CMAQ模型在乌鲁木齐大气污染治理中的应用潜力

武传宝，解玉磊

（华北电力大学 区域能源系统优化教育部重点实验室，北京 102206）

近几年来，乌鲁木齐的城市大气污染问题也备受关注，尤其是在冬季采暖期，浓厚的雾霾天气不但严重影响居民的身心健康和生活水平，而且影响了边疆首府对外开放的形象。虽然近年来乌鲁木齐市整治大气污染的努力有目共睹，但随着资源开发力度的加大，生态环境将面临更大的压力，有限的环境承载力与日益增长的发展需求之间的矛盾将会日益突出，给乌鲁木齐市的大气污染整治问题提出了新的挑战。

一、CMAQ模型的国内外研究进展

目前，CMAQ模型主要用于数值模拟领域，具体为美国环保署（EPA）开发的区域多尺度空气质量模型（Models－3/CMAQ）。在CMAQ模型应用的初始阶段，研究者们大多将其应用于模拟污染物如SO2、O3、酸沉降、PM 等的污染过程。随着CMAQ模型应用的逐渐成熟，相关领域的科技工作者不再仅仅局限于将其应用于模拟仿真，而是尝试着将其与Gambas、fortran等语言结合起来开发新的空气质量预报系统或建立新的大气环境容量计算方法，在实际应用中取得了良好的效果。

（一）CMAQ模型的国外研究进展

Mai Khiem［1］等应用 CMAQ 模型对日本关东地区的O3浓度进行了数值模拟，并预测了O3模拟的影响因素；K.Wyat Appel［2］等通过模拟2006年北美和欧洲地区的 O3、PM2.5、PM10等污染物的浓度，评价了两区域的空气质量；Daegyun Lee［3］等将卫星遥感的大气气溶胶光学厚度产品应用于CMAQ模型对气溶胶的模拟，以更加精确可靠的评价整个美国的空气质量；Volker Matthias［4］等在遥感和空气传播实地观测两种条件下，利用CMAQ模型模拟比较了冰岛Eyjafjallajökull火山喷发时火山灰分散的差异。

（二）CMAQ模型的国内应用实例

1.雾霾污染来源的模拟

程丹丹［5］等以 Models－3/CMAQ为核心工具，模拟计算了邯郸市PM2.5及其主要成分、光散射系数的来源，分析造成邯郸市雾霾污染的主要原因。模拟结果显示：Models－3/CMAQ的应用取得了不错的效果，有助于所研究地区的环境管理部门进一步制定有针对性的雾霾污染控制方案。

2.臭氧污染模拟

随着经济的快速发展而导致的臭氧污染问题是珠江三角洲主要的大气污染问题之一。针对珠江三角洲地区的臭氧污染，一些研究人员此前开展了许多工作［6］。Wang等［7］运用CMAQ模型对2004年珠江三角洲空气质量综合观测实验（PRIDE－PRD2004）［8］期间的臭氧污染进行了模拟与过程分析。

3.核泄漏事故模拟

2011年3月12日，日本福岛核电站由于受强震海啸影响，导致其多个反应堆发生爆炸，进而造成大量核泄漏污染物迅速向各地排放。聂新旺等［9］采用Models－3/CMAQ，对核泄漏事故进行了模拟。该模拟旨在通过对核泄漏物质在东亚地区的传输扩散进行评估分析，揭示核泄漏物质近距离影响中国大陆的扩散路径与危害程度。

4.基于CMAQ模型的空气质量预报系统

近年来，以“一个大气”为主要思想的Models－3空气质量模型在国内得到了应用和发展，取得了良好的本地化效果［10－11］。陆成伟［12］等介绍了一种由Gambas语言开发的界面化CMAQ空气质量模拟预报系统。该系统将空气质量模型（CMAQ）、污染排放模式（SMOKE）和气象模式（MM5和WRF）整合在一起，通过图形化参数设置和自动化模块调用实现空气质量自动模拟或预报。

5.CMAQ的大气环境容量计算方法

大气环境承载力分析，涉及到研究地区的可持续发展问题。李莉［13］等以SO2、PM10、NO2为污染物，利用CMAQ模型及fortran语言，建立了真实条件下基于不同污染物达标率情况的月大气环境容量的计算方法。该方法确定了不同达标率下唐山市滦县南部地区的大气环境容量，并确定了该地区的大气环境承载力指标，为该地区的工业项目引入提供科学依据。

虽然国内外的研究人员针对CMAQ模型在实际问题中的应用开展了许多研究，但也仅仅止步于解决某个具体的环境问题或者通过比较分析、特征模拟为某个环境问题提出解决方法。此外，这些研究结果的推广适用性也受到环境条件的限制。因为污染物的超标排放的确是引起大气污染的一个重要原因，但如果从尊重和利用自然规律的角度来看，地理特征、气象条件等环境条件才是导致大气污染的更深层次的原因。特别是对我国这样一个地域辽阔的国家来说，各地独特的地理特征和复杂的气象条件给大气污染的治理带来了相当大的挑战。

因此，开发基于CMAQ模型的能适用于不用地理特征和气象条件的综合系统，结合降雨和径流模型拓展CMAQ模型在大气污染和水污染方面的交互研究就显得尤为重要。不仅如此，我们可以考虑将CMAQ模型与RCM（区域气候模型）、GCM（全球气候模型）相结合，开展未来气候变化条件下的大气污染仿真模拟，为进一步加大区域大气污染治理工作力度，建立统一规划、统一监测、统一监管、统一评估、统一协调的区域大气污染联防联控工作机制提供技术支持。同时，可以将CMAQ模型与污染物扩散模型结合，模拟O3、PM、SO2、NOX、CO2的协同控制，大幅削减污染物排放量，推动区域经济与环境的协调发展。

二、CMAQ模型在乌鲁木齐的应用建议

在乌鲁木齐市的城市发展进程中，由于人们长期忽视甚至违背自然规律，过度发展工业特别是重化工工业，导致污染物排放量远远超过环境容量。加之周边地区污染物排放逐年增多、城市能源结构不合理、迅速增加的机动车辆尾气排放等其他各方面因素的综合作用，从而导致目前乌鲁木齐市大气污染呈现出煤烟型为主、汽车尾气污染为辅的复合型污染态势，主要污染物为PM10，其次为SO2和NO2。

伴随着新疆“十二五”规划的实施，在可持续发展的大背景下，新疆经济要想实现跨越式发展，必须依靠大工业的支撑，这就对整个区域的大气环境质量提出了更大的挑战。因此，本文对CMAQ模型在乌鲁木齐的应用提出了以下几点建议：

1.运用CAMQ模型对乌鲁木齐市及其周围城市群（昌吉市、阜康市和五家渠市）进行模拟，寻找引起乌鲁木齐市大气污染的主要污染源，核算周边区域污染扩散对乌鲁木齐大气污染贡献率，为城市群环境污染整治提供参考。

2.在CMAQ模型的模拟结果的指导下，按照总量控制的原则，削减主要污染源的污染物排放量。同时，我们可以考虑将CMAQ与ADMS等多种城市大气污染物扩散模型结合，为广泛开展O3、PM、SO2、NOX、CO2等多种污染物的协同减排与控制提供技术支持。

3.除此之外，伴随着《“十二五”乌鲁木齐区域大气污染联防联控规划》编制工作的完成，基于CMAQ模型的模拟结果，我们可以进一步推进规划的实施进度，还乌鲁木齐市民一片清澈如洗的蓝天、白云。

三、结语

CMAQ模型是近年来大气环境污染控制研究中应用较多的［14］［15］，也是较为先进的模型。在科研工作者的探索创新和努力实践下，CMAQ模型在实际应用中越来越广泛，取得了丰硕的成果。同时，我们要以乌鲁木齐的大气污染治理为契机，充分挖掘CMAQ模型在大气污染治理方面的潜力，努力开发应用CMAQ模型的新思路。

［1］Mai Khiem，Ryozo Ooka，Hong Huang，et al.A numerical study of summer ozone concentration over the Kanto area of Japan using the MM5/CMAQ model［J］.Journalof EnvironmentalSciences，2011（2）.

［2］K.Wyat Appel，Charles Chemel，Shawn J.Roselle，et al.Examination of the Community Multi－scale Air Quality（CMAQ）model performance over the North American and Europe an domains［J］.AtmosphericEnvironment，2012（53）.

［3］Daegyun Lee，Daewon W.Byun，Hyuncheol Kim，et al.Improved CMAQ predictions of particulate matter utilizing the satellite－derived aerosol optical depth［J］.Atmospheric Environment，2011（45）.

［4］Volker Matthias，Armin Aulinger，Johannes Bieser，et al.The ash dispersion over Europe during the Eyjafjallajökull eruption e Comp arison of CMAQ simulations to remote sensing and air－borne in－situ observations［J］.AtmosphericEnvironment，2012（48）.

［5］程丹丹，王丽涛，潘雪梅，等.基于CMAQ模型的邯郸市霾污染来源的模拟研究［J］.河北工程大学学报，2012（2）.

［6］Chan CK，Yao X.Air pollution in mega cities in China［J］.AtmosphericEnvironment，2008（1）.

［7］Wang X，Zhang Y，Hu Y，et al.Russell AG.Process analysis and sensitivity study of regional ozone formation over the Pearl River Delta，China，during the PRIDE－PRD2004campaign using the Community Multiscale Air Quality modeling system［J］.Atmos.Chem.Phys.，2010（10）.

［8］Zhang YH，Hu M，Zhong LJ，et al.Regional integrated experiments on air quality over Pearl River Delta 2004（PRIDE－PRD2004）：Overview［J］.AtmosphericEnvironment，2008（25）.

［9］聂新旺，王益柏，孙守勋，等.应用 Models－3/CMAQ对2011年3月日本福岛核泄漏的数值研究［J］.气象，2012（10）.

［10］邓伟，陈怀亮，杨海鹰，等.Models－3/CMAQ模式对郑州市大气污染物的预报分析研究［J］.气象环境与科学，2007（1）.

［11］李莉，陈长虹，黄成，等.长江三角洲地区大气O3和PM10的区域污染特征模拟［J］.环境科学，2008（1）.

［12］陆成伟，刘盛余，邹长武，等.基于CMAQ的空气质量模拟预报系统构建［J］.安徽农业科学，2012（10）.

［13］李莉，程水源，陈东升，等.基于CMAQ的大气环境容量计算方法及控制策略［J］.环境科学与技术，2010（8）.

［14］Cheng Shuiyuan，Chen Dongsheng，Li Jian－bing，et al.An ARPS－CMAQ modeling approach for assessing the atmospheric assimilative capacity of the Beijing metropolitan region［J］.WaterAirSoilPollution，2007（181）.

［15］Cheng Shuiyuan，Chen Dongsheng，Li Jianbing，et al.The assessment of emission－source contributions to air quality by using a coupled MM5－ARPS－CMAQ modeling system：a case study in the Beijing metropolitan region，China［J］.EnvironmentalModeling＆Software，2007（11）.