空气质量管理“先知”

空气质量管理“先知”——GIS在空气质量预报预警业务与重污染应急控制决策评估系统的应用我国面临严重的大气复合污染vanDonkelaaretal.,EHP,2010灰霾沙尘Zhaoetal.,EST,2009臭氧PM2.5(µgm-3)西方150多年发展经历的各类大气污染在我国集中爆发三大污染问题：沙尘暴、臭氧和灰霾（细颗粒物）灰霾污染是困扰我国经济发展的重大问题040801201602001998200020022004200620082010PM2.5(µgm-3)0306090120150霾天数北京PM2.5天津石家庄PM2.5保定PM2.5唐山PM2.5京津冀霾天数据：中科院观测研究和文献整理北京160天/年上海200天/年广州150天/年深圳160天/年Atmos.Res.2009,94,161-167全国霾污染日益严重：三区十群2013年1月尤其严重典型城市PM2.5的组成部分有机物是中国PM2.5中的重要化学物种；SNA是中国东部地区PM2.5中最主要的化学物种；土壤尘的高含量是中国PM2.5的一个特征，在受沙尘影响的地区和季节尤甚。霾污染源工业交通建筑城市面源农业养殖生物质燃烧沙尘气象场与大气边界层结构物理化学过程及相互作用扩散碰并吸湿增长溶胀．．．．．．均相光化学气－粒转化非均相化学水解．．．．．．消光细粒子PM2.5二次生成的复杂性(+RO2)O3新粒子1.4nm凝聚/碰并hv+alkenesNONO2O2VOCsOVOCsHONOhvhvSO2H2SO4NH3&H2O+VOCs（改自，贺泓，王跃思等，2011）《环境空气质量标准》（GB3095-2012）新增PM2.5、8小时O3、CO等新标准《重点区域大气污染防治“十二五”规划》2015年，重点区域PM10、PM2.5分别下降10%、5%《大气污染防治行动计划》“国十条”重污染应急管理，节能降耗减排，行政问责国家对大气污染防治高度重视短期：重污染应急管理长期：节能降耗减排，能源结构优化地方政府对当地空气质量负总责，开展行政问责“国十条”：重拳出击大气污染提高重污染预报预警能力大气污染溯源与追因公众和社会舆论压力北京、上海、广州等已初步具备预报能力，预报准确率有待提高，但不具备污染溯源追因能力，难以满足政策需求大多数区域、城市尚未具备数值预报能力当前预报预警能力不足2014年：三大城市群2015年：省级，副省级与省会城市预报预警中心构建时间节点：任务艰巨体系规划与目标：国家+区域+省级+城市工作体系环境质量预报预警中心区域预报信息服务系统无论区域城市，均需建设与发挥预报预警平台系统强大综合功能：在城市层面，提供24-48小时空气质量预报，提供公众健康生活出行指引服务在城市和区域层面，提供预警，为管理部门及时对潜在的重污染过程采取污染控制措施、预防公众健康影响提供技术支撑在城市和区域层面，为环境管理和污染控制提供科学的规划与政策实施的情景模拟预测与技术支持在城市和区域层面，为管理部门评估污染控制成效、预测环境健康影响、评估环境风险提供技术服务核心业务和核心竞争力：源自专业服务和产品空气质量预报模式——预报预警与重污染事件应急控制的核心技术手段ashWRPSzCKxyCKxxCKxzCwyCvxCutCdiziyixiiii源排放输送物理过程化学过程控制方程物理图像数学表达空气质量预报模式网格划分和嵌套网格xy△x△y中国科学院大气物理研究所NAQPMS模式空气质量模式系统PM2.5PM2.5臭氧酸雨重金属能见度物理过程气溶胶酸沉降耦合气溶胶热力化学平衡模式ISORROPIA1.7的、二次有机气溶胶（SOA）及非均相化学模块，能够模拟硫酸盐ASO4、硝酸盐ANO3、铵盐ANH4、黑碳BC、有机物OM、一次细颗粒物PMF、沙尘和海盐等气溶胶成分。“十五期间”NAQPMS单尺度模拟（单一分辨率）多尺度模拟（嵌套、多个分辨率）单物种（硫或者沙尘）多物种（臭氧、细粒子、硫氮）查表法气相化学，基于平均态驱动场多相态，综合考虑光化学过程、气溶胶过程、气溶胶与气体非均相过程、液相化学；71个物种，134个反应传统起沙机制自主阵风起沙机制欧美的干沉降参数化方案适合我国的参数化方案静态污染源（基于统计）静态和动态相结合，基于SMOKE的高时空精度专业排放处理，基于观测的源反演源解析方法：敏感性试验在线源解析方法（节省计算资源，克服化学非线性）无资料同化基于最优插值、集合卡尔曼滤波同化运行方式：手动，串行自动化，高效并行与国内外模式的比较跨洲东亚橘色：沙尘浅蓝色：污染气溶胶珠三角全球洲际区域城市群城市街区北京健德门多模式集合：吸取各模式优点提高预报准确率针对排放源、气象场、模式参数的差特征进行同时扰动；构建最优扰动组合使集合预报能最大限度反映预报不确定性。成果应用：北京奥运—上海世博—广州亚运成果被国家重大国际活动所采用多模式集成预报系统上海世博北京奥运广州亚运业务应用情况★沈阳★北京★上海广州★★重庆★兰州★乌鲁木齐★济南★台北★哈尔滨★成都★西安★苏州★南京★武汉★郑州石家庄★★福州★呼和浩特★中山东莞★★长沙转化为各个被标识源对污染物浓度的贡献污染排放、输送、化学转化等全过程追踪获得大气污染物的类别来源、地域来源通过质量追踪，了解污染物生成消耗过程，解决了非线性问题技术名称解析物种解析过程技术来源源识别与追踪技术一次、二次污染物不同地区和行业自主发展OSAT臭氧不同地区和行业国外引进PSAT颗粒物不同地区和行业国外引进空气质量预报预警核心问题之：溯源与追因溯源与追因计算流程源排放Pre+ΔPre来源iSec+ΔSec来源i平流、扩散、沉降化学反应Sec来源iPre来源iPre-ΔPre来源iSec+ΔSec来源i*Pre:前体物*Sec:二次生成或一次排放的污染物按前体物分配来源源解析地域时间行业标识来源空间来源标识空间按行政区域分为16个ID：上海城区，上海郊区，苏州，南通，无锡泰州，常州，镇江，扬州，南京，嘉兴，宁波，湖州，杭州，绍兴，长三角之外地区（其他）Domain3区域输送贡献区域联防联控常效防控措施静态ID：可精确量化当前时刻中来自于各时段的贡献1ntID1IDiID2IDnIDi+1动态ID：标识ID总数不因模拟总时长而变化1ntCurrenttimeID1ID2IDi1ntCurrenttimeID1ID2IDi+1IDi时间来源标识24小时精确追溯污染物的生命轨迹应急预警防控措施75%80%85%90%95%100%1234567891011121314151617181920212223242526272829Aug2006PercentageOtherXHCZSHLFBDZJKCDTQTJBJWu,etal.ACP,2011京津冀源解析区域划分：北京BJ；天津TJ；唐山&秦皇岛TQ；承德CD；张家口ZKJ；保定BD；廊坊LF；石家庄SJZ；沧州CZ；邢台XT来源时段case高值低值0day69.060.91day16.71.12day5.23.43day1.32.94day0.44.05day1.416.1初边条件6.011.6城区郊区长三角嘉兴苏州宁波之外•当天贡献为主，60%以上•高值时段，一天前和两天前的贡献明显增大•本地及临近地区，当天占绝大贡献上海城区臭氧的来源时段空气质量管理对GIS的功能需求天空地一体化城市群大气复合污染监测预警系统区域空气质量预测预报模型反馈(确定控制目标，评估成效)1～2个超级站+多个子站观测与模型计算的信息政策控制应急预报新粒子生成走航移动观测 线路垂直剖面图水平污染形势大气污染物排放源的优化处理有效降低预报误差采用稀疏矩阵排放模型SMOKE实现了排放源时空分配的精细化年平均小时50公里3公里地面整个边界层具备高分辨率（3公里）的空气质量同化分析和未来7天预报预警能力、以及不同时间、行业、地区的污染来源贡献追因能力。臭氧不同地区来源的时间序列空气质量预报预警业务产品GIS在空气质量预报预警业务与重污染应急控制决策评估系统的应用业务领域：环境保护数字信息、大气污染评估预报技术领域：污染模式系统、地理信息系统系统目标：基于大气污染数值模式与地理信息系统（GIS），建立适合各区域、省、市污染排放状况的空气质量预报GIS平台。●掌握空气污染的时空变化规律，加强环境空气质量管理，控制大气污染物的排放●预防严重污染事件的发生，保护人民群众健康和生态环境●实现大气环境质量的科学化、定量化管理中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室晏平仲email:[e-mail]