CMAQ与CAMx对中国PM2.5模拟结果的对比分析-终稿

CMAQ与CAMx模型对中国PM2.5数值模拟对比分析薛文博1，付飞1，王金南1,2*，杨金田1，雷宇1，汪艺梅1，武卫玲1（1.环境保护部环境规划院，北京，100012；2.国家环境保护环境规划与政策模拟重点实验室，北京，100012）摘要：为研究我国PM2.5及其关键组分的空间分布特征，分析不同空气质量模型PM2.5模拟结果的一致性和差异性，选取第三代空气质量模型CMAQ和CAMx分别对全国1月份PM2.5及其关键组份进行模拟，分析了PM2.5及其关键组分浓度的空间分布特征，对比了CMAQ与CAMx模型对模拟区域内所有网格点及县级以上城市模拟结果的差异性。结果表明，我国1月份PM2.5重污染地区主要集中在以“北京－西安－宁波”为顶点的污染三角区、四川盆地（成渝地区）及长江中下游两湖平原（武汉城市群和长株潭城市群）等区域，CMAQ和CAMx模型对PM2.5、硫酸盐、硝酸盐模拟结果均具有很好的空间相关性，333个县级以上城市PM2.5、硫酸盐、硝酸盐浓度模拟结果的线性相关系数分别为0.979、0.870、0.972，但CAMx模型对PM2.5、硫酸盐、硝酸盐的模拟结果总体上大于CMAQ，CMAx相比CMAQ模型对333个县级以上城市PM2.5、硫酸盐、硝酸盐的模拟结果分别偏高16.50%、45.67%、34.14%。关键字：CMAQ；CAMx；PM2.5；硫酸盐；硝酸盐中图分类号：文献标志码：A文章编号：ComparisonofPM2.5SimulationbetweenCMAQandCAMxModeloverChina.XUEWenbo,FUFei,WANGJinnan,YANGJintian,LEIYu,WANGYimei,WUWeiling(1.TheAtmosphericEnvironmentDepartment,ChineseAcademyforEnvironmentalPlanning,Beijing,100012,China;2.StateKeyLaboratoryofEnvironmentalPlanningandPolicySimulation,ChineseAcademyforEnvironmentalPlanning,Beijing,100012,China)Abstract：TostudythespatialdistributioncharacteristicsofPM2.5anditskeycomponents,aswellasanalyzingtheconsistencyanddifferentiationbetweendifferentmodelsimulations,PM2.5anditskeycomponentssimulationwerecarriedoutbythethirdgenerationairqualitymodelsCMAQandCAMxrespectively,spatialdistributioncharacteristicsofPM2.5anditskeycomponentswereanalyzed,andstatisticanalysiswerecarriedoutonsimulatedconcentrationsofallgridcellsandcitiesabovethecountrylevel.TheresultsindicatethatPM2.5pollutioninChinaiscenteredaroundthetriangleareaconsistingofthreeverticesof“Beijing－Xi’an－Hangzhou”,theChengdu-ChongqingareainSichuanBasinalongwiththeWuhanandChangsha-Zhuzhou-XiangtancityclusterslocatedonthePlainalongthemiddleandlowerstreamsoftheChangjiangRiver.Besides,simulatedconcentrationsofPM2.5、sulfateandnitrateofCMAQandCAMxhavequitegoodcorrelations,correlationcoefficientsofPM2.5、sulfateandnitrateofthe333citiesabovethecountylevelare0.979、0.870、0.972respectively.ThesimulatedresultsofPM2.5、sulfateandnitrateofCAMxarehigherthanCMAQasawhole,simulatedconcentrationsofPM2.5、sulfateandnitrateofthe333citiesabovethecountylevelarelargerataround16.6%、45.67%、34.14%respectively.Keywords:CMAQ;CAMx;PM2.5;Sulfate;Nitrate1引言空气质量模型是基于对大气物理和化学过程科学认识的基础上，运用气象学原理及数学方法，从水平和垂直方向在一定尺度范围内对空气质量进行仿真模拟，再现污染物在大气中输送、收稿日期：基金项目：*责任作者，研究员，E-mail:[e-mail]反应、清除等过程的数学工具[1]。随着计算机计算效率的提高和人们对大气物理化学过程认识水平的深入，空气质量模型在运算效率和设计理念上都在不断改进与发展，目前空气质量模型已发展到第三代[1]。以CMAQ、CAMx、WRF-CHEM、NAQPMS为代表的第三代空气质量模型均基于全新的“一个大气”理念设计研发，突破了传统模式针对单一物种或者单相物种的模拟，考虑了实际大气中不同物种之间的相互转换和相互影响，能够同时模拟SO2、NO2、PM10、PM2.5、O3、酸雨等多尺度、多种大气环境问题[2-5]。当前CMAQ、CAMx、NAQPMS等模型已成为研究区域大气污染问题的主要工具，在大气环境科学研究、空气质量预警预报与综合策略等领域发挥了重要作用[6-12]。PM2.5是指空气动力学当量直径小于2.5μm的大气颗粒物，其比表面积大，能够携带大量有毒有害物质进入人体肺部、甚至渗入血液，严重危害人体健康。NASA卫星观测的气溶胶光学厚度和GEOS-CHEM模型反演的2001-2006年全球PM2.5平均浓度分布特征显示，中国华北、华东、成渝地区已成为全球PM2.5污染最严重的地区[13]。2013年1月份74个开展PM2.5监测的城市数据[14]显示，所有城市PM2.5月均浓度均超过国家二级标准35μg/m3，月均浓度超过100μg/m3的城市达到47个，超过200μg/m3的城市高达12个，其中最大浓度达到336μg/m3。卫星观测数据和地面监测数据均证实我国PM2.5污染已经非常严重，PM2.5污染引起的灰霾现象已成为我国重点区域与城市面临的主要大气环境问题。利用空气质量模型研究PM2.5污染形成机制，分析PM2.5及其关键组分时空分布特征，识别PM2.5污染来源，是制定准确、有效大气污染控制策略的科学依据。但是目前我国对PM2.5的研究主要集中在典型区域及城市PM2.5污染特征、来源解析及成分分析等领域，对全国PM2.5数值模拟研究开展较少[15-19]。此外，由于不同的空气质量模型采用不同的模型框架以及数值计算原理，在污染物传输、沉降机制、气相化学机制、气溶胶化学机制等方面均存在差异，因此PM2.5模拟结果也存在一定的差异，但国内鲜有对不同空气质量模型PM2.5模拟结果的对比研究[20]。本研究选取典型的第三代空气质量模型CMAQ和CAMx模型分别模拟了全国尺度PM2.5及其关键组分（硫酸盐、硝酸盐），对比了两个模型PM2.5模拟结果在空间上的一致性及差异性，并分析了差异产生的主要来源。2数据与方法2.1空气质量模型CMAQ模型主要由边界条件模块（BCON）、初始条件模块（ICON）、光分解速率模块（JPROC）、气象-化学预处理模块（MCIP）和化学输送模块（CCTM）构成。化学输送模块（CCTM）是CMAQ的核心，污染物在大气中的扩散和输送过程、气相化学过程、气溶胶化学过程、液相化学过程、云化学过程以及动力学过程均由CCTM完成，其它模块的主要功能是为CCTM提供输入数据和相关参数。CCTM模块可输出多种气态污染物和气溶胶组分的逐时浓度以及逐时的能见度和干湿沉降。CAMx模式是美国ENVIRON公司在UAM-V模式基础上开发的综合空气质量模式，它将“科学级”的空气质量模型所需要的所有技术特征合成为单一系统，可以用来对气态和颗粒物态的大气污染物在城市和区域多种尺度上进行综合性的模拟。CAMx除具有第三代空气质量模型的典型特征之外，最显著的特点包括：双向嵌套及弹性嵌套、网格烟羽（PiG）模块、臭氧源分配技术(OSAT)、颗粒物源分配技术(PSAT)、臭氧和其他物质源灵敏性的直接分裂算法（DDM）等。2.2模型参数设置（1）模拟时段：模拟时段为2010年1月1日~2010年1月31日，模拟时间间隔为1小时。（2）模拟区域：CMAQ和CAMx模拟区域均采用Lambert投影坐标系，中心经度103°，中心纬度37°，两条平行标准纬度为25°和40°。水平模拟范围为X方向（-2682km~2682km）、Y方向（-2142km~2142km），网格间距36km，共将模拟区域划分为150×120个网格，研究区域包括中国全部陆域范围。模拟区域垂直方向共设置9个气压层，层间距自下而上逐渐增大。（3）气象模拟：CMAQ和CAMx模型所需要的气象场均由中尺度气象模型WRF提供[21]，WRF模型与CMAQ、CAMx模型采用相同的空间投影坐标系，但模拟范围大于CMAQ与CAMx模拟范围，其水平模拟范围为X方向（-3582km~3582km）、Y方向（-2502km~2502km），网格间距36km，共将研究区域划分为200×140个网格。垂直方向共设置28个气压层，层间距自下而上逐渐增大。WRF模型的初始输入数据采用美国国家环境预报中心（NCEP）提供的6h一次、1°分辨率的FNL全球分析资料[22]。WRF模型模拟结果通过气象-化学预处理模块MCIP转换为CMAQ所需格式，通过WRFCAMx程序转换为CAMx所需格式。（4）模型参数：CMAQ和CAMx模型参数设置见表1所示。表1CMAQ和CAMx模型参数设置对比Table1ComparisonbetweenparameterssettingofCMAQandCAMx模型参数CMAQCAMx模型版本4.7.16.0网格嵌套方式单层网格单层网格水平分辨率36km36km垂直分层层数99水平平流方案HyamoPPM垂直对流方案Vyamo隐式欧拉水平扩散方案Multiscale显式同步垂直扩散方案ACM2_inline隐式欧拉干沉降方案Aero_depv2Wesely89气相化学机制CB05CB05气溶胶化学机制Aero5CF光化学速率Off-lineIn-line网格烟羽模块关关边界条件默认默认初始条件默认默认2.3排放清单CMAQ、CAMx模型采用相同的排放清单资料，排放清单的化学物种主要包括SO2、NOx、颗粒物（PM10、PM2.5及其组份）、NH3和VOCS（含多种化学组份）等多种污染物。对于SO2、NOx排放清单的具体处理规则为：1）依据2010年全国污染源普查数据[23,24]污染源分类规则，将污染源划分为电力、工业、生活、移动源四个部门；2）对污染源普查数据中所有工业企业（含电力），依据企业经纬度坐标，采用GIS空间分析技术，“自下而上”建立全国36km分辨率工业源SO2、NOx网格化排放清单；3）对于以区县或乡镇行政区为统计单元的生活源，以1km分辨率人口密度为权重，将生活源排放量分解到1km网格，采用GIS空间融