區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型在杭州市大氣污染模式分析中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2014-08-29 08:42
第一章緒論
1.1研究背景
近年來，大氣污染極大地影響了人們的生活和健康，大氣污染開始成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)�？諝馕廴居腥藶橐蛩兀C(jī)動(dòng)車尾氣、工業(yè)廢氣、餐飲、民用燃煤等）和自然因素（火山爆發(fā)、龍卷風(fēng)、森林火災(zāi)等），主要來自人為源，尤其是交通運(yùn)輸和工業(yè)燃煤等⑴。污染經(jīng)由污染源排放出來，在大氣中傳播，然后引發(fā)各種環(huán)境問題。大氣污染物在空中傳輸?shù)挠绊懸蛩睾芏啵瑲庀笠蛩睾偷匦蔚孛惨蛩厥瞧渲凶钪饕膬蓚�(gè)因素[2，3]。首先，氣象條件很大程度上影響了污染物擴(kuò)散稀釋沉降作用。風(fēng)速和風(fēng)向，則決定了污染擴(kuò)散的方向和混合擾動(dòng)大��；濕度、雨量、云量則對(duì)污染物的清除沉降有很大影響。地形地貌對(duì)污染擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在，地面凸起物如大山、高的建筑物等會(huì)阻礙污染物的流通。
1.2空氣質(zhì)量模型
從流體力學(xué)方法看，空氣質(zhì)量模型可分為高斯模式、拉格朗日模型和歐拉模型，高斯模式運(yùn)用潘流統(tǒng)計(jì)理論，采用半經(jīng)驗(yàn)公式模擬污染物濃度場(chǎng)，主要有ISC、AERMOD、ADMS等；拉格朗日模型通過追蹤流體運(yùn)動(dòng)軌跡來描述污染物分布變化，如OZIP/EKMA、CALPUFF等；歐拉模型在固定坐標(biāo)空間內(nèi)研究空間內(nèi)污染物微元的運(yùn)動(dòng)。從數(shù)學(xué)方法上來看，空氣質(zhì)量模型可分為數(shù)值模型和統(tǒng)計(jì)模型，前者通過抽象出數(shù)學(xué)方法來分析大氣中污染物的散傳輸和化學(xué)反應(yīng)，后者在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立模型統(tǒng)計(jì)分析污染物流動(dòng)規(guī)律；從時(shí)空尺度上來講，空氣質(zhì)量模型可分為全球模型，區(qū)域模型和城市尺度模型等。從20世紀(jì)60年代以來，隨著人們對(duì)大氣污染過程研究的深入，空氣質(zhì)量模型也在不斷完善中，主要經(jīng)歷了三代模型的演變。
………………
第二章空氣質(zhì)量模型及其應(yīng)用
2.1空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)介紹
此外，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)也展開了建立排放清單的編制，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院、中國(guó)氣象科學(xué)研究院、上海環(huán)境科學(xué)研究院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位也各自編制了全國(guó)或各地區(qū)城市大氣污染物的排放清單[3941]。排放源清單的編制方法主要有兩種，第一種是"自上而下”（Top-down)的方法，即指根據(jù)能源統(tǒng)計(jì)年鑒能源消耗、人口、GDP等信息，通過調(diào)研初略估計(jì)各地區(qū)污染物排放量，這種方法容易實(shí)施，但精度不高；第二種是“自下而上”(Buttom-up)的方法，即通過大量的實(shí)地測(cè)試測(cè)量獲取排放量，這類方法一般比較耗賽人力物力，得到的排放源數(shù)據(jù)也相對(duì)可靠。
2.2模型設(shè)置
本文研究所使用的計(jì)算平臺(tái)是在浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大規(guī)模并行機(jī)上建立的，本并行機(jī)上共有69個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上又含有8個(gè)CPU。在該服務(wù)系統(tǒng)上調(diào)試安裝了中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF和第三代空氣質(zhì)量模型CMAQo系統(tǒng)的Linux系統(tǒng)操作平臺(tái)為CentOS 64位系統(tǒng)，采用的Fortran編譯器為Intel Fortran編譯器，并行程序設(shè)計(jì)通過MPICH來實(shí)現(xiàn)。模擬用到了一些軟件支持工具包如IOAPI、NetCDF等，管理文件的輸入輸出。最終的輸出結(jié)果結(jié)合使用 了 NCL (NCAR Command Language)、Verdi 和 ArcGIS 等實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的可視化處理和統(tǒng)計(jì)分析。
不同行業(yè)和污染物種而言，排放的活動(dòng)水平所指內(nèi)容各不一樣，排放因子隨空間和時(shí)間分布變化規(guī)律不太均勻，處理方法和技術(shù)亦不相同。研究根據(jù)察不同部門各自的能源消耗水平方式和所采取控制技術(shù)的特點(diǎn)，分為點(diǎn)源、線源和面源，編制了杭州市的本地化的污染物排放清單。
…………
第三章杭州市污染的模擬與驗(yàn)證......... 27
3.1模擬結(jié)果時(shí)空驗(yàn)證 .........27
3.2 N02、 S02、PM10 月均值對(duì)比......... 31
3.3模擬結(jié)果年均等值線 ..........37
第四章杭州市污染的來源解析.......... 40
4.1區(qū)域間相互傳輸貢獻(xiàn)解析..... 40
4.1.1主城區(qū).... 40
4.1.2蕭山............ 41
第五章杭州市減排情景分析. ............47
第五章杭州市減排情景分析
5.1杭州市"十二五"污染物控制減排分析
杭州市工業(yè)源氛裝化物“十二五”期間對(duì)電廠減排措施，主要釆取新建、改建、擴(kuò)建的現(xiàn)有燃煤機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，監(jiān)督企業(yè)在發(fā)電鍋爐設(shè)備上裝配高效低氮燃燒技術(shù)和裝置。如果低氣燃燒改造后，仍不能滿足氣裝化物總量控制要求的機(jī)組，應(yīng)配置煙氣脫銷設(shè)施。最終實(shí)現(xiàn)單機(jī)容量超過135MW的燃煤發(fā)電機(jī)組通過實(shí)行脫確改造的脫補(bǔ)效率達(dá)到85%，排放濃度低于為lOOmg/m3，在燃煤機(jī)組上裝配氣最化物在線連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置，以確保設(shè)施穩(wěn)定可靠運(yùn)行。2010年電力熱力行業(yè)排放的氮氧化物總量為28692噸，杭州市"十二五”期間減排規(guī)劃，"十二五"期間電力熱力行業(yè)可達(dá)到的氮氧化物減排能力約20178噸。根據(jù)杭州市"十二五"期間GDP和人口增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)杭州市“十二五"期間蕭山區(qū)的燃煤量將會(huì)增加15噸，取燃煤的平均排污系數(shù)為1.72千克NOx/噸煤，估算得氮?dú)饣锱欧帕繒?huì)增加258噸。主城區(qū)和余杭地區(qū)的電廠燃煤量基本保持不變。綜合分析，杭州市“十二五”期間，電力熱力行業(yè)氣栽化物總減排量約為19920噸，2015年排放的氮?dú)饣锟侷約8772噸。
5.2杭州市未來最大減排潛力分析
在最大減排力度下，各行業(yè)部門綜合治理。電廠減排技術(shù)從兩方面展開：一是源頭治理，采用工藝改造減少生成量，如低氮燃燒（LNB)和分段燃燒等技術(shù)的使用；二是末端治理，通過選擇性非催化還原（SNCR)、選擇性催化還原（SCR)，濕法煙氣脫硫（FGD)、靜電除塵（ESP)和布袋除塵（FF)等技術(shù)進(jìn)行末端治理，預(yù)計(jì)最終氣筑化物、疏化物、PM2.5減排率分別可達(dá)72.2%、54.0%、34.6%。工業(yè)鍋爐的減排技術(shù)基本與火電鍋爐相似，在2010年工業(yè)鍋爐的FGD減排技術(shù)還沒有非常普及，低氣燃燒技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用，在最大減排力度下估算得最終氮氧化物、硫化物、細(xì)顆粒的減排能達(dá)到62.0%、74.5%、63.5%。民用部門通過降低能源需求，推廣節(jié)能減排技術(shù)。采用熱電聯(lián)產(chǎn)，減少生物質(zhì)開放燃燒，改用沼氣天然氣太陽能等清潔能源，少用化肥，多使用生物質(zhì)殘骸作為肥料。
.............
第六章總結(jié)與展望
本文建立了杭州市本地排放清單，以多尺度空氣質(zhì)量糢型CMAQ為主要研究手段，模擬了杭州市大氣污染狀況，并與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。在驗(yàn)證結(jié)果較為理想的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用模型，對(duì)杭州市污染來源進(jìn)行了解析，評(píng)估了杭州市政策規(guī)劃減排效果，為未來減排措施的制定提供參考。本文主要得出的以下幾點(diǎn)結(jié)論：(])本文釆用“自下而上”的方法，建立了 2010年杭州市的污染物排放清單，清單的分辨率為 2kmX2km,包含了 NOx、S02、PM10、PM25、CH4、CO、NH3等物種，涵蓋了電廠、工業(yè)、交通、民用、揚(yáng)塵、秸稈燃燒等行業(yè)。研究通過文獻(xiàn)和調(diào)研收集各類排放源的活動(dòng)水平信息及排放因子，估算得杭州市2010年排放的NOx總量為8698萬噸，S02總量為6596萬噸，PM,�？偭繛�7961萬噸，PM2.5總量為322萬噸，CH4總量為2175萬噸，CO總量為72818萬噸，NH3總量為4576萬噸。(2)在建立的高分辨率排放清單的基礎(chǔ)上，采用三層網(wǎng)格嵌套的方法，模擬了杭州市2010年5、7、10月的各類污染物的時(shí)均濃度，其中選取5個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的NO；?、S02> PM1Q觀測(cè)值與模擬值對(duì)比，對(duì)時(shí)空分布、標(biāo)準(zhǔn)偏差、年均等直線圖進(jìn)行了評(píng)估。從空間分布結(jié)果可以看出，鬧市區(qū)站點(diǎn)和睦小學(xué)、朝暉五區(qū)、浙江農(nóng)大的污染物濃度較高，在景區(qū)站臥龍橋站、云棲站污染較輕，污染受人口密度影響較為明顯。對(duì)偏差分析的結(jié)果顯示N02、S02、PM10的平均偏差分別為-4.25%、7.34%、-0.36%,模擬值與觀測(cè)值十分接近，偏差在合理的范圍內(nèi)，充分證明了編制的排放源清單準(zhǔn)確性。CMAQ模型能很好的反映杭州市的空氣污染分布狀況。
………
參考文獻(xiàn)（略）
本文編號(hào)：8514
1.1研究背景
近年來，大氣污染極大地影響了人們的生活和健康，大氣污染開始成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)�？諝馕廴居腥藶橐蛩兀C(jī)動(dòng)車尾氣、工業(yè)廢氣、餐飲、民用燃煤等）和自然因素（火山爆發(fā)、龍卷風(fēng)、森林火災(zāi)等），主要來自人為源，尤其是交通運(yùn)輸和工業(yè)燃煤等⑴。污染經(jīng)由污染源排放出來，在大氣中傳播，然后引發(fā)各種環(huán)境問題。大氣污染物在空中傳輸?shù)挠绊懸蛩睾芏啵瑲庀笠蛩睾偷匦蔚孛惨蛩厥瞧渲凶钪饕膬蓚�(gè)因素[2，3]。首先，氣象條件很大程度上影響了污染物擴(kuò)散稀釋沉降作用。風(fēng)速和風(fēng)向，則決定了污染擴(kuò)散的方向和混合擾動(dòng)大��；濕度、雨量、云量則對(duì)污染物的清除沉降有很大影響。地形地貌對(duì)污染擴(kuò)散的影響主要體現(xiàn)在，地面凸起物如大山、高的建筑物等會(huì)阻礙污染物的流通。
1.2空氣質(zhì)量模型
從流體力學(xué)方法看，空氣質(zhì)量模型可分為高斯模式、拉格朗日模型和歐拉模型，高斯模式運(yùn)用潘流統(tǒng)計(jì)理論，采用半經(jīng)驗(yàn)公式模擬污染物濃度場(chǎng)，主要有ISC、AERMOD、ADMS等；拉格朗日模型通過追蹤流體運(yùn)動(dòng)軌跡來描述污染物分布變化，如OZIP/EKMA、CALPUFF等；歐拉模型在固定坐標(biāo)空間內(nèi)研究空間內(nèi)污染物微元的運(yùn)動(dòng)。從數(shù)學(xué)方法上來看，空氣質(zhì)量模型可分為數(shù)值模型和統(tǒng)計(jì)模型，前者通過抽象出數(shù)學(xué)方法來分析大氣中污染物的散傳輸和化學(xué)反應(yīng)，后者在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上建立模型統(tǒng)計(jì)分析污染物流動(dòng)規(guī)律；從時(shí)空尺度上來講，空氣質(zhì)量模型可分為全球模型，區(qū)域模型和城市尺度模型等。從20世紀(jì)60年代以來，隨著人們對(duì)大氣污染過程研究的深入，空氣質(zhì)量模型也在不斷完善中，主要經(jīng)歷了三代模型的演變。
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第二章空氣質(zhì)量模型及其應(yīng)用
2.1空氣質(zhì)量模式系統(tǒng)介紹
此外，國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)也展開了建立排放清單的編制，中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院、中國(guó)氣象科學(xué)研究院、上海環(huán)境科學(xué)研究院、清華大學(xué)、北京大學(xué)、華南理工大學(xué)等單位也各自編制了全國(guó)或各地區(qū)城市大氣污染物的排放清單[3941]。排放源清單的編制方法主要有兩種，第一種是"自上而下”（Top-down)的方法，即指根據(jù)能源統(tǒng)計(jì)年鑒能源消耗、人口、GDP等信息，通過調(diào)研初略估計(jì)各地區(qū)污染物排放量，這種方法容易實(shí)施，但精度不高；第二種是“自下而上”(Buttom-up)的方法，即通過大量的實(shí)地測(cè)試測(cè)量獲取排放量，這類方法一般比較耗賽人力物力，得到的排放源數(shù)據(jù)也相對(duì)可靠。
2.2模型設(shè)置
本文研究所使用的計(jì)算平臺(tái)是在浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大規(guī)模并行機(jī)上建立的，本并行機(jī)上共有69個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)上又含有8個(gè)CPU。在該服務(wù)系統(tǒng)上調(diào)試安裝了中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF和第三代空氣質(zhì)量模型CMAQo系統(tǒng)的Linux系統(tǒng)操作平臺(tái)為CentOS 64位系統(tǒng)，采用的Fortran編譯器為Intel Fortran編譯器，并行程序設(shè)計(jì)通過MPICH來實(shí)現(xiàn)。模擬用到了一些軟件支持工具包如IOAPI、NetCDF等，管理文件的輸入輸出。最終的輸出結(jié)果結(jié)合使用 了 NCL (NCAR Command Language)、Verdi 和 ArcGIS 等實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)的可視化處理和統(tǒng)計(jì)分析。
不同行業(yè)和污染物種而言，排放的活動(dòng)水平所指內(nèi)容各不一樣，排放因子隨空間和時(shí)間分布變化規(guī)律不太均勻，處理方法和技術(shù)亦不相同。研究根據(jù)察不同部門各自的能源消耗水平方式和所采取控制技術(shù)的特點(diǎn)，分為點(diǎn)源、線源和面源，編制了杭州市的本地化的污染物排放清單。
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第三章杭州市污染的模擬與驗(yàn)證......... 27
3.1模擬結(jié)果時(shí)空驗(yàn)證 .........27
3.2 N02、 S02、PM10 月均值對(duì)比......... 31
3.3模擬結(jié)果年均等值線 ..........37
第四章杭州市污染的來源解析.......... 40
4.1區(qū)域間相互傳輸貢獻(xiàn)解析..... 40
4.1.1主城區(qū).... 40
4.1.2蕭山............ 41
第五章杭州市減排情景分析. ............47
第五章杭州市減排情景分析
5.1杭州市"十二五"污染物控制減排分析
杭州市工業(yè)源氛裝化物“十二五”期間對(duì)電廠減排措施，主要釆取新建、改建、擴(kuò)建的現(xiàn)有燃煤機(jī)組和熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，監(jiān)督企業(yè)在發(fā)電鍋爐設(shè)備上裝配高效低氮燃燒技術(shù)和裝置。如果低氣燃燒改造后，仍不能滿足氣裝化物總量控制要求的機(jī)組，應(yīng)配置煙氣脫銷設(shè)施。最終實(shí)現(xiàn)單機(jī)容量超過135MW的燃煤發(fā)電機(jī)組通過實(shí)行脫確改造的脫補(bǔ)效率達(dá)到85%，排放濃度低于為lOOmg/m3，在燃煤機(jī)組上裝配氣最化物在線連續(xù)監(jiān)測(cè)裝置，以確保設(shè)施穩(wěn)定可靠運(yùn)行。2010年電力熱力行業(yè)排放的氮氧化物總量為28692噸，杭州市"十二五”期間減排規(guī)劃，"十二五"期間電力熱力行業(yè)可達(dá)到的氮氧化物減排能力約20178噸。根據(jù)杭州市"十二五"期間GDP和人口增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)杭州市“十二五"期間蕭山區(qū)的燃煤量將會(huì)增加15噸，取燃煤的平均排污系數(shù)為1.72千克NOx/噸煤，估算得氮?dú)饣锱欧帕繒?huì)增加258噸。主城區(qū)和余杭地區(qū)的電廠燃煤量基本保持不變。綜合分析，杭州市“十二五”期間，電力熱力行業(yè)氣栽化物總減排量約為19920噸，2015年排放的氮?dú)饣锟侷約8772噸。
5.2杭州市未來最大減排潛力分析
在最大減排力度下，各行業(yè)部門綜合治理。電廠減排技術(shù)從兩方面展開：一是源頭治理，采用工藝改造減少生成量，如低氮燃燒（LNB)和分段燃燒等技術(shù)的使用；二是末端治理，通過選擇性非催化還原（SNCR)、選擇性催化還原（SCR)，濕法煙氣脫硫（FGD)、靜電除塵（ESP)和布袋除塵（FF)等技術(shù)進(jìn)行末端治理，預(yù)計(jì)最終氣筑化物、疏化物、PM2.5減排率分別可達(dá)72.2%、54.0%、34.6%。工業(yè)鍋爐的減排技術(shù)基本與火電鍋爐相似，在2010年工業(yè)鍋爐的FGD減排技術(shù)還沒有非常普及，低氣燃燒技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用，在最大減排力度下估算得最終氮氧化物、硫化物、細(xì)顆粒的減排能達(dá)到62.0%、74.5%、63.5%。民用部門通過降低能源需求，推廣節(jié)能減排技術(shù)。采用熱電聯(lián)產(chǎn)，減少生物質(zhì)開放燃燒，改用沼氣天然氣太陽能等清潔能源，少用化肥，多使用生物質(zhì)殘骸作為肥料。
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第六章總結(jié)與展望
本文建立了杭州市本地排放清單，以多尺度空氣質(zhì)量糢型CMAQ為主要研究手段，模擬了杭州市大氣污染狀況，并與地面觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬驗(yàn)證。在驗(yàn)證結(jié)果較為理想的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用模型，對(duì)杭州市污染來源進(jìn)行了解析，評(píng)估了杭州市政策規(guī)劃減排效果，為未來減排措施的制定提供參考。本文主要得出的以下幾點(diǎn)結(jié)論：(])本文釆用“自下而上”的方法，建立了 2010年杭州市的污染物排放清單，清單的分辨率為 2kmX2km,包含了 NOx、S02、PM10、PM25、CH4、CO、NH3等物種，涵蓋了電廠、工業(yè)、交通、民用、揚(yáng)塵、秸稈燃燒等行業(yè)。研究通過文獻(xiàn)和調(diào)研收集各類排放源的活動(dòng)水平信息及排放因子，估算得杭州市2010年排放的NOx總量為8698萬噸，S02總量為6596萬噸，PM,�？偭繛�7961萬噸，PM2.5總量為322萬噸，CH4總量為2175萬噸，CO總量為72818萬噸，NH3總量為4576萬噸。(2)在建立的高分辨率排放清單的基礎(chǔ)上，采用三層網(wǎng)格嵌套的方法，模擬了杭州市2010年5、7、10月的各類污染物的時(shí)均濃度，其中選取5個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的NO；?、S02> PM1Q觀測(cè)值與模擬值對(duì)比，對(duì)時(shí)空分布、標(biāo)準(zhǔn)偏差、年均等直線圖進(jìn)行了評(píng)估。從空間分布結(jié)果可以看出，鬧市區(qū)站點(diǎn)和睦小學(xué)、朝暉五區(qū)、浙江農(nóng)大的污染物濃度較高，在景區(qū)站臥龍橋站、云棲站污染較輕，污染受人口密度影響較為明顯。對(duì)偏差分析的結(jié)果顯示N02、S02、PM10的平均偏差分別為-4.25%、7.34%、-0.36%,模擬值與觀測(cè)值十分接近，偏差在合理的范圍內(nèi)，充分證明了編制的排放源清單準(zhǔn)確性。CMAQ模型能很好的反映杭州市的空氣污染分布狀況。
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參考文獻(xiàn)（略）
本文編號(hào)：8514
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