河谷城市PM2.5污染的高分辨率数值模拟研究

Atmospheric particulate is one of the most important pollutants in most Chinese cities. Particles with aerodynamic diameter less than 2.5 ?m has draw much attention in recent months. In the proposed project the mesoscale model WRF and CMAQ model will be used to simulate the temporal variation and spatial distribution of PM2.5 in Lanzhou city. The ability of CMAQ application over complex terrain will be tested by comparing simulated results with observations and retrievals of aerosol optical depth from satellite. The effects of pollution emissions in Xigu district on PM2.5 concentrations in Lanzhou will be investigated. Sensitivity simulations will be conducted to evaluate the share of secondary aerosols in PM2.5. The results will help us to understand pollutant diffusion mechanism and reveal the temporal variation and spatial distribution of PM2.5 in Lanzhou city, which would provide some scientific foundations for locating PM2.5 monitor stations for controlling air pollution and improving air quality in Lanzhou.

大气颗粒物是导致我国大部分城市空气质量下降的"罪魁祸首"，也是最近民众和专家关注的焦点。本项目拟利用WRF模式与CMAQ模式系统对兰州市城区PM2.5浓度进行数值模拟研究，利用环境质量监测资料和卫星反演光学厚度的结果，对CMAQ模式模拟复杂下垫面高分辨率颗粒物时空分布特征的能力进行系统检验，进而分析兰州市城区颗粒物的污染特征；通过不同垂直混合方案对空气质量模拟结果影响的研究，揭示边界层结构和湍流输送能力与PM2.5浓度的关系；通过排放源敏感性试验研究，分析西固区污染源和二次气溶胶前体物（SO2和NO2）的排放对兰州城区PM2.5质量浓度的影响，为有效治理细粒子污染、改善兰州市大气环境质量提供科学依据。项目的研究对于深入认识颗粒物污染的形成机制、掌握兰州市颗粒物时空变化特征、进而提高空气质量数值模式预报准确率、预防大气污染事件的发生、实现地方经济的可持续发展有重要的意义。

研究选取污染严重、地形复杂的兰州市为研究区域，利用中尺度气象模式WRF与多尺度空气质量模式（CMAQ）系统对兰州市城区主要污染物浓度的时空分布特征进行高分辨率数值模拟研究，通过CMAQ模式不同参数化方案的敏感性试验，对比分析不同方案模拟效果的差异，给出最优的湍流混合方案，进而从优化湍流扩散机制角度改进模式模拟的效果；根据模拟结果，分析兰州市污染物空间分布特征；利用统计学方法，对CMAQ模式在复杂下垫面高分辨率下模拟能力进行系统的检验，利用化学分析模块PROCAN分析湍流扩散、平流、垂直运动、云过程等各种物理化学过程对空气质量结果影响的性质和程度；通过污染源排放的敏感性试验，分析西固区污染源排放对兰州市城区的空气质量的贡献，为有效治理和控制兰州市大气污染提供科学依据和参考。.研究结果表明：（1）WRF模式不同PBL方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式模拟主要大气污染物浓度均可以反映出污染物的时空变化特征，CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力；WRF模式的边界层参数化方案选为ACM2时，模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优。（2）受污染源排放特征和气象条件的综合影响，西固区和城关区各有一处污染物高浓度区域，夜间污染物地面污染范围小于日间，夜间污染物地面最大浓度高于日间，夜间模拟区域污染物平均浓度低于日间；水平流场、山谷风环流形成的垂直运动和垂直扩散均对污染物地面浓度有明显影响（3）PROCAN分析模块研究表明：水平湍流扩散、沉积作用和云过程对污染物地面浓度的影响非常小，除污染源排放外，影响污染物地面浓度的物理过程主要有垂直运动、水平运动和垂直扩散。垂直扩散过程对区域污染物地面浓度的总效应为负效应，使地面浓度降低，且日间影响程度明显强于夜间；垂直运动在日间（11:00时-17:00时）对污染物地面浓度的影响为正值，其余时段为负值；水平运动对污染物地面浓度与垂直运动刚好相反，日间（11:00时-17:00时）对污染物地面浓度的影响为负效应，其余时段对污染物地面浓度的影响为正效应。（4）西固区工业源排放敏感性试验表明：无论夜间还是白天，西固区工业源排放削减后污染物的空间分布特征基本没有变化，地面最大浓度值及位置变化不大；日间污染物最大地面浓度略有降低。