基于Matlab建立撫順市高分辨率網格化大氣污染源清單

秦思達

摘要：本研究基于Matlab對撫順市大氣污染物排放量進行空間分配、時間分配、物種分配，建立可用于空氣質量數值模擬的城市高分辨率網格化清單。該網格化清單的建立可以作為基礎數據支撐撫順市開展空氣質量數值模擬、重污染天氣預報預警、污染物來源解析等研究工作，對撫順市制定空氣質量達標、改善方案，評估大氣治理措施實施效果有重要意義。

關鍵詞：Matlab；網格化；污染源清單；撫順市

伴隨我國社會高速發展，大氣環境問題越發受到人們關注。應用排放源處理模式，建立區域全口徑的大氣污染源清單，并實現其網格化，對開展大氣污染研究有重要意義。目前，排放源模式的主要作用是將以年為時間單位、以行政區為空間單位的排放清單進行空間和時間上的分配，根據模型選用的化學機制，對排放清單中的初始污染物進行化學物質種類和質量比例分配，以滿足空氣質量模型對于排放清單在時空分辨率和化學物種方面的高精度要求。配合第三代空氣質量模式應用最廣的是由美國北卡羅來納微電子中心開發的SMOKE（Sparse Matrix Operator Kernel Emissions Modeling System）模式[1]。SMOKE模式是基于美國國家排放清單（NEI）設計的，在我國并不適用。首先，SMOKE模式空間分辨率精確到縣，但我國尚未建立覆蓋全國范圍，精確到縣市一級完整的一次污染物排放清單，在城市尺度上也只有少數幾個工作基礎較好的城市具有較為完善的排放清單[2]。SMOKE模式中的排放源以美國SCC code分類，精確到各種設備，而我國排放源分類體系與SCC code存在較大差異，且由于基礎數據缺乏，我國區域排放清單估算時源分類很難如此精確。本研究應用Matlab編譯建模，搭建污染源清單處理模型，可以實現多維清單、多物種的嵌套、融合，建立可用于第三代空氣質量模式，且符合我國實際情況的網格化污染源清單，并將其應用在撫順市的網格化清單建立中。

一、空間分配

污染源空間分配總體可以分為點源與面源兩種，點源可以按照經緯度坐標分配到對應的網格上，而面源的分配較為復雜，采用代用參數權重法進行分配，不同的面源分配權重不同。撫順市的點源主要為工業源，包含供暖源、電力源、建材源、石化源、鋼鐵源等源類，可以直接使用修正后的經緯度坐標分配。移動源、居民源、農業源屬于面源，其中移動源按照單位網格路網所占面積的大小分配權重值；居民源（散煤燃燒）使用農村人口進行分配；居民源（溶劑使用、餐飲油煙）使用全口徑人口數據進行分配；居民源（秸稈焚燒）、農業源使用土地利用類型中的耕地分布進行分配。

二、時間分配

污染物的時間分配是將污染源的年排放量分配到小時，制作成以小時為單位的清單輸入模型。分配基于月分配系數、周分配系數、日分配系數處理完成。工業源與電力源排放受國家政策和市場調控影響，下半年的污染物排放略高于上半年。供暖源排放集中在11月至次年3月期間，居民源中的散煤燃燒主要在冬季供暖，部分用于日常生活，因此采暖期污染物排放量大于非采暖期。移動源的污染物排放季節性變化較小，但日變化特征顯著，早晚高峰期的排放量較大。

三、物質分配機制

CBM、SAPRC、MCM以及RADM、RACM機理已經被廣泛應用在很多的空氣質量模式以及氣象模式中。CBM機理在空氣質量模式、城市氣質模式、區域氧化物模式中的應用，SAPRC機理在空氣質量模式和城市尺度的歐拉網格模式，MCM機理在光化學軌跡模式，RADM在EPA區域酸沉降模擬中的應用。CMAQ模型可選用cb05、saprc99、saprc07等多種化學反應機制，本研究考慮了海鹽氣溶膠排放、水/云化學的氣相化學反應，選用cb05_ae6_aq作為模式化學反應機制。

cb05反應機制廣泛應用于國內的空氣質量數值模擬值，在對PM2.5與O3模擬方面具有良好的性能。Cb05是美國EPA于2005年發布的版本，共包括51個物種和156個反應。CB05根據國際純粹與應用化學協會（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）和NASA提供的最新反應速率常數對機理進行了更新。無機反應方面CB05的主要修改內容包括：1）增加了涉及H2的化學反應以適應較高的對流層環境；2）增加了奇氧原子的反應；3）增加了反映夜間化學過程的NO3反應；4）增加了NOx的反應來表現NOx的多天變化情況。有機反應方面CB05給出了甲烷和乙烷的詳細化學機理，將高階醛類細分為乙醛（ALD2） 和更高的醛 （ALDx） 并加入了幾種萜烯物種（TERP）等。

四、撫順市網格化清單

研究基于Matlab，對撫順市大氣污染物排放量進行了空間分配、時間分配、物種分配機制選擇，最終建立了撫順市空分辨率的大氣污染源網格化清單，如下圖1所示。

五、結論

本研究網格化清單的建立可以作為基礎數據支撐撫順市開展空氣質量數值模擬、重污染天氣預報預警、污染物來源解析等研究工作，對撫順市制定空氣質量達標、改善方案，評估大氣治理措施實施效果有重要意義。

參考文獻：

[1]CLEVE B M，張志涌編譯.MATLAB數值計算[M].北京：北京航空航天大學出版社，2013：1-50.

[2]張禮俊.基于Model-3/CMAQ的珠江三角洲區域空氣質量模擬與校驗研究[D].華南理工大學，2010.