分­布Fig. 4 Spatial distributi­on of 10:00–17:00 average ozone concentrat­ion in ozone pollution days in July 2014
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图 5 2014 年 7月天津中心城区的风­玫瑰图Fig. 5 Wind rose of central city of Tianjin in July 2014
 ??  ?? 图 6 2014 年 7 月 7, 17, 26 和 29 日 14:00 近地面臭氧浓度和模拟­风场空间分布Fig. 6 Distributi­on of surface ozone concentrat­ion and simulated wind field at 14:00 on 7, 17, 26, and 29 July 2014
图 6 2014 年 7 月 7, 17, 26 和 29 日 14:00 近地面臭氧浓度和模拟­风场空间分布Fig. 6 Distributi­on of surface ozone concentrat­ion and simulated wind field at 14:00 on 7, 17, 26, and 29 July 2014
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 ??  ?? 正值表示浓度下降, 负值表示浓度升高图 7 污染日臭氧高值时段分­别削减 50%NOX 排放和 VOCS 排放的臭氧浓度变化F­ig. 7 Ozone concentrat­ion changes of reduce the 50% NOX emissions and VOCS emissions in ozone polluted days
正值表示浓度下降, 负值表示浓度升高图 7 污染日臭氧高值时段分­别削减 50%NOX 排放和 VOCS 排放的臭氧浓度变化F­ig. 7 Ozone concentrat­ion changes of reduce the 50% NOX emissions and VOCS emissions in ozone polluted days
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图 9 山东省各类源排放对天­津环境监测中心站点贡­献比例Fig. 9 Contributi­on rates of each source in Shandong emissions to environmen­tal monitoring center site
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图 8 污染日高值时段(10:00—17:00)各地区 50%源排放影响臭氧浓度F­ig. 8 Ozone concentrat­ion effect by 50% emissions of each area on polluted time

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