1、CALPUFF 模型模拟中国区域大气环境质量的实例 中国环境科学研究院 第 1章 CALPUFF 模型简述 CALPUFF 是一个中小尺度的空气质量烟团模型，模型系统包括 CALPUFF 扩散模型及气象预处理模块 CALMET。 1.1 CALPUFF 扩散模型 CALPUFF 是一个用来模拟不稳定状态的多层、多物种污染的高斯型烟团扩散模式，它适用于模拟时空都在变化的气象条件下污染物的迁移、转化和清除。它考虑了复杂地形的影响，海岸的交界影响， 建筑物的下洗影响，干湿沉降以及简单的化学转化，可以计算出在预设点的浓度和沉降量。具体特点如下： 可以处理时变的点源、面源污染； 适合于粗糙、复杂地形条件
2、下的模拟； 可以模拟几十米到几百公里的区域； 可以预测一小时到一年的污染物浓度； 考虑了污染物的线性去除过程和化学转化机制。 1.2 CALMET 气象预处理模块 气象场是扩散模式描述污染物的输送、扩散和 稀释作用的主要动力因子，气象场的质量优劣直接影响到空气质量模拟结 果的精度，甚至对模拟成功与否起着关键的作用。在空气质量模拟的前期准备 工作中，尽可能的获得接近客观的气象场是至关重要的。 CALPUFF 模式有专门的 CALMET 模块来处理气象资料。 其核心部分包括诊断风场以及微气象场模式，它通过质量守恒 连续方程对风场进行诊断，在输入模式所需的常规气象观测资料或大型中尺度 气象模式输出场
3、后，模拟并生成包括逐时的风场、混合层高度、大气稳定度和 微气象参数等的三维风场和微气象场资料。 CALMET 模块对于气象资料输入要求至少有 1 个气象探空站的每日探空资料和尽量多的气象地面站的每日逐时观测资料 。模式的模拟过程中详细考虑了地形的动力学影响、倾斜气流和阻塞效应，模 块生成的三维常规风场输出最多可达 25 层。在微气象场模拟过程中的模拟包 括地表湍流热通量和动量通量参数、三维温度场和降水资料的内插。模型模拟 输出的气象场，可以全面细致地描述污染物在近地面层扩散的微气象背景场和长距离输送的对流层中 尺度常规气象背景场。 本研究利用气象模块 CALMET 对研究区域的气象场进行模拟，
4、 以期获得理想的三维时变风场和微气象处理资料。模拟过 程中选用诊断风场模式，经过两步模拟，最后形成完整的诊断风场。 第 2章 研究内容和方法 2.1 研究内容 本案例利用 CALPUFF 空气质量扩散模式，对辽中地区空气质量进行数值模拟，通过比较不同时段的控制点的模拟结果与监测结果，对 CALPUFF 的适用性作出评述，并提出的应用该模型系统时应该注重的问题。 研究范围 ：研究区域范围是以东经 122.5、北纬 40.5 为西南角坐标，向东延伸 240km、向北延伸 300km，区域内包括沈阳、鞍山、铁岭、抚顺、辽阳和本溪六个城市。 研究时段 ： 2004 年全年及 2004 年 1 月、 4
5、 月、 7 月、 10 月。分别代表全年和冬、春、夏、秋四个季节。 控制点 ：在课题实施过程中，有效数据的控制点共 38 个。 2.2 研究方法 在对空气质量现状及研究区域的城市布局、产业结构、能源结构充分了解和把握的基础上， 采用气象数据和污染源数据利用扩散模式对研究区域的空气质量进行模拟计算，通过将模拟结果与空气质量监测结果的对比、适当调整计算参数和模式验证，建立模型系统。 以 2004 年为研究基准年，对辽中地区六个城市之间的一次污染来源进行影响分析。包括： 确定区域内城市之间污染的相互影响和相互输送作用规律； 重点描述外来源对沈阳市的空气质量贡献作用； 沈阳市本地源对其空气质量贡献的定
6、量描述； 研究的技术路线见图 2-1。 图 2-1 研究的技术路线 探空数据 降水数据 地面数据 气象数据 地理数据 30 秒全球地形土地利用数据模式模拟 模式验证 环境现状模拟 不同模式模拟结果对比分析 参数调整 环境质量数据 排放清单 气象场 污染源数据 第 3章 基础数据资料 3.1 气象资料 地面气象数据采用辽宁省 35 个地面观测站 2004 年全年的逐时气象数据， 其中包括风向、风速、温度、湿度、气压、云量（低云和总云） 、降水等； 探空气象数据采用辽宁省 4 个探空站 2004 年全年的每天 4 次 （分别为 2 时、8 时、14 时和 20 时）的探空数据。地面观测站和探空站位
7、置见图 3-1。 图 3-1 本研究所需气象站地理位置图 本研究设定 48 6010 的网格系统作为模拟区域，x、y 方向网格间距均匀相等为 5km，z 方向为不等距，分别为 20m、40m、80m、160m、300m、600m、1000m、1500m、2200m 和 3000m 共计 10 层，模块采用 UTM 投影坐标。 运行 CALMET 模块，可以获得上述研究区域的时变 10 层模拟气象场，用以分析高空以及地面的气象场对污染物的传输和扩散的影响。 3.2 地理资料 CALMET 模块所必需的地理资料包括土地类型，海拔高度，地表参数 (表面粗糙度，距离，反照率，波文比率 ，土壤热传导系数
8、和植被区域分类 )和人为热传导系数。土地类型和海拔有关的数据需要按网格输入，地表参数和人为热传导系数可以按网格输入，也可根据各网格点土地类型数据通过查表得到，模式已经提供了与土地信息相关的这些参数的缺省值。 地理数据中的土地类型和海拔高度取自于 U.S.Geological Surveys EROS Data Center EROS 的全球 30的数据库。为表征辽宁省以及模拟区域地形情况，本次模拟选用中心坐标为东经 122、北纬 41.5的 1000km 800km 的地形数据，见图 3-2。模拟区域地形呈东高西低，南高北低，海拔高度最大值为 1063.5m，最小值为 2.8m。 图 3-2
9、模拟区域地形图 通过详细分析辽中地区的土地类型， 本研究确定使用 5 类用地类型信息描述北京市地形特征，分别为：非城市用地、灌溉农业用地、灌溉农业用地、林地和水体，与这些用地信息相关的输入参数的缺省值如表 3-1 所示。 表 3-1 本研究使用的用地类型列表 土地类型 特征 描述 表面粗 糙度 反照率 波文 比率 土壤热 流动 人为热 流动 叶表面积指数 10 城市用地 1.0 0.18 1.5 0.25 0.0 0.2 20 农业用地 0.25 0.15 1.0 0.15 0.0 1.0 (非灌溉 ) -20 农业用地 (灌溉 ) 0.25 0.15 0.5 0.15 0.0 3.0 40
10、林 地 1.0 0.10 1.0 0.15 0.0 7.0 50 水 体 0.001 0.10 0.0 1.0 0.0 0.0 3.3 排放清单 污染源排放的基础是由辽宁省环保局提供的 6 个城市各类污染物的排放量、污染源的排放因子以及各城市的各项环境和社会经济统计数据和资料。 研究区域污染源主要包括工业源、民用面源和流动源。排放污染物以 SO2、 NO2、 PM10为主。 本研究在按行业和地区的统计的污染源排放清单的基础上， 根据模式对污染源输入格式的要求、工作的需要以及计算量的合理性，首先按城市统一把污染物分成六类分别为： （ 1） 1t 以上锅炉（以下简称锅炉） ； （ 2）窑炉； （
11、3）工艺装置（以下简称工艺） ； （ 4） 1t 以下锅炉（以下简称 1t） ： （ 5）平房：包括市区内外的平房； （ 6）流动源：机动车尾气排放。 为了细致的研究各市各类源对空气污染贡献程序的差异， 在上述 6 类的基础上，又进一步将锅炉、窑炉和工艺根据其排放高度大于等于 35m 和小于 35m 分为点源和面源， “ 1t” 、 “平房”按面源处理，流动源根据其排放量分为线源和面源两类。 污染物排放特征按采暧季和非采暧季进行分类， 1 月为采暖季， 4、 7 和 10月为非采暧季。 本研究的 SO2、 NO2和 PM10三种污染物汇总表，见表 3-2 和表 3-3。 表 3-2 辽中地区各
12、类污染物排放量 单位：吨 /年 城市 源类别 源类型 SO2NOx PM10沈阳 锅炉 点源 /面源 91201 107718 35089 炉窑 点源 /面源 6615 30022 1744 工艺装置 点源 /面源 23 1 吨以下锅炉 面源 844 479 317 平房 面源 面源 15405 3678 6177 移动源 (含机场 ) 线源 /面源 1150 16818 1133 锅炉 点源 /面源 47501 44874 22533 炉窑 点源 /面源 53309 32014 28437 工艺装置 点源 /面源 810 11904 1 吨以下锅炉 面源 632 140 1343 平房 面源
13、 面源 3424 2863 31284 鞍山 移动源 线源 /面源 302 4790 543 锅炉 点源 /面源 54160 62970 17703 炉窑 点源 /面源 3092 3335 5541 工艺装置 点源 /面源 2549 1102 2998 1 吨以下锅炉 面源 1078 199 40 平房 面源 面源 3770 2569 3282 抚顺 移动源 线源 /面源 5864 4235 678 锅炉 点源 /面源 37336 26427 11412 炉窑 点源 /面源 18953 3416 15348 工艺装置 点源 /面源 1750 1 吨以下锅炉 面源 1163 704 1592 平
14、房 面源 面源 722 162 23128 本溪 移动源 线源 /面源 141 1576 82 锅炉 点源 /面源 23089 21195 17278 炉窑 点源 /面源 23658 11245 42041 工艺装置 点源 /面源 1198 952 475 1 吨以下锅炉 面源 354 123 16 平房 面源 面源 7975 1906 2329 辽阳 移动源 线源 /面源 277 3485 247 锅炉 点源 /面源 72540 54922 25679 炉窑 点源 /面源 1877 4355 13572 工艺装置 点源 /面源 132 1 吨以下锅炉 面源 590 243 597 铁岭 平房
15、 面源 面源 1393 6895 9432 表 3-3 中部各市污染物排放量比较表 单位：吨 /年 序号 城市 SO2% NOx % PM10% 1 沈阳 115215 24 158715 34 44482 13 2 鞍山 105979 22 84681 18 96043 29 3 抚顺 70513 15 74410 16 30242 9 4 本溪 58315 12 32285 7 53312 16 5 辽阳 56551 12 38907 8 62386 19 6 铁岭 76715 16 72350 16 49956 15 中部合计 483287 100 461347 100 336422 1
16、00 第 4章 研究结论 4.1 结果评述 近几年来， CALPUFF 模型在北京、广州和深圳等不同城市的大气污染和控制等课题的研究中，表现了良好的性能。本次在辽宁中部城市群的研究中，利用本模式系统模拟辽中地区城市群气态污染物的时空分布状况， 系统分析区域内城市之间污染的相互影响特征， 确定了不同城市外来源对空气质量的贡献及其时空分布特征。 研究结果表明： 38 个控制点中， 1 月、 4 月、 7 月、 10 月， SO2的日均值的监测数据与模拟数据的相关系数为 0.58，符合指数为 0.66，表明应用 CALPUFF 系统所建的二氧化硫模式性能较好。 38 个控制点中， 1 月、 4 月、
17、 7 月、 10 月， PM10的日均值的监测数据与模拟数据的相关系数为 0.43，符合指数为 0.54，尚可使用，但模拟结果不及 SO2。 综上分析，在本研究确定的参数条件下， CALPUFF 模式在模拟辽中地区受体点污染物浓度时，特别是对 SO2的模拟，具有较高的精度，表现出良好的性能和适用性。 4.2 注意的问题 （ 1）在大的区域的研究中，污染源的数 目大，一般低烟囱的排放源作为面源考虑，在确定面源的输入参数时，应进行反复的验证，才能保证预测结果的可靠性。验证方法有多种，如可用单源作为点源和面源分别预测来确定其参数，也可用经验的参数。 （ 2）由于颗粒物的来源复杂和排放清单 的不完整性，模拟的结果和监测数据的相关性相对差一些，这是正常的，可以通过利用源解析等研究结果进行源和预测结果的校正和修正。 （ 3）应该确保现状监测结果的真实有效 性，剔除一些不合理的数据，以保证研究结果的科学性。
