利用HYSPLIT-4空氣質(zhì)量模型對(duì)顆粒物污染傳輸?shù)姆治?/h1>
2021-09-06 11:56:44賈建廷
山西化工 2021年4期
賈建廷
(山西太鋼不銹鋼股份有限公司，山西 太原 030003)
引 言
近年來，隨著環(huán)保管控力度的加大，大氣污染防治工作取得了很大的成效，但大氣環(huán)境質(zhì)量面臨的形勢(shì)仍然十分嚴(yán)峻，工業(yè)生產(chǎn)是空氣污染的主要原因之一，與空氣質(zhì)量能否得到改善有偌大的關(guān)系。本文利用太原市現(xiàn)有國控站和城市空氣質(zhì)量微觀站監(jiān)測(cè)網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過HYSPLIT-4空氣質(zhì)量模型，對(duì)工業(yè)涉氣污染源開展空氣質(zhì)量模擬，對(duì)工業(yè)企業(yè)污染物的貢獻(xiàn)率結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性定量分析，探索從時(shí)間及空間的維度分析污染源排放對(duì)周邊環(huán)境的影響，為改善環(huán)境質(zhì)量提供技術(shù)支撐。
1 地形與氣象條件、分析目標(biāo)范圍及分析方法選擇
1.1 地形與氣象條件
太原市位于黃土高原東部邊緣，晉中盆地北端。北臨忻州、西臨呂梁、東臨陽泉、晉中。因此，東、西、北三面環(huán)山，中部和南部為汾河沖擊扇平原，地勢(shì)低平，南寬北窄成扇形，北高南低逐漸傾斜，成簸箕形。
太原市春夏季主要以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，秋冬季以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，秋冬季天氣轉(zhuǎn)冷，污染物的垂直和水平擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，重污染天氣較易產(chǎn)生；從風(fēng)的角度來看，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，9月～11月份主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，12月份西北風(fēng)主導(dǎo)且風(fēng)力較大(見圖1)。
圖1 太原市小時(shí)天氣數(shù)據(jù)
1.2 分析目標(biāo)范圍
選取秋冬季的9月至12月，太原市氣象條件較差(低氣壓和較大濕度、無風(fēng))，均不利于污染物擴(kuò)散、污染較重(橙色預(yù)警)的時(shí)段。
所選工業(yè)企業(yè)周邊的3個(gè)國控標(biāo)準(zhǔn)站，分別位于該企業(yè)北方、西南方和東南方。在太原市現(xiàn)有國控標(biāo)準(zhǔn)站和微觀站點(diǎn)基礎(chǔ)上，以該企業(yè)為中心的3 km范圍內(nèi)的15個(gè)微觀站點(diǎn)作為代表該企業(yè)核心區(qū)域，3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)站所在行政區(qū)域內(nèi)以企業(yè)為中心的3 km～7 km范圍內(nèi)的80個(gè)微觀站代表企業(yè)周邊環(huán)境，依據(jù)上述背景，本報(bào)告選取的點(diǎn)位有：企業(yè)附近3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)站及所在區(qū)域所有微觀站點(diǎn)，其中，企業(yè)站點(diǎn)8個(gè)，道路站點(diǎn)17個(gè)，行政站點(diǎn)55個(gè)。
通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)和HYSPLIT-4模型測(cè)算分析其典型污染過程，并以工業(yè)企業(yè)為排放釋放中心，科學(xué)模擬污染物擴(kuò)散傳輸影響范圍，采用微觀站數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸貢獻(xiàn)率計(jì)算，推演工業(yè)生產(chǎn)排放對(duì)周邊空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)站的主要貢獻(xiàn)和周邊區(qū)域的交互影響。
1.3 分析方法介紹
HYSPLIT-4模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局在過去20年間聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過程和不同類型污染物排放源功能的較為完整的輸送、擴(kuò)散和沉降模式，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中。
HYSPLIT-4模型是一個(gè)完整的系統(tǒng)，它可用于計(jì)算簡(jiǎn)單的空氣宗地軌跡以及復(fù)雜的運(yùn)輸、分散、化學(xué)轉(zhuǎn)化和沉積模擬。HYSPLIT-4是大氣科學(xué)界最廣泛使用的大氣傳輸和擴(kuò)散模型之一，是基于污染源排放特征、時(shí)空分布特點(diǎn)及可獲取的污染源空間地理和時(shí)間序列信息，運(yùn)用氣象學(xué)原理、羽流圖分析，利用數(shù)學(xué)方法模擬污染源排放到環(huán)境空氣中的污染變化過程的工具。HYSPLIT-4還用于描述大氣污染物和有害物質(zhì)的遷移、擴(kuò)散和沉積的各種模擬。該模型應(yīng)用的例子包括跟蹤和預(yù)測(cè)放射性物質(zhì)的釋放、野火煙霧、風(fēng)吹塵埃，來自各種固定和移動(dòng)排放源的污染物、過敏原和火山灰。
2 對(duì)周邊地區(qū)空氣質(zhì)量的影響分析
影響污染貢獻(xiàn)傳輸率的因素有兩方面，一是氣象條件的影響，用全區(qū)域所有微觀站點(diǎn)所選時(shí)刻的顆粒物變化率來衡量；二是站點(diǎn)周邊環(huán)境的影響，用傳輸方向上微觀站點(diǎn)的顆粒物平均濃度與其他方向上該微觀站點(diǎn)顆粒物平均濃度的歷史數(shù)據(jù)相對(duì)變化率來衡量。
2.1 使用hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
2.1.1 模擬時(shí)段選取
圖2為9月～12月的顆粒物污染日歷，分別選取顆粒物濃度相對(duì)較高9月的2、6、14、28、29日；10月選取5、14、21日；11月選取3、8、14、28、30日12月選取1、3、5日來分析該企業(yè)對(duì)周邊環(huán)境污染的貢獻(xiàn)率。
圖2 9月～12月顆粒物污染日歷
2.1.2 平均濃度分布
從9月～12月的擴(kuò)散模擬0 m～15 m高度之間的平均濃度分布，從中選取污染物在0 m～15 m高度對(duì)市區(qū)影響較大的時(shí)間段。
2.2 模擬運(yùn)行結(jié)果分析(圖3～圖6)
圖3 9月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
圖4 10月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
圖5 11月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
圖6 12月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
通過觀察羽流圖可以看到國控站在該時(shí)間段污染物覆蓋程度的變化，利用hysplit-4模型計(jì)算，比較同一個(gè)站點(diǎn)的變化來判斷污染因子對(duì)周邊環(huán)境的影響。
2.2.1 9月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見圖7和表1)
圖7 9月hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
表1 9月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
2.2.2 10月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見圖8和表2)
圖8 10月hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
表2 10月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
2.2.3 11月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見圖9和表3)
圖9 11月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
表3 11月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
2.2.4 12月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見表4和第201頁圖10)
表4 12月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
圖10 12月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
2.2.5 秋冬季平均貢獻(xiàn)率(見表5)
表5 秋冬平均貢獻(xiàn)率
3 結(jié)論
從2018年4個(gè)月的典型污染過程來看，通過利用衛(wèi)星、氣象、地面標(biāo)準(zhǔn)站、污染源在線監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，利用hysplit-4空氣質(zhì)量數(shù)值模型分析秋冬季重污染天氣工業(yè)企業(yè)排放對(duì)周邊3個(gè)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)站的影響程度的平均貢獻(xiàn)影響分別為1.88%、0.62%、1.15%。結(jié)果表明，利用hysplit-4空氣質(zhì)量數(shù)值模型能夠模擬推演工業(yè)企業(yè)對(duì)周邊區(qū)域顆粒物濃度大氣污染物和有害物質(zhì)的遷移、擴(kuò)散。
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1.1 地形與氣象條件
太原市位于黃土高原東部邊緣，晉中盆地北端。北臨忻州、西臨呂梁、東臨陽泉、晉中。因此，東、西、北三面環(huán)山，中部和南部為汾河沖擊扇平原，地勢(shì)低平，南寬北窄成扇形，北高南低逐漸傾斜，成簸箕形。
太原市春夏季主要以東南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，秋冬季以西北風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，秋冬季天氣轉(zhuǎn)冷，污染物的垂直和水平擴(kuò)散條件轉(zhuǎn)差，重污染天氣較易產(chǎn)生；從風(fēng)的角度來看，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)，9月～11月份主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng)，12月份西北風(fēng)主導(dǎo)且風(fēng)力較大(見圖1)。
圖1 太原市小時(shí)天氣數(shù)據(jù)
1.2 分析目標(biāo)范圍
選取秋冬季的9月至12月，太原市氣象條件較差(低氣壓和較大濕度、無風(fēng))，均不利于污染物擴(kuò)散、污染較重(橙色預(yù)警)的時(shí)段。
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通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)和HYSPLIT-4模型測(cè)算分析其典型污染過程，并以工業(yè)企業(yè)為排放釋放中心，科學(xué)模擬污染物擴(kuò)散傳輸影響范圍，采用微觀站數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸貢獻(xiàn)率計(jì)算，推演工業(yè)生產(chǎn)排放對(duì)周邊空氣環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)站的主要貢獻(xiàn)和周邊區(qū)域的交互影響。
1.3 分析方法介紹
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HYSPLIT-4模型是一個(gè)完整的系統(tǒng)，它可用于計(jì)算簡(jiǎn)單的空氣宗地軌跡以及復(fù)雜的運(yùn)輸、分散、化學(xué)轉(zhuǎn)化和沉積模擬。HYSPLIT-4是大氣科學(xué)界最廣泛使用的大氣傳輸和擴(kuò)散模型之一，是基于污染源排放特征、時(shí)空分布特點(diǎn)及可獲取的污染源空間地理和時(shí)間序列信息，運(yùn)用氣象學(xué)原理、羽流圖分析，利用數(shù)學(xué)方法模擬污染源排放到環(huán)境空氣中的污染變化過程的工具。HYSPLIT-4還用于描述大氣污染物和有害物質(zhì)的遷移、擴(kuò)散和沉積的各種模擬。該模型應(yīng)用的例子包括跟蹤和預(yù)測(cè)放射性物質(zhì)的釋放、野火煙霧、風(fēng)吹塵埃，來自各種固定和移動(dòng)排放源的污染物、過敏原和火山灰。
2 對(duì)周邊地區(qū)空氣質(zhì)量的影響分析
影響污染貢獻(xiàn)傳輸率的因素有兩方面，一是氣象條件的影響，用全區(qū)域所有微觀站點(diǎn)所選時(shí)刻的顆粒物變化率來衡量；二是站點(diǎn)周邊環(huán)境的影響，用傳輸方向上微觀站點(diǎn)的顆粒物平均濃度與其他方向上該微觀站點(diǎn)顆粒物平均濃度的歷史數(shù)據(jù)相對(duì)變化率來衡量。
2.1 使用hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
2.1.1 模擬時(shí)段選取
圖2為9月～12月的顆粒物污染日歷，分別選取顆粒物濃度相對(duì)較高9月的2、6、14、28、29日；10月選取5、14、21日；11月選取3、8、14、28、30日12月選取1、3、5日來分析該企業(yè)對(duì)周邊環(huán)境污染的貢獻(xiàn)率。
圖2 9月～12月顆粒物污染日歷
2.1.2 平均濃度分布
從9月～12月的擴(kuò)散模擬0 m～15 m高度之間的平均濃度分布，從中選取污染物在0 m～15 m高度對(duì)市區(qū)影響較大的時(shí)間段。
2.2 模擬運(yùn)行結(jié)果分析(圖3～圖6)
圖3 9月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
圖4 10月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
圖5 11月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
圖6 12月份0 m～15 m高度的平均濃度分布
通過觀察羽流圖可以看到國控站在該時(shí)間段污染物覆蓋程度的變化，利用hysplit-4模型計(jì)算，比較同一個(gè)站點(diǎn)的變化來判斷污染因子對(duì)周邊環(huán)境的影響。
2.2.1 9月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見圖7和表1)
圖7 9月hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
表1 9月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
2.2.2 10月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見圖8和表2)
圖8 10月hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
表2 10月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
2.2.3 11月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見圖9和表3)
圖9 11月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
表3 11月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
2.2.4 12月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響(見表4和第201頁圖10)
表4 12月擴(kuò)散模擬貢獻(xiàn)率 (%)
圖10 12月份hysplit-4模型計(jì)算對(duì)周邊的影響
2.2.5 秋冬季平均貢獻(xiàn)率(見表5)
表5 秋冬平均貢獻(xiàn)率
3 結(jié)論
從2018年4個(gè)月的典型污染過程來看，通過利用衛(wèi)星、氣象、地面標(biāo)準(zhǔn)站、污染源在線監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，利用hysplit-4空氣質(zhì)量數(shù)值模型分析秋冬季重污染天氣工業(yè)企業(yè)排放對(duì)周邊3個(gè)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)站的影響程度的平均貢獻(xiàn)影響分別為1.88%、0.62%、1.15%。結(jié)果表明，利用hysplit-4空氣質(zhì)量數(shù)值模型能夠模擬推演工業(yè)企業(yè)對(duì)周邊區(qū)域顆粒物濃度大氣污染物和有害物質(zhì)的遷移、擴(kuò)散。
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