蘇靜

（大連市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連116023）

?

大連市酸雨來(lái)源的模擬研究

蘇靜

（大連市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連116023）

摘要：大連市酸雨的來(lái)源受外來(lái)地區(qū)輸送的影響較大，利用CMAQ模型對(duì)大連市酸性物質(zhì)的沉降進(jìn)行定量模擬分析。結(jié)果表明，大連市本地源排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響較大，但對(duì)酸性物質(zhì)的沉降影響較小，對(duì)硫和氮的濕沉降的貢獻(xiàn)僅在10%～20%之間。外來(lái)源中，山東污染物排放對(duì)大連市濕沉降的貢獻(xiàn)占30%～40%，而遼寧其他區(qū)域的貢獻(xiàn)僅10%左右。另外，在雨季5～8月，日本、朝鮮和韓國(guó)等境外污染物排放對(duì)大連市和周邊地區(qū)濕沉降的貢獻(xiàn)也不容忽視。

關(guān)鍵詞：酸雨；來(lái)源；CMAQ模型；模擬；濕沉降

10.13358/j.issn.1008-813x.2016.03.15

2004—2009年，大連市的酸雨污染呈逐年加重趨勢(shì)，主要的致酸污染物為二氧化硫和氮氧化物，但是，降水中硫酸根離子和硝酸根離子的濕沉降量與其前體物二氧化硫和二氧化氮濃度的時(shí)空分布存在明顯差異，說(shuō)明本地污染源對(duì)酸雨的影響是非主要的，尤其在非工業(yè)區(qū)，酸性物質(zhì)的沉降受外來(lái)源影響較大。

為了進(jìn)一步研究大連市酸雨的來(lái)源，利用CMAQ模型對(duì)大連市酸性物質(zhì)的沉降進(jìn)行模擬，對(duì)不同地區(qū)和不同類型排放源對(duì)酸沉降的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量分析，從而明確重點(diǎn)污染源和重點(diǎn)控制區(qū)域。

1　模型簡(jiǎn)介

本研究采用美國(guó)環(huán)保署（US-EPA）開發(fā)的第三代空氣質(zhì)量模型Model-3/CMAQ對(duì)大連地區(qū)及周邊空氣質(zhì)量進(jìn)行模擬［1-2］。Models-3/CMAQ是一個(gè)綜合的空氣質(zhì)量模型系統(tǒng)，它由排放源模型、中尺度氣象模型和通用多尺度空氣質(zhì)量模型（CMAQ）三部分組成。其先進(jìn)之處在于可同時(shí)模擬多種污染物的污染問(wèn)題，包括光化學(xué)反應(yīng)、顆粒物、酸沉降和能見(jiàn)度等，有望在將來(lái)進(jìn)行跨媒介（土壤和地表水）的模擬，并且具有很好的通用性、靈活的模塊化結(jié)構(gòu)和很強(qiáng)的開放性。Models-3/CMAQ目前已經(jīng)成為國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的空氣質(zhì)量模型系統(tǒng)之一，在我國(guó)也具有廣闊而良好的應(yīng)用前景，迄今已在北京奧運(yùn)空氣質(zhì)量保障和國(guó)家氮氧化物控制規(guī)劃等重大研究中應(yīng)用［3-4］。

2　參數(shù)模擬與驗(yàn)證

氣象場(chǎng)模擬與驗(yàn)證表明，通過(guò)對(duì)溫度、濕度和風(fēng)場(chǎng)的檢驗(yàn)，模型獲得的模擬氣象場(chǎng)與實(shí)際情況符合較好，溫度的模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，濕度模擬結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.64～0.80之間，風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在0.5～0.6之間，可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行空氣質(zhì)量的模擬?？諝赓|(zhì)量的模擬與驗(yàn)證表明，CMAQ對(duì)大連市空氣質(zhì)量的模擬結(jié)果較好，模擬NO2柱濃度與OMI衛(wèi)星反演結(jié)果在時(shí)間和空間分布上基本相符。PM10地表濃度的模擬水平與趨勢(shì)總體上與觀測(cè)結(jié)果也比較吻合。SO2地表濃度呈現(xiàn)較明顯的季節(jié)變化，春季和冬季較高，夏季和秋季較低，模擬值與監(jiān)測(cè)值之間能夠較好地吻合。NO2的地表濃度在空間分布上有較大差異，市區(qū)點(diǎn)呈現(xiàn)較高的濃度值，模擬值也基本與觀測(cè)值相符。

濕沉降的模擬與驗(yàn)證表明，CMAQ對(duì)大連市硫和氮的濕沉降的模擬結(jié)果不太理想，原因是氣象模式對(duì)降水量的模擬效果不佳。利用實(shí)測(cè)降水量對(duì)模擬的濕沉降結(jié)果進(jìn)行修正，模擬結(jié)果較好，硫、氮濕沉降占總沉降的比重分別為48%和59%。

3　本地源與外來(lái)源的影響

分別關(guān)閉大連市本地（大連零排放情景）及周邊（周邊零排放情景）的SO2、NOx及PM的排放源（未包括人為源NH3和VOC，原因在于這兩類排放源的排放清單不確定性很大，而且近期不考慮），考察模型模擬結(jié)果同未關(guān)閉任何源（基準(zhǔn)情景）的差異，其中基準(zhǔn)情景與大連零排放情景之差反映的是本地源的貢獻(xiàn)，而基準(zhǔn)情景與周邊零排放之差反映的是周邊源的影響，模擬結(jié)果如圖1所示。

模擬結(jié)果表明，從大氣中SO2、NO2及PM10的濃度來(lái)看，本地源（即大連市排放源）對(duì)本地空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)較大，其中SO2和NO2占70%～90%，詳見(jiàn)圖1。PM10本地源貢獻(xiàn)相對(duì)較低，為50%，原因是顆粒物的來(lái)源比較復(fù)雜，其中二次無(wú)機(jī)鹽的比例較大，而外來(lái)源對(duì)二次無(wú)機(jī)鹽的貢獻(xiàn)較大。對(duì)顆粒物中的硫酸鹽而言，本地源的貢獻(xiàn)接近50%，外來(lái)源占20%～30%；而硝酸鹽的成鹽機(jī)制高度非線性，與大氣陽(yáng)基離子濃度有較大關(guān)系，模擬中出現(xiàn)削減本地源，硝酸鹽反而上升的情況（即本地源的貢獻(xiàn)為負(fù)值）。主要原因在于削減本地的SO2，使得陽(yáng)基離子更容易與大氣中的NO2結(jié)合，盡管同時(shí)本地NOx也在削減，但是本地硝酸鹽濃度水平相對(duì)較低，更多來(lái)自跨界傳輸作用（外來(lái)源比例接近50%），因而大氣中硝酸鹽濃度并未受到削減本地NOx的影響。銨鹽本地源貢獻(xiàn)低于硫酸鹽，主要在于硝酸鹽的正貢獻(xiàn)。

相比大氣中的無(wú)機(jī)鹽氣溶膠，對(duì)于濕沉降中無(wú)機(jī)鹽濃度，本地源貢獻(xiàn)比例更小，在降雨較多的5～8月，本地源對(duì)SO42-的貢獻(xiàn)為10%～20%，NO3-約10%，NH4+僅5%。不過(guò)，模擬域內(nèi)外來(lái)源的貢獻(xiàn)也不到30%，主要原因在于異相成鹽過(guò)程與陽(yáng)基離子的濃度有較大關(guān)系，此部分的模擬（與后續(xù)模擬不同）在情景設(shè)計(jì)中并未考慮主要陽(yáng)基離子之一的NH3的排放源削減，因此在關(guān)停目標(biāo)源后，由于成鹽的非線性關(guān)系（較高NH3水平利于成鹽），模擬低估了無(wú)機(jī)鹽濃度對(duì)目標(biāo)源削減的響應(yīng)。為此，關(guān)閉了模擬邊界傳輸場(chǎng)（即考慮背景鹽基陽(yáng)離子的影響），結(jié)果表明其貢獻(xiàn)顯著。

4　區(qū)域間影響

根據(jù)上述模擬發(fā)現(xiàn)，外來(lái)源對(duì)本地氣溶膠及降雨中無(wú)機(jī)鹽組分有較大貢獻(xiàn)。因此為進(jìn)一步識(shí)別外來(lái)源的區(qū)域分布及影響程度，進(jìn)一步在外來(lái)源中劃分出遼寧（除大連外的部分）、山東、河北、天津和北京等幾部分分別加以單獨(dú)考慮，加上大連本地源，分別做關(guān)閉排放（包括全部人為源物種，即SO2、NOx、PM、NH3和VOC）的敏感性分析。

結(jié)果表明，對(duì)大氣顆粒物的無(wú)機(jī)鹽組分，本地源的貢獻(xiàn)相比前部分未控制NH3的情景有較大程度的增大，其中硝酸鹽增幅明顯，受本地源影響較大的瓦房店和莊河兩地的貢獻(xiàn)率超過(guò)60%，硫酸鹽和銨鹽的貢獻(xiàn)率也在20%～40%。遼寧其他地區(qū)（包括沈陽(yáng)和鞍山等）對(duì)大連市無(wú)機(jī)鹽顆粒物的貢獻(xiàn)也非常明顯，基本與本地源持平，長(zhǎng)海、旅順和中山的貢獻(xiàn)還略高于本地源的貢獻(xiàn)。此外，山東的貢獻(xiàn)也較大，其中對(duì)旅順的貢獻(xiàn)最大，近30%～50%；河北的貢獻(xiàn)很小，在10%以內(nèi)。不同地區(qū)的排放源對(duì)大連市及周邊地區(qū)的大氣無(wú)機(jī)鹽顆粒物濃度的貢獻(xiàn)率如圖2所示。

圖1　2008年本地源和外地源對(duì)大連市空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)

圖2　2008年各地排放源對(duì)大連市及周邊地區(qū)顆粒物中無(wú)機(jī)鹽濃度的貢獻(xiàn)

濕沉降中無(wú)機(jī)鹽組分與顆粒態(tài)類似，本地源的貢獻(xiàn)僅在10%～20%之間，如圖3所示。但是，山東排放對(duì)濕沉降的影響相比于顆粒物更為顯著，占30%～40%，而遼寧其他區(qū)域的影響有所減小，在10%左右。產(chǎn)生以上變化的主要原因在于大連市形成降雨的特征氣象條件：來(lái)自山東方面的偏南暖鋒過(guò)境，勢(shì)必會(huì)伴隨大氣污染物的傳輸，從而山東排放的影響大大增加。大連市北部的莊河地區(qū)，受到來(lái)自沈陽(yáng)和鞍山等地區(qū)排放的影響比其他區(qū)域略高。大連市排放對(duì)沈陽(yáng)、鞍山和丹東等地濕沉降的影響很小，在10%以內(nèi)，剩余酸的貢獻(xiàn)略大。

5　境外影響

為考察日本、朝鮮和韓國(guó)對(duì)大連地區(qū)酸沉降的影響，同樣采用情景分析方法，即根據(jù)關(guān)停日本、朝鮮和韓國(guó)排放情景與基準(zhǔn)情景的差異，確定其排放的影響，選取雨季5～8月作為模擬時(shí)段。

圖3　2008年各地排放源對(duì)大連市及周邊地區(qū)降水中無(wú)機(jī)鹽濃度的貢獻(xiàn)

圖4給出了境外排放對(duì)大連市和周邊地區(qū)主要無(wú)機(jī)鹽組分濕沉降量的貢獻(xiàn)?？梢钥闯觯|、莊河及長(zhǎng)海受到境外的影響較大，硫酸鹽貢獻(xiàn)率在7%～10%之間，硝酸鹽為22%～25%，銨鹽為8%左右；大連市區(qū)、旅順、普蘭店、瓦房店以及沈陽(yáng)、鞍山受到日韓的影響較小，硝酸鹽在10%以內(nèi)，而硫酸鹽和銨鹽的影響在5%以內(nèi)。

圖4　2008年本國(guó)和境外排放源對(duì)大連市及周邊地區(qū)無(wú)機(jī)鹽濕沉降的貢獻(xiàn)

6　小結(jié)

（1）大連市本地源排放對(duì)空氣質(zhì)量的影響較大，其中SO2和NO2占70%～90%，PM10相對(duì)較低，也達(dá)到50%。

（2）大連市酸性物質(zhì)的沉降受本地源影響較小。本地源排放對(duì)硫和氮的濕沉降的貢獻(xiàn)僅在10%～20%之間。本地源對(duì)干沉降的貢獻(xiàn)稍大，特別是對(duì)瓦房店和莊河等偏內(nèi)陸的地區(qū)，本地源對(duì)氮沉降的貢獻(xiàn)率可能超過(guò)60%，但本地源對(duì)硫沉降的貢獻(xiàn)也僅在20%～40%。

（3）大連市周邊一些城市與大連的空氣污染相關(guān)度很高，說(shuō)明周邊地區(qū)可能存在對(duì)大連的污染物輸送。另外根據(jù)氣象資料分析，大連市降水的云中致酸以外源性為主，酸雨期間近地面大氣輸送以華東沿海到山東半島經(jīng)黃海中北部乃至渤海及其西岸為主，而低空對(duì)大連輸送的主要來(lái)源更偏向于華東和華南等廣大內(nèi)陸地區(qū)經(jīng)山東向北的輸送。經(jīng)模擬計(jì)算，山東排放對(duì)大連市濕沉降的貢獻(xiàn)十分重要，占30%～40%，而遼寧其他區(qū)域的貢獻(xiàn)僅10%左右。相比而言，遼寧其他地區(qū)對(duì)大連干沉降的貢獻(xiàn)較高，基本能與本地源持平甚至略高。

（4）日本、朝鮮和韓國(guó)等境外排放對(duì)大連市和周邊地區(qū)濕沉降的貢獻(xiàn)不容忽視。在雨季5～8月，境外排放對(duì)莊河、長(zhǎng)海及丹東硫酸鹽濕沉降的貢獻(xiàn)率在7%～10%之間，硝酸鹽為22%～25%，銨鹽為8%左右；而對(duì)大連市區(qū)、旅順、普蘭店、瓦房店以及沈陽(yáng)、鞍山等的影響較小，硝酸鹽在10%以內(nèi)，而硫酸鹽和銨鹽的影響小于5%。

參考文獻(xiàn)

［1］李丹，于慶凱.大連市酸雨污染特征及原因簡(jiǎn)析［J］.環(huán)境科學(xué)與管理，2010，35（9）：128-131.

［2］BINKOWSKI F S，ROSELLE S J.Models-3 Community Multiscale Air Quality（CMAQ）Model aerosol component，1.Model description［J］.Journal of Geophysical Research，2003，108：4183，doi：10.1029/2001JD001409.

［3］BYUN D，SCHERE K L.Review of the governing equations，computational algorithms，and other components of the models-3 community multiscale air quality（CMAQ）modeling system［J］. Applied mechanics reviews，2006，59（2）：51-77.

［4］王麗濤.北京地區(qū)空氣質(zhì)量模擬和控制情景研究［D］．北京：清華大學(xué)，2006.

［5］STREETS D G，F(xiàn)U J S，JANG C J，et al.Air quality during the 2008 Beijing Olympic Games［J］.Atmospheric Environment，2007 （41）：480-492.

［6］黃美元，沈志來(lái)，劉帥仁，等.中國(guó)西南典型地區(qū)酸雨形成過(guò)程研究［J］.大氣科學(xué)，1995，19（3）：359-366.

（編輯：程俊）

A Simulation Study on Sources of Acid Rain in Dalian

Su Jing
（Dalian Environmental Monitoring Center，Dalian Liaoning 116023，China）

Abstract：Acid rain in Dalian was significantly affected by external sources via transportation. Deposition of acidic material in Dalian was quantitatively simulated using CMAQ model in this article. The results showed that air quality of Dalian was mainly affected by emissions from local sources，while their influence on deposition of acidic material was small and only contributed to 10% ～20%of wet deposition of sulfur and nitrogen. Among all external sources，emissions from Shandong were very important for wet deposition in Dalian（accounting for 30%～40%），while other regions in Liaoning only accounted for about 10%. Furthermore，in the rainy season（from May to August），effect of emission in neighbor countries（such as Japan，North Korea and South Korea）on wet deposition in Dalian and surrounding area should not be neglected.

Key words：acid rain，source，CMAQ model，simulation，wet deposition

中圖分類號(hào)：X517

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-813X（2016）03-0051-05

收稿日期：2016-01-04

作者簡(jiǎn)介：蘇靜（1976-），女，遼寧鞍山人，畢業(yè)于大連理工大學(xué)環(huán)境化學(xué)與工程專業(yè)，碩士研究生，工程師，主要從事污染源調(diào)查和監(jiān)測(cè)工作。