基于擴(kuò)散模型的遼寧中部城市群PM2.5 傳輸規(guī)律研究

秦思達(dá) 王賀 趙鵬雷

（1.遼寧省生態(tài)環(huán)境保護(hù)科技中心，遼寧 沈陽(yáng)110161；2.沈陽(yáng)師范大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng)110034）

1 引言

遼寧中部城市群位于我國(guó)東北部，由沈陽(yáng)、鞍山、撫順、本溪、營(yíng)口、遼陽(yáng)、鐵嶺組成，是《大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃》中劃定重點(diǎn)區(qū)域“三區(qū)十群”之一［1］。該地區(qū)為大陸性季風(fēng)氣候，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以重工業(yè)為主，“兩高一低”企業(yè)數(shù)量較多，受冬季供暖影響，污染類型以煤煙型為主［2］。由于該區(qū)域的城市距離近、分布密集，城市間的大氣污染物傳輸效應(yīng)尤為明顯［3］。因此，探索遼寧中部城市群城市間PM2.5的傳輸規(guī)律，掌握城市間PM2.5的擴(kuò)散影響，對(duì)制定區(qū)域大氣污染防治措施具有重要意義。研究方法方面，擴(kuò)散模型法在研究區(qū)域傳輸時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)，一方面可以按污染源類別進(jìn)行解析，不受成分相近的源類的影響；另一方面可以不受限于觀測(cè)點(diǎn)的位置。模型選擇方面，CMAQ 模型基于“一個(gè)大氣”理念［4］，將整個(gè)大氣作為整體進(jìn)行研究，在模擬污染物大氣物理擴(kuò)散的同時(shí)考慮了化學(xué)變化的影響。皮子坤等［5］基于CMAQ模型對(duì)大連市的大氣氮濕沉降進(jìn)行了模擬研究。本研究采用大氣擴(kuò)散模型法，基于氣象模型WRF 耦合空氣質(zhì)量模型Models－3/CMAQ，定量解析目標(biāo)城市間的PM2.5傳輸系數(shù)，可以揭示該地區(qū)的PM2.5擴(kuò)散傳輸規(guī)律，服務(wù)于O3與PM2.5的協(xié)同減排。

2 研究方法

2.1 模型選擇與數(shù)據(jù)來(lái)源

氣象場(chǎng)輸入由氣象模式WRF 提供（版本4.3），數(shù)據(jù)采用美國(guó)NCEP 發(fā)布的FNl083.2 全球再分析資料。清單數(shù)據(jù)主要包括本地、外來(lái)、天然3 部分。本地源清單是基于2019 年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研數(shù)據(jù)，通過(guò)《大氣污染排放清單編制指南》方法估算獲取；外來(lái)源排放數(shù)據(jù)采用2019 年MEIC 排放清單；天然源采用MEGAN 模型［6-7］計(jì)算獲取，該模式可用來(lái)評(píng)估從陸地生態(tài)系統(tǒng)排放到大氣中的氣體和氣溶膠的排放量。本研究將本地源清單、外來(lái)源清單與天然源清單進(jìn)行空間嵌套，通過(guò)對(duì)遼寧中部城市群的人口、道路、土地等信息進(jìn)行再分配，建立適用于本地?cái)?shù)值模擬的高分辨率網(wǎng)格化清單。空氣質(zhì)量模式選擇美國(guó)EPA 發(fā)布的Models－3/CMAQ（版本為5.2.1）。

2.2 模擬范圍與模擬時(shí)間

氣象模擬設(shè)計(jì)兩層網(wǎng)格嵌套，采用Lambert 投影坐標(biāo)系，中心經(jīng)緯度為122°E，41°N，兩條真實(shí)緯度為25°N 與40°N，分辨率分別為27 km 與9 km，兩層網(wǎng)格的網(wǎng)格數(shù)均為100×100。第一層覆蓋中國(guó)北方大部分地區(qū)，第二層覆蓋遼寧全省及周邊主要城市。CMAQ 的核心模塊CCTM 在模擬時(shí)，需調(diào)用氣象場(chǎng)模擬結(jié)果［8-9］，因此，需保持CMAQ 與WRF 的網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)相同，但其網(wǎng)格數(shù)略小于WRF 網(wǎng)格，第二層網(wǎng)格數(shù)為90×90，垂直方向共設(shè)置24 個(gè)氣壓層，層間距自近地面向上逐漸增大。2020—2022 年期間新冠疫情對(duì)人們生產(chǎn)生活造成重大影響，大氣污染源的實(shí)際排放與時(shí)間分配經(jīng)驗(yàn)系數(shù)出現(xiàn)差異，且污染源清單的年份為2019 年。因此，本研究以2019 年為基準(zhǔn)年，選取1，4，7，10 月代表四季變化，為降低初始場(chǎng)影響，模擬時(shí)將時(shí)間提前7 d 以供模型預(yù)熱［10］。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型評(píng)估

選取國(guó)控站的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)與本研究的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證CMAQ 模擬結(jié)果的可靠性［11］。以4 個(gè)代表月PM2.5濃度的平均值作為年均值進(jìn)行擬合驗(yàn)證。為量化模擬結(jié)果準(zhǔn)確性，本研究采用平均偏差（Mean Bias，MB）、歸一化平均偏差（Normalized Mean Bias，NMB）、歸一化平均誤差（Normalized Mean Error，NME）、均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）及相關(guān)性指標(biāo)R 評(píng)價(jià)模型的可靠性。

由表1 可知，本研究模擬的各項(xiàng)統(tǒng)計(jì)指標(biāo)與同類研究的誤差及偏差分析水平接近，各城市PM2.5模擬值的NMB 在40%以內(nèi)，NME 在50%以內(nèi)，MB絕對(duì)值為20.13，其他均小于20，模擬結(jié)果比較可靠［12］。沈陽(yáng)、鞍山、撫順、本溪、營(yíng)口、遼陽(yáng)、鐵嶺模擬值與監(jiān)測(cè)值的相關(guān)性R 值分別為0.76，0.78，0.84，0.83，0.71，0.82，0.78。模擬值與監(jiān)測(cè)值擬合度較高，因此本次模擬結(jié)果較為理想，可以實(shí)際反映各市的污染現(xiàn)狀。

表1 模型對(duì)遼寧中部城市群PM2.5 模擬的表現(xiàn)評(píng)估

3.2 城市間的PM2.5 傳輸特征

本研究采用Zero－out 法［13］，定量解析遼寧中部城市群內(nèi)7 個(gè)城市間污染物傳輸系數(shù)，即應(yīng)用完整的區(qū)域污染源清單模擬作為基準(zhǔn)情景，應(yīng)用去除目標(biāo)污染源的區(qū)域清單模擬作為對(duì)比情景，分析不同情景下的污染物濃度變化，以了解該地區(qū)對(duì)其他城市空氣質(zhì)量的影響。通過(guò)建立遼寧中部城市群的污染物傳輸系數(shù)矩陣，獲取PM2.5的傳輸規(guī)律。

（1）研究發(fā)現(xiàn)，遼寧中部城市群7 個(gè)城市的PM2.5本地源貢獻(xiàn)率在48.9%～72.2%之間，其中本溪貢獻(xiàn)率最高，這可能是本溪工業(yè)結(jié)構(gòu)以黑金屬冶煉為主，且主要分布在主城區(qū)附近，導(dǎo)致當(dāng)?shù)劁撹F公司對(duì)PM2.5濃度的平均貢獻(xiàn)率超過(guò)40%［14］。另外，本溪位于中部城市群東部，屬于長(zhǎng)白山余脈，多為低山、丘陵地貌，主城區(qū)位于城市西部地勢(shì)較低的平原地帶，城市總體上由西向東海拔逐漸升高，山體形成了一道屏障，不會(huì)導(dǎo)致污染物向東北、東南等方向擴(kuò)散。沈陽(yáng)PM2.5的本地源貢獻(xiàn)率達(dá)到63.2%，這可能是由于沈陽(yáng)人口較為稠密，城市人口數(shù)占中部城市群總?cè)丝诘?6%［15］，受人類活動(dòng)活躍影響，本地污染物排放水平較高。營(yíng)口本地源貢獻(xiàn)率較低，僅為48.9%，這可能是由于營(yíng)口地處中部城市群南端，城區(qū)位于渤海灣沿岸，是一個(gè)受海洋性氣候影響的大陸城市。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，本溪、鞍山屬于對(duì)外輸送型城市，對(duì)周邊城市輸送PM2.5的比例較高，例如鞍山向遼陽(yáng)和營(yíng)口輸送的PM2.5占到遼陽(yáng)的7.1%、營(yíng)口的6.3%；本溪輸送的污染物占到遼陽(yáng)市的7.8%、撫順的7.1%。考慮是由于本溪和鞍山的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)都以鋼鐵行業(yè)為主，鋼鐵行業(yè)的產(chǎn)值占很大一部分，相應(yīng)的大氣污染物排放量也很大，這對(duì)周邊城市的空氣質(zhì)量也產(chǎn)生了較大影響。國(guó)家自2019 年起推進(jìn)鋼鐵行業(yè)超低排放改造，根據(jù)遼寧省制定的《遼寧省鋼鐵超低排放改造方案》，到2025 年遼寧省80%以上的鋼鐵產(chǎn)能將完成超低排放改造，氮氧化物與揮發(fā)性有機(jī)物的重點(diǎn)工程減排量將分別達(dá)到7.96 萬(wàn)t 和3.27 萬(wàn)t［16］。因此，隨著配套政策的落地實(shí)施，預(yù)計(jì)鞍山、本溪對(duì)外輸送污染物的情況將在2025 年得到較大程度改善。

（3）研究發(fā)現(xiàn)，部分城市間的PM2.5傳輸為單向輸送，例如鐵嶺向撫順輸送的PM2.5占到撫順貢獻(xiàn)率的9.0%，而撫順向鐵嶺輸送的PM2.5僅占鐵嶺的2.3%，結(jié)合撫順、鐵嶺的大氣污染物排放總量，鐵嶺對(duì)撫順PM2.5濃度的影響遠(yuǎn)大于后者對(duì)前者濃度的影響。部分城市間的PM2.5傳輸為雙向輸送，鞍山向遼陽(yáng)輸送的PM2.5占到遼陽(yáng)貢獻(xiàn)率的7.1%，而遼陽(yáng)向鞍山輸送的PM2.5占鞍山貢獻(xiàn)率的8.3%，可能是由于城市之間的距離較近，相互之間的輸出現(xiàn)象較為明顯。

遼寧中部城市群城市PM2.5傳輸矩陣見(jiàn)表2。

表2 遼寧中部城市群城市PM2.5 傳輸矩陣%

3.3 外來(lái)污染物對(duì)區(qū)域PM2.5 的影響

本研究將外來(lái)污染物對(duì)遼寧中部城市群主要城市PM2.5濃度的貢獻(xiàn)率與國(guó)內(nèi)主要地區(qū)和城市的相關(guān)研究成果進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)：（1）遼寧中部城市群的外來(lái)污染物的貢獻(xiàn)率為42%，低于京津冀的46%、長(zhǎng)三角的53%、珠三角的45%。這可能是遼寧中部城市群的地理位置導(dǎo)致的［17］，遼寧中部城市群西面靠近內(nèi)蒙古自治區(qū)、東面與朝鮮接壤，為工業(yè)欠發(fā)達(dá)地區(qū)，燃煤污染較輕。遼寧中部城市群東南方向?yàn)榫┙蚣脚c山東半島，在春夏兩季南風(fēng)、東南風(fēng)的作用下，污染物通過(guò)秦皇島—葫蘆島通道、渤海灣通道傳輸至遼寧中部城市群，距離較遠(yuǎn)，影響降低。（2）沈陽(yáng)的外來(lái)污染物貢獻(xiàn)率為37%，與北京（47%）、杭州（50%）一線城市相比，受到周邊區(qū)域影響較低。這可能是沈陽(yáng)為遼寧中部城市群的核心城市，周邊城市多為三、四線城市，人口與經(jīng)濟(jì)總量遠(yuǎn)高于周邊地區(qū)導(dǎo)致的。（3）營(yíng)口與臺(tái)州都是沿海城市，主城區(qū)靠近海岸線，2 個(gè)城市外來(lái)污染物的貢獻(xiàn)率分別為51%與65%，明顯高于內(nèi)陸型城市。沿海城市空氣中的Na＋與Cl－濃度較高，海鹽粒子加劇了污染物的化學(xué)反應(yīng)，促進(jìn)了PM2.5二次生成。外來(lái)污染物對(duì)區(qū)域PM2.5的傳輸影響見(jiàn)表3。

表3 外來(lái)污染物對(duì)區(qū)域PM2.5 的傳輸影響%

4 結(jié)論

（1）遼寧中部城市群中本地源貢獻(xiàn)率本溪最高（72.2%），考慮是其城市工業(yè)結(jié)構(gòu)以鋼鐵為主，工業(yè)污染物排放量高導(dǎo)致的；其次為沈陽(yáng)（63.2%），受外來(lái)污染物的影響小于北京、杭州等一線城市，其他城市的本地源貢獻(xiàn)率在48.9%～62.1%之間。

（2）本溪為對(duì)外輸送型城市，排放的污染物主要影響遼陽(yáng)（7.8%）和撫順（7.1%）。鐵嶺與撫順之間為單向輸送，鐵嶺向撫順輸送的PM2.5占到撫順貢獻(xiàn)率的9.0%，反之僅為2.3%。鞍山與遼陽(yáng)為雙向輸送，鞍山對(duì)遼陽(yáng)的貢獻(xiàn)率為7.1%，遼陽(yáng)對(duì)鞍山的貢獻(xiàn)率為8.3%。

（3）營(yíng)口對(duì)外輸送污染物能力較低，對(duì)其他城市的貢獻(xiàn)率在0.2%～2.4%之間，且在海鹽粒子的影響下本地源貢獻(xiàn)率僅為48.9%。