大连市酸雨来源的模拟研究

苏静

（大连市环境监测中心，辽宁大连116023）



大连市酸雨来源的模拟研究

苏静

（大连市环境监测中心，辽宁大连116023）

摘要：大连市酸雨的来源受外来地区输送的影响较大，利用CMAQ模型对大连市酸性物质的沉降进行定量模拟分析。结果表明，大连市本地源排放对空气质量的影响较大，但对酸性物质的沉降影响较小，对硫和氮的湿沉降的贡献仅在10%～20%之间。外来源中，山东污染物排放对大连市湿沉降的贡献占30%～40%，而辽宁其他区域的贡献仅10%左右。另外，在雨季5～8月，日本、朝鲜和韩国等境外污染物排放对大连市和周边地区湿沉降的贡献也不容忽视。

关键词：酸雨；来源；CMAQ模型；模拟；湿沉降

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

2004—2009年，大连市的酸雨污染呈逐年加重趋势，主要的致酸污染物为二氧化硫和氮氧化物，但是，降水中硫酸根离子和硝酸根离子的湿沉降量与其前体物二氧化硫和二氧化氮浓度的时空分布存在明显差异，说明本地污染源对酸雨的影响是非主要的，尤其在非工业区，酸性物质的沉降受外来源影响较大。

为了进一步研究大连市酸雨的来源，利用CMAQ模型对大连市酸性物质的沉降进行模拟，对不同地区和不同类型排放源对酸沉降的贡献进行定量分析，从而明确重点污染源和重点控制区域。

1　模型简介

本研究采用美国环保署（US-EPA）开发的第三代空气质量模型Model-3/CMAQ对大连地区及周边空气质量进行模拟［1-2］。Models-3/CMAQ是一个综合的空气质量模型系统，它由排放源模型、中尺度气象模型和通用多尺度空气质量模型（CMAQ）三部分组成。其先进之处在于可同时模拟多种污染物的污染问题，包括光化学反应、颗粒物、酸沉降和能见度等，有望在将来进行跨媒介（土壤和地表水）的模拟，并且具有很好的通用性、灵活的模块化结构和很强的开放性。Models-3/CMAQ目前已经成为国际上应用最为广泛的空气质量模型系统之一，在我国也具有广阔而良好的应用前景，迄今已在北京奥运空气质量保障和国家氮氧化物控制规划等重大研究中应用［3-4］。

2　参数模拟与验证

气象场模拟与验证表明，通过对温度、湿度和风场的检验，模型获得的模拟气象场与实际情况符合较好，温度的模拟结果与观测结果的相关系数均在0.98以上，湿度模拟结果的相关系数在0.64～0.80之间，风场模拟结果的相关系数在0.5～0.6之间，可以以此为基础进行空气质量的模拟。空气质量的模拟与验证表明，CMAQ对大连市空气质量的模拟结果较好，模拟NO2柱浓度与OMI卫星反演结果在时间和空间分布上基本相符。PM10地表浓度的模拟水平与趋势总体上与观测结果也比较吻合。SO2地表浓度呈现较明显的季节变化，春季和冬季较高，夏季和秋季较低，模拟值与监测值之间能够较好地吻合。NO2的地表浓度在空间分布上有较大差异，市区点呈现较高的浓度值，模拟值也基本与观测值相符。

湿沉降的模拟与验证表明，CMAQ对大连市硫和氮的湿沉降的模拟结果不太理想，原因是气象模式对降水量的模拟效果不佳。利用实测降水量对模拟的湿沉降结果进行修正，模拟结果较好，硫、氮湿沉降占总沉降的比重分别为48%和59%。

3　本地源与外来源的影响

分别关闭大连市本地（大连零排放情景）及周边（周边零排放情景）的SO2、NOx及PM的排放源（未包括人为源NH3和VOC，原因在于这两类排放源的排放清单不确定性很大，而且近期不考虑），考察模型模拟结果同未关闭任何源（基准情景）的差异，其中基准情景与大连零排放情景之差反映的是本地源的贡献，而基准情景与周边零排放之差反映的是周边源的影响，模拟结果如图1所示。

模拟结果表明，从大气中SO2、NO2及PM10的浓度来看，本地源（即大连市排放源）对本地空气质量的贡献较大，其中SO2和NO2占70%～90%，详见图1。PM10本地源贡献相对较低，为50%，原因是颗粒物的来源比较复杂，其中二次无机盐的比例较大，而外来源对二次无机盐的贡献较大。对颗粒物中的硫酸盐而言，本地源的贡献接近50%，外来源占20%～30%；而硝酸盐的成盐机制高度非线性，与大气阳基离子浓度有较大关系，模拟中出现削减本地源，硝酸盐反而上升的情况（即本地源的贡献为负值）。主要原因在于削减本地的SO2，使得阳基离子更容易与大气中的NO2结合，尽管同时本地NOx也在削减，但是本地硝酸盐浓度水平相对较低，更多来自跨界传输作用（外来源比例接近50%），因而大气中硝酸盐浓度并未受到削减本地NOx的影响。铵盐本地源贡献低于硫酸盐，主要在于硝酸盐的正贡献。

相比大气中的无机盐气溶胶，对于湿沉降中无机盐浓度，本地源贡献比例更小，在降雨较多的5～8月，本地源对SO42-的贡献为10%～20%，NO3-约10%，NH4+仅5%。不过，模拟域内外来源的贡献也不到30%，主要原因在于异相成盐过程与阳基离子的浓度有较大关系，此部分的模拟（与后续模拟不同）在情景设计中并未考虑主要阳基离子之一的NH3的排放源削减，因此在关停目标源后，由于成盐的非线性关系（较高NH3水平利于成盐），模拟低估了无机盐浓度对目标源削减的响应。为此，关闭了模拟边界传输场（即考虑背景盐基阳离子的影响），结果表明其贡献显著。

4　区域间影响

根据上述模拟发现，外来源对本地气溶胶及降雨中无机盐组分有较大贡献。因此为进一步识别外来源的区域分布及影响程度，进一步在外来源中划分出辽宁（除大连外的部分）、山东、河北、天津和北京等几部分分别加以单独考虑，加上大连本地源，分别做关闭排放（包括全部人为源物种，即SO2、NOx、PM、NH3和VOC）的敏感性分析。

结果表明，对大气颗粒物的无机盐组分，本地源的贡献相比前部分未控制NH3的情景有较大程度的增大，其中硝酸盐增幅明显，受本地源影响较大的瓦房店和庄河两地的贡献率超过60%，硫酸盐和铵盐的贡献率也在20%～40%。辽宁其他地区（包括沈阳和鞍山等）对大连市无机盐颗粒物的贡献也非常明显，基本与本地源持平，长海、旅顺和中山的贡献还略高于本地源的贡献。此外，山东的贡献也较大，其中对旅顺的贡献最大，近30%～50%；河北的贡献很小，在10%以内。不同地区的排放源对大连市及周边地区的大气无机盐颗粒物浓度的贡献率如图2所示。

图1　2008年本地源和外地源对大连市空气质量的贡献

图2　2008年各地排放源对大连市及周边地区颗粒物中无机盐浓度的贡献

湿沉降中无机盐组分与颗粒态类似，本地源的贡献仅在10%～20%之间，如图3所示。但是，山东排放对湿沉降的影响相比于颗粒物更为显著，占30%～40%，而辽宁其他区域的影响有所减小，在10%左右。产生以上变化的主要原因在于大连市形成降雨的特征气象条件：来自山东方面的偏南暖锋过境，势必会伴随大气污染物的传输，从而山东排放的影响大大增加。大连市北部的庄河地区，受到来自沈阳和鞍山等地区排放的影响比其他区域略高。大连市排放对沈阳、鞍山和丹东等地湿沉降的影响很小，在10%以内，剩余酸的贡献略大。

5　境外影响

为考察日本、朝鲜和韩国对大连地区酸沉降的影响，同样采用情景分析方法，即根据关停日本、朝鲜和韩国排放情景与基准情景的差异，确定其排放的影响，选取雨季5～8月作为模拟时段。

图3　2008年各地排放源对大连市及周边地区降水中无机盐浓度的贡献

图4给出了境外排放对大连市和周边地区主要无机盐组分湿沉降量的贡献。可以看出，丹东、庄河及长海受到境外的影响较大，硫酸盐贡献率在7%～10%之间，硝酸盐为22%～25%，铵盐为8%左右；大连市区、旅顺、普兰店、瓦房店以及沈阳、鞍山受到日韩的影响较小，硝酸盐在10%以内，而硫酸盐和铵盐的影响在5%以内。

图4　2008年本国和境外排放源对大连市及周边地区无机盐湿沉降的贡献

6　小结

（1）大连市本地源排放对空气质量的影响较大，其中SO2和NO2占70%～90%，PM10相对较低，也达到50%。

（2）大连市酸性物质的沉降受本地源影响较小。本地源排放对硫和氮的湿沉降的贡献仅在10%～20%之间。本地源对干沉降的贡献稍大，特别是对瓦房店和庄河等偏内陆的地区，本地源对氮沉降的贡献率可能超过60%，但本地源对硫沉降的贡献也仅在20%～40%。

（3）大连市周边一些城市与大连的空气污染相关度很高，说明周边地区可能存在对大连的污染物输送。另外根据气象资料分析，大连市降水的云中致酸以外源性为主，酸雨期间近地面大气输送以华东沿海到山东半岛经黄海中北部乃至渤海及其西岸为主，而低空对大连输送的主要来源更偏向于华东和华南等广大内陆地区经山东向北的输送。经模拟计算，山东排放对大连市湿沉降的贡献十分重要，占30%～40%，而辽宁其他区域的贡献仅10%左右。相比而言，辽宁其他地区对大连干沉降的贡献较高，基本能与本地源持平甚至略高。

（4）日本、朝鲜和韩国等境外排放对大连市和周边地区湿沉降的贡献不容忽视。在雨季5～8月，境外排放对庄河、长海及丹东硫酸盐湿沉降的贡献率在7%～10%之间，硝酸盐为22%～25%，铵盐为8%左右；而对大连市区、旅顺、普兰店、瓦房店以及沈阳、鞍山等的影响较小，硝酸盐在10%以内，而硫酸盐和铵盐的影响小于5%。

参考文献

［1］李丹，于庆凯.大连市酸雨污染特征及原因简析［J］.环境科学与管理，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］王丽涛.北京地区空气质量模拟和控制情景研究［D］．北京：清华大学，2006.

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

［6］黄美元，沈志来，刘帅仁，等.中国西南典型地区酸雨形成过程研究［J］.大气科学，1995，19（3）：359-366.

（编辑：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

中图分类号：X517

文献标识码：A

文章编号：1008-813X（2016）03-0051-05

收稿日期：2016-01-04

作者简介：苏静（1976-），女，辽宁鞍山人，毕业于大连理工大学环境化学与工程专业，硕士研究生，工程师，主要从事污染源调查和监测工作。