利用HYSPLIT-4空氣質量模型對顆粒物污染傳輸的分析

賈建廷

(山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003)

引 言

近年來，隨著環保管控力度的加大，大氣污染防治工作取得了很大的成效，但大氣環境質量面臨的形勢仍然十分嚴峻，工業生產是空氣污染的主要原因之一，與空氣質量能否得到改善有偌大的關系。本文利用太原市現有國控站和城市空氣質量微觀站監測網監測數據，通過HYSPLIT-4空氣質量模型，對工業涉氣污染源開展空氣質量模擬，對工業企業污染物的貢獻率結構進行定性定量分析，探索從時間及空間的維度分析污染源排放對周邊環境的影響，為改善環境質量提供技術支撐。

1 地形與氣象條件、分析目標范圍及分析方法選擇

1.1 地形與氣象條件

太原市位于黃土高原東部邊緣，晉中盆地北端。北臨忻州、西臨呂梁、東臨陽泉、晉中。因此，東、西、北三面環山，中部和南部為汾河沖擊扇平原，地勢低平，南寬北窄成扇形，北高南低逐漸傾斜，成簸箕形。

太原市春夏季主要以東南風為主導風向，秋冬季以西北風為主導風向，秋冬季天氣轉冷，污染物的垂直和水平擴散條件轉差，重污染天氣較易產生；從風的角度來看，主導風向為西北風，9月～11月份主導風向為偏北風，12月份西北風主導且風力較大(見圖1)。

圖1 太原市小時天氣數據

1.2 分析目標范圍

選取秋冬季的9月至12月，太原市氣象條件較差(低氣壓和較大濕度、無風)，均不利于污染物擴散、污染較重(橙色預警)的時段。

所選工業企業周邊的3個國控標準站，分別位于該企業北方、西南方和東南方。在太原市現有國控標準站和微觀站點基礎上，以該企業為中心的3 km范圍內的15個微觀站點作為代表該企業核心區域，3個標準站所在行政區域內以企業為中心的3 km～7 km范圍內的80個微觀站代表企業周邊環境，依據上述背景，本報告選取的點位有：企業附近3個標準站及所在區域所有微觀站點，其中，企業站點8個，道路站點17個，行政站點55個。

通過監測數據比對和HYSPLIT-4模型測算分析其典型污染過程，并以工業企業為排放釋放中心，科學模擬污染物擴散傳輸影響范圍，采用微觀站數據進行傳輸貢獻率計算，推演工業生產排放對周邊空氣環境質量標準站的主要貢獻和周邊區域的交互影響。

1.3 分析方法介紹

HYSPLIT-4模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室和澳大利亞氣象局在過去20年間聯合研發的一種用于計算和分析大氣污染物輸送、擴散軌跡的專業模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴散和沉降模式，已經被廣泛應用于多種污染物在各個地區的傳輸和擴散的研究中。

HYSPLIT-4模型是一個完整的系統，它可用于計算簡單的空氣宗地軌跡以及復雜的運輸、分散、化學轉化和沉積模擬。HYSPLIT-4是大氣科學界最廣泛使用的大氣傳輸和擴散模型之一，是基于污染源排放特征、時空分布特點及可獲取的污染源空間地理和時間序列信息，運用氣象學原理、羽流圖分析，利用數學方法模擬污染源排放到環境空氣中的污染變化過程的工具。HYSPLIT-4還用于描述大氣污染物和有害物質的遷移、擴散和沉積的各種模擬。該模型應用的例子包括跟蹤和預測放射性物質的釋放、野火煙霧、風吹塵埃，來自各種固定和移動排放源的污染物、過敏原和火山灰。

2 對周邊地區空氣質量的影響分析

影響污染貢獻傳輸率的因素有兩方面，一是氣象條件的影響，用全區域所有微觀站點所選時刻的顆粒物變化率來衡量；二是站點周邊環境的影響，用傳輸方向上微觀站點的顆粒物平均濃度與其他方向上該微觀站點顆粒物平均濃度的歷史數據相對變化率來衡量。

2.1 使用hysplit-4模型計算對周邊的影響

2.1.1 模擬時段選取

圖2為9月～12月的顆粒物污染日歷，分別選取顆粒物濃度相對較高9月的2、6、14、28、29日；10月選取5、14、21日；11月選取3、8、14、28、30日12月選取1、3、5日來分析該企業對周邊環境污染的貢獻率。

圖2 9月～12月顆粒物污染日歷

2.1.2 平均濃度分布

從9月～12月的擴散模擬0 m～15 m高度之間的平均濃度分布，從中選取污染物在0 m～15 m高度對市區影響較大的時間段。

2.2 模擬運行結果分析(圖3～圖6)

圖3 9月份0 m～15 m高度的平均濃度分布

圖4 10月份0 m～15 m高度的平均濃度分布

圖5 11月份0 m～15 m高度的平均濃度分布

圖6 12月份0 m～15 m高度的平均濃度分布

通過觀察羽流圖可以看到國控站在該時間段污染物覆蓋程度的變化，利用hysplit-4模型計算，比較同一個站點的變化來判斷污染因子對周邊環境的影響。

2.2.1 9月份hysplit-4模型計算對周邊的影響(見圖7和表1)

圖7 9月hysplit-4模型計算對周邊的影響

表1 9月擴散模擬貢獻率 (%)

2.2.2 10月份hysplit-4模型計算對周邊的影響(見圖8和表2)

圖8 10月hysplit-4模型計算對周邊的影響

表2 10月擴散模擬貢獻率 (%)

2.2.3 11月份hysplit-4模型計算對周邊的影響(見圖9和表3)

圖9 11月份hysplit-4模型計算對周邊的影響

表3 11月擴散模擬貢獻率 (%)

2.2.4 12月份hysplit-4模型計算對周邊的影響(見表4和第201頁圖10)

表4 12月擴散模擬貢獻率 (%)

圖10 12月份hysplit-4模型計算對周邊的影響

2.2.5 秋冬季平均貢獻率(見表5)

表5 秋冬平均貢獻率

3 結論

從2018年4個月的典型污染過程來看，通過利用衛星、氣象、地面標準站、污染源在線監測等數據，利用hysplit-4空氣質量數值模型分析秋冬季重污染天氣工業企業排放對周邊3個空氣質量標準站的影響程度的平均貢獻影響分別為1.88%、0.62%、1.15%。結果表明，利用hysplit-4空氣質量數值模型能夠模擬推演工業企業對周邊區域顆粒物濃度大氣污染物和有害物質的遷移、擴散。