空气质量模型与中国实践

空气质量模型在PM2.5污染防治规划中的应用环境保护部环境规划院大气环境模拟与评估研究室薛文博副研究员主任2016年2月2内容1.PM2.5污染现状及管理中面临的问题2.全国多污染物高时空分辨率排放清单3.国家重大环境决策实施环境效果评估4.区域复合型大气污染调控技术5.PM2.5污染的空间分布特征卫星反演一、PM2.5污染现状及管理实践面临的问题COO3PM2.5SO2NO2PM102015年全国城市空气质量情况“十三五”将以城市为单元，分五大阵营，分类改善！2015年PM2.5年均浓度分布2015年全国338个地级及以上城市，仅有73个城市空气质量达标（约20%%）；达标城市主要分布在福建、广东、云南、贵州、西藏等省份，大部分地区依然超标，京津冀鲁豫最为突出！2015年PM2.5与PM10年均浓度比值气候与经济发展水平，对PM2.5污染特征影响显著，以“胡焕庸线”为分割，我国东南主要以PM2.5污染为主，西北PM10与PM2.5同样突出。地面：2013-2015年大气行动计划实施效果全国京津冀长三角28%7%10%45%10%27%27%31%10%20%21%2005-2007年AOD年均值2008-2010年AOD年均值2011-2013年AOD年均值卫星：2005-2015年PM2.5污染变化2014-2015年AOD年均值环境管理与规划中面临的主要问题问题1：在总量控制阶段，如何“被动”评估重大环境政策实施环境效果？优化政策方案主要大气污染物总量控制计划；重点区域大气污染防治规划；国家大气污染防治行动计划等重大环境政策。问题2：在质量控制阶段，如何定量分析PM2.5污染规律，从环境质量出发，“主动”构建差异化、靶向控制策略？实现PM2.5“分型、分区、分时”精细控制？针对上述2个问题开展的主要研究领域1个基础，3个应用方向全国多污染物高时空分辨率排放清单研究国家重大环境决策实施环境效果评估区域复合型大气污染调控技术全国PM2.5污染的空间分布特征卫星反演二、全国多污染物高时空分辨率排放清单排放清单地位-开展各项研究的基础排放清单定义：各种污染源、各种污染物的时空排放信息高化学分辨率CB05、SAPRC99等高空间分辨率网格化清单高时间分辨率逐时用途掌握排放特征制定污染减排策略模拟大气污染成因、规律的必要基础数据生活、交通源电力、工业点源空间分配时间分配化学物种分配多尺度高时空分辨率网格化排放清单构建包括空间、时间和化学物种分配等功能的网格化排放清单编制技术方法，建立适用于空气质量模型的排放清单。0123456123456789101112PowerPlantlpsIndustrylpsHeatingboilerlpsIndustryIndustryfugitivedustBoilerTrasportationRestaurantWaterboilerDomesticcookingstoveDomesticheatingstoveGasstationSolventuseBiogenic_IsoBiogenic_TerBiogenic_OVOCConstructionfugitivedustTrafficfugitivedustPiledustunpavedgrounddustPM:bysectorsSourceprofileNO3-SO42-……OCBC总体技术框架2016/5/11国家法规化主要大气污染物排放清单2016/5/11中国2010年1km分辨率SO2排放清单中国2010年1km分辨率NOx排放清单所有人为源SO2排放所有人为源NOx排放所有人为源VOCs（以醛类为例）排放所有人为源PM2.5排放2013年中国多污染物高时空分辨率排放清单三、国家重大环境决策实施环境效果评估2016/5/11“污染减排”与“质量改善”双向模拟平台全面支撑国家重大环境决策、规划及政策“十二五”大气污染物总量减排的环境效果预测重点区域大气污染防治“十二五”规划目标可达性分析国家《大气污染防治行动计划》目标可达性论证国家《大气污染防治行动计划》中期评估“十一五”大气污染物总量减排的环境效果回顾性评估在城市环境总体规划试点中首次提出大气环境红线的“三维”概念体系，并以具体的技术方法实践应用案例1：“十一五”二氧化硫总量控制环境效果回顾性评估2016/5/11问题引出：随着灰霾污染的加剧，各方对污染物总量控制制度产生质疑？只见“排放量”减少，不见“空气质量”改善？评估目的：如果“十一五”期间不开展二氧化硫总量控制，现在PM2.5污染会如何？恶化到何种程度？评估方法：采用“有（实际减排情景）—无（不减排情景）”对比的情景分析方法。影响：凝聚信心，积累正能量如果“十一五”期间全国不实施二氧化硫减排：2010年全国排放总量将增至3423万吨，空气质量大幅恶化；坚持污染物总量控制是降低PM2.5浓度的前提与必要条件。2016/5/11空气质量指标实际情况不减排情景增幅（%）硫沉降总量（万吨）676.321003.2448.34二氧化硫浓度（μg/m3）34.7849.2441.58硫酸盐浓度（μg/m3）4.865.7919.13细颗粒物浓度（μg/m3）47.4050.476.47应用案例2：国家大气污染防治行动计划目标可达性模拟2016/5/11计划目标：到2017年京津冀、长三角、珠三角等区域细颗粒物浓度分别下降25%、20%、15%左右，其中北京市细颗粒物年均浓度控制在60微克/立方米左右；关注问题：行动计划拟定的十项污染治理措施（国十条）实施后，PM2.5到底能下降多少？能否实现预期目标？2016/5/112016/5/11结论：回应政府焦点问题国家实施《大气污染防治行动计划》，投入1.7万亿后，全国、京津冀、珠三角、长三角PM2.5年均浓度将分别下降：22%、34%、24%、24%，《计划》拟定目标合理、可达。应用案例3：国家大气污染防治行动计划中期评估（工程院牵头）2016/5/11焦点问题：2013-2015年全国各区域、省市、城市PM2.5下降了多少？其中人为贡献多少？气象的变化贡献的多少？后续反弹的可能性？研究方法：假设污染源排放不变，保持在2013年水平，采用WRF-CMAQ空气质量模型模拟气象变化对空气质量的扰动，厘清“人为贡献”与“自然贡献”。2016/5/11规划院74城市监测数据降幅（%）气象贡献率（%）人为贡献率（%）京津冀-28.42-4.30-24.11长三角-24.162.60-26.75珠三角-28.58-5.40-23.18全国-25.77-0.04-25.72清华大学74城市监测数据降幅（%）气象贡献率（%）人为贡献率（%）京津冀-28.42-2.18-26.23长三角-24.16-0.05-24.11珠三角-28.58-14.62-13.97全国-25.77-1.29-24.48结论：天帮忙，人努力四、区域复合型大气污染调控技术背景：我国环境管理模式转型2012年，颁布新的《环境空气质量标准》；2012年，《重点区域大气污染防治十二五规划》；2013年，74个城市，2014年161个城市开展PM2.5监测，2016年所有城市将开展PM2.5监测；2013年，《大气污染防治行动计划》，提标提速；2016年，全国环境保护工作会议召开，陈部长全面阐述了“总量”与“质量”的辩证关系，强调改善环境质量是政治任务，标志我国大气环境管理已由“总量控制”全面转向以“环境质量”为核心的管理阶段！以环境质量为核心的规划设想“十三五”以环境质量为核心面临的技术问题1、战略问题：如果2030年全国PM2.5达标，对应的SO2、NOx、PM及NH3等各种污染物排放量需要控制在多少？—环境容量与最终控制目标；2、常规管理技术：采取什么样的优化控制策略逐步实现环境质量目标？确定每五年目标？—基于区域跨界输送的地区差异管理、协作控制；3、应急管理技术：预报技术，动态调控技术—降低重污染至关重要！1、战略问题：PM2.5达标下的环境容量环境容量分类空间尺度环境问题约束条件核定方法基于酸雨控制的环境容量全国、区域二氧化硫及氮氧化物排放导致的酸雨问题酸沉降临界负荷酸沉降模型/线性规划法基于空气质量改善的环境容量区域、城市、开发区PM2.5、O3及常规污染等环境空气质量标准A-P值法多源模型法线性规划法模型迭代试算法多方法耦合算法按污染对象分类：空气质量（传统指标、复合指标）、酸沉降按空间尺度分类：全国、区域、城市、开发区按核算方法分类：A-P值法、多源模型、线性规划、模型迭代等大气环境容量研究评述研究员空间尺度约束条件核定方法任阵海等全国全国城市SO2年均浓度达标模型模拟法柴发合等全国基于酸沉降临界负荷研究成果线性规划法李云生等全国113个环保重点城市SO2年均浓度达标A值法、多源模式法王金南、蒋洪强等全国SO2年均浓度达标A值法主要以SO2、NO2、PM10环境浓度达标或者酸沉降临界负荷单一、传统污染指标作为约束条件；当前PM2.5变为首要污染物，原有环境容量核算结果已不能用于指导大气环境管理工作。PM2.5面临技术空白多因一果：排放到大气中的各种污染物都会对PM2.5造成影响；非线性：与多种前体物呈非线性关系；区域传输：区域间相互传输相互影响。以PM2.5达标为约束、考虑多污染物协同效应、跨区域传输效应，核定主要大气污染物（SO2、NOx、PM等）环境容量，尚缺乏有效技术方法与经验借鉴。2016/5/11国家尺度大气环境决策分析平台基于大气环境容量的总量控制目标确定方法使用“总量-质量”一体化模型系统确定各模拟网格环境空气质量目标使用基准排放清单，模拟各网格污染物浓度如模拟结果超过空气质量目标，基于快速溯源结果，制定差异化的削减方案，直至所有网格模拟浓度都低于空气质量目标浓度加总各网格排放量，得到大气环境容量基于大气环境容量的总量控制目标确定技术框架PM2.5达标约束下的环境容量省份SO2NOx一次PM2.5NH3省份SO2NOx一次PM2.5NH3北京4.116.792.791.35湖北31.3724.2121.6729.09天津8.6810.73.571.57湖南34.0925.5918.0329.07河北48.5851.1923.1919.55广东68.95105.7237.2135.16山西85.3766.0834.7810.9广西50.538.441.1532.16内蒙古130.96118.7742.6739.52海南3.118.033.186.84辽宁72.8159.0529.1220.48重庆35.0720.7814.3215.55吉林32.5342.9821.8117.72四川37.923.8827.7239.09黑龙江39.1955.0124.3424.08贵州63.8123.219.0416.92上海14.422.785.41.7云南65.4746.5231.7647.26江苏52.3863.3724.5728.4西藏0.423.830.579.59浙江39.7445.3614.1511.59陕西60.4347.0621.519.15安徽20.7830.7116.817.52甘肃52.0635.2418.5117.64福建39.0543.7118.7318.91青海14.379.895.986.85江西41.863916.116.48宁夏34.6135.856.855.91山东70.9257.1733.8527.61新疆62.3353.3317.7524.73河南47.3944.2721.9235.32合计1363.261258.48619.04627.71超载率(%)150[100,150)[50,100)(0,50)未超载SO2河南、河北、天津、山东、安徽、北京四川、湖北、湖南、江苏贵州、上海、重庆、浙江、山西、辽宁、陕西、江西、黑龙江、吉林、广东、甘肃、新疆、广西、宁夏、青海、云南、内蒙古、福建海南、西藏