空气质量模型及卫星反演技术在我国PM25污染防治规划中

空气质量模型及卫星反演技术在我国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规划部薛文博博士王金南研究员2013年11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.PM2.5及其关键组分来源解析与识别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我国目前已成全球PM2.5污染最为严重的地区，其中京津冀、长三角、成渝、中原地区等污染程度已达到世界之最，PM2.5年均浓度高达70ug/m3以上，超过国家标准的2倍，为WHO指导值的7倍以上。依据2012年PM10年均浓度的60%估算PM2.5，全国80%的城市PM2.5年均浓度不达标，在近几十年内PM2.5污染治理将是我国大气污染防治的核心。PM2.5是影响城市空气质量达标的关键污染物PM2.5是空气中最复杂的大气污染物之一“排放源”极其复杂我国人为源每年排放的一次PM2.5总量约为1200万吨，化学组分、行业来源复杂；“环境受体”组分极其复杂PM2.5由一次颗粒物与二次颗粒物组成，气态污染物转化所形成的二次颗粒物约占到空气中PM2.5的50%左右。环境管理中面临的主要问题引出问题1：如何“被动”评估重大环境政策实施环境效果？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。关系问题2：如何定量分析PM2.5污染规律，“主动”构建差异化、靶向控制策略？针对管理实践中的热点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编制国家重大环境决策实施环境效果评估全国PM2.5及关键组分来源解析与响应识别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2014/1/5国家法规化主要大气污染物排放清单2014/1/5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2010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2014/1/5国家大气污染减排与空气质量响应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“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（福州）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：国家大气污染防治行动计划目标可达性模拟2014/1/5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？2014/1/52014/1/5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2：“十一五”二氧化硫总量控制环境效果回顾性评估2014/1/5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。2014/1/5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）47.4050.476.47四、PM2.5及其关键组分来源解析与响应识别PM2.5来源解析方法受体模型法如化学质量平衡法（CMB），需大量环境受体、源采样及成分谱分析，适用城市尺度，但难以解析二次污染来源；模型模拟法如CMAQ、CAMx等第三代模型，缺点：模型过于复杂，计算量以月计；优点：适用较大尺度、快速准确；在线质谱仪分析法尚在研发阶段，可移动式采样，适用于重污染事件的来源追踪分析。2014/1/5基于CAMx-PSAT技术的三维来源解析2014/1/5第一维：化学组份解析-优先控制哪个前体物？2014/1/5全国PM2.5平均浓度为53.80ug/m3，大多数省份PM2.5超标；全国硫酸盐、硝酸盐年均浓度分别为5.63ug/m3、5.61ug/m3。硫酸盐、硝酸盐二次粒子平均比例为21.95%；南方二次粒子比例普遍高于北方，浙江、福建、江西等南方省份控制SO2、NOX对PM2.5浓度下降更有效。区域传输对不同省份SO42-浓度的贡献京津冀SO42-来源解析长三角SO42-来源解析第二维：空间输送解析-界定责任，联防联控北京市SO42-来源解析第三维：行业或企业解析-控制哪个行业？实施靶向控制在国家及区域层面：追踪每个行业各种污染物排放对环境受体点（城市、监测点位）的PM2.5浓度贡献率；在城市或小尺度层面：追踪每个企业各种污染物排放对环境受体点（城市、监测点位）的PM2.5定量贡献。2014/1/5快速来源解析技术在规划中的应用领域全国、重点区域PM2.5“分区、分型、分时”控制策略制定的科学依据；城市PM2.5精细化、靶向控制对策研究；PM2.5重度灰霾天气的快速追踪、朔源，制定应急方案。2014/1/5五、基于卫星遥感与空气质量模型耦合技术的高分辨率PM2.5近地面浓度反演气溶胶光学厚度数据-AOD卫星数据：NASA中分辨率成像光谱仪(MODIS)观测的“10km水平分辨率气溶胶光学厚（AOD）”；两星共用：MODIS探测仪分别搭载在Terra（上午星）和Aqua（下午星）两颗卫星上，同时利用两颗卫星观测的AOD资料可以获得较高时间覆盖率AOD信息。AOD资料解译-光学特征2005-2007年AOD年均值2008-2010年AOD年均值2011-2012年AOD年均值AOD：整个对流层的消光系数PM2.5观测：近地面细颗粒物浓度技术要点1：AOD表征了整个对流层的气溶胶（细颗粒物）浓度，不能直接表征近地面层PM2.5的浓度，必须利用空气质量模型对AOD进行垂直修正；技术要点2：AOD受PM2.5浓度和湿度的共同影响，须结合气象学模型剔除湿度影响。“光学特征”到“质量浓度”-AOD修正的必要性以NO2近地面浓度卫星反演为例2014/1/5NO2浓度反演方程2010年NO2浓度反演结果2014/1/5NO2污染人口暴露评价重点区块人口加权浓度全国人口加权浓度在实践中的应用领域PM2.5污染的空间分布特征分析；PM2.5污染的辅助监测手段；PM2.5治理效果的评价、监督与考核；PM2.5污染人口暴露评价(弥补监测数据以点代面的不足），健康影响研究。2014/1/5谢谢[e-mail]010-84949027