CMAQ模型在大气环境影响评价中的应用

田军，葛春风，甄瑞卿，刘梦，焦涛

(1.南京大学环境规划设计研究院有限公司，江苏南京 210093；2.北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京 100084；3.北京京诚嘉宇环境科技有限公司，北京 100053；4.中持水务股份有限公司，北京 100192)



CMAQ模型在大气环境影响评价中的应用

田军1，葛春风2，甄瑞卿3，刘梦4，焦涛1

(1.南京大学环境规划设计研究院有限公司，江苏南京 210093；2.北京国环清华环境工程设计研究院有限公司，北京 100084；3.北京京诚嘉宇环境科技有限公司，北京 100053；4.中持水务股份有限公司，北京 100192)

空气质量模型是大气环境管理和研究中非常重要的技术手段。文章系统回顾国内外空气质量模型的发展历程，分析了不同时期、不同类别空气质量模型的特征，重点介绍第三代空气质量模型CMAQ(Community Multiscale Air Quality Modeling System)的基本原理和典型特征，并对其在环评领域的法规化应用提出了一些建议。

CMAQ模型；大气环评；模型法规化

在当前大气污染问题日益突出的背景下，环评作为环保工作中非常重要的一环，如何在项目确立之初，对环境影响及环境风险进行更加客观、准确的预判和把控，成了当下环保工作面临的重要难题。对于大气环境而言，要想解决这一问题，就必须依赖空气质量模型的发展。所谓空气质量模型，是运用气象学原理，通过数学方法模拟污染物从污染源排放到扩散输送全过程的方法。目前，该方法已广泛应用于不同尺度、不同类型污染过程的模拟，成为了大气环境研究领域的重要组成部分[1]。本文首先回顾了空气质量模型的发展历程，然后对目前国内外广泛使用的多尺度空气质量模型CMAQ(Community Multiscale Air Quality Modeling System)的应用研究进行探讨，最后从环评从业者的角度，对未来发展提出了一些建议。

1 空气质量模型的发展历程

1970年至今，美国环保署及相关研究机构共开发了三代空气质量模型。20世纪70—80年代，以箱模型、高斯扩散模型、拉格朗日轨迹模型为基础，推出了第一代空气质量模型，这些模型采用简单的参数化线性机制描述复杂的大气物理过程，适用于模拟惰性污染物的长期平均浓度，其中具有代表性的有ISC、AERMOD、ADMS、CLAPUFF等；80—90年代，研究人员在第一代模型的基础上加入了较为复杂的气象模块和非线性反应机制，形成第二代空气质量模型，其中具有代表性的包括RADM、UAM等；随着大气光化学研究的不断深入和发展，90年代中后期，第三代模型应运而生，第三代空气质量模型考虑了大气中不同物质、不同相态之间的相互转换和相互影响，能够更加客观真实地模拟污染物的转化和迁移过程，代表模型有CMAQ、WRF-CHEM、CAMx等[2]。如表1所示。

表1 空气质量模型发展历程

2 CMAQ模型简介

CMAQ是美国环保署开发的第三代区域空气质量模型，经过十几年的发展，现已更新至5.1版本。CMAQ秉承“一个大气(One Atmosphere)”的理念，将整个对流层大气作为一个整体，采用一套考虑不同物质相互影响的大气控制方程，对环境大气中的物理、化学过程以及不同物质的相互作用过程进行周密考虑，适用于光化学烟雾、区域酸沉降、大气颗粒物污染等多尺度多物种的复杂大气环境问题的模拟[3]。该模型主要结构如图1所示，其核心是化学传输模块(CCTM)，主要模拟污染物的传输、化学转化、沉降等过程，同时该模块还具有一定的扩展性，可根据实际的模拟需求，加入云物理过程、气溶胶模块等；初始/边界条件接口模块(ICON/BCON)主要是为CCTM提供污染物初始场和边界场；光解反应速率模块(JPROC)用于计算相关反应的光解速率；气象-化学接口模块(MCIP)是气象数据接口，通过该模块可将WRF、MM5等中尺度气象场转化为CCTM可读取的文件格式。

图1 CMAQ模型主要结构Fig.1 The main structure of CMAQ model

3 CMAQ模型在环评领域的应用

3.1 满足战略及规划环评需求

《“十三五”环境影响评价改革实施方案》提出要以改善环境质量为核心，以全面提高环评有效性为主线，以创新体制机制为动力，以“生态保护红线、环境质量底线、资源利用上线和环境准入负面清单”为手段，强化空间、总量、准入环境管理，划框子、定规则、查落实、强基础，不断改进和完善依法、科学、公开、廉洁、高效的环评管理体系[4]。

针对当前大气环境呈现的复合型、区域型污染特征，CMAQ可为确定“质量目标”与“控制措施”间的定量化关系提供技术支持。具体来说需要根据现状污染源清单以及规划期污染源强的变化情况，分别设置基准情景和预测情景，通过对比两种情境下的模拟结果，定量评估规划方案带来的环境效益。

3.2 模拟复杂二次污染物

《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)的出台，不但收严了大气中可吸入颗粒物PM10和NO2的标准限值，而且首次将细颗粒物PM2.5和臭氧8小时平均浓度纳入了环保管控范围[5]。但是目前AERMOD、ADMS、CALPUFF等法规模型在大气二次污染物模拟方面仍存在一定的不足，另外随着当前环保部门对于VOCs提出越来越严的管控和削减需求，如何定量评估VOCs的环境效益也成为一个难题。基于上述背景，对于部分源强复杂、影响范围大的项目可凭借CMAQ较为全面的大气化学反应机制，为O3、PM2.5、VOCs等大气二次污染物的模拟评估提供技术支撑。

3.3 分析大气环境容量

大气环境容量是污染物总量管控的一项重要内容，反映了某一地区在空气质量达标规划或管控要求的约束下所能容纳污染物的最大值，是总量红线的重要指标。目前在一般环评项目中，通常采用的是A-P值法、模拟法、线性规划法[6]。这些方法主要基于统计学原理，即通过对比最大小时、日均、年均浓度与目标值的差距来估算剩余的环境容量。但是对于真实环境来说，一方面大气环境容量存在季节性差异，例如夏季气温较高，地表湍流较强，边界层高度相对较高，因此相对于其他季节，夏季可以容纳更多的大气污染物；另一方面，大气污染物的排放也存在一定的季节性变化，例如我国北方地区由于供暖需要，冬季大气污染物排放量明显高于其他季节。因此，为了更加客观真实地反映区域大气环境承载力，可利用CMAQ模型，在时间和空间上对环境管理目标及模拟浓度开展精确分析，从而得到更为客观的环境容量。

4 空气质量模型发展建议

4.1 建立法规化清单

目前，我国尚未从国家层面建立起一套法规化的大气污染物排放清单，严重制约了当前空气质量管理的推进。因此，从环评的角度出发，需要建立一套适用于我国战略环评、规划环评的法规化污染源清单，以确保模拟的标准化和统一化。考虑到我国工业排放源清单(火电、钢铁等)受经济形势和市场波动的影响较大，不同年份的污梁物排放情况存在一定差异，因此还需要定期对相关清单数据进行更新，保证源清单的时效性。

4.2 建立法规化模型

环境管理部门应编制环境空气质量法规模型导则，规定CMAQ等模型的应用原则及标准化数据集。

(1)中尺度气象数据集。中尺度气象模拟数据的准确性对CMAQ模拟的结果影响很大，因此从科学性和技术复核的角度来看，建议相关技术评估部门在现有“中尺度气象数据在线服务系统”的基础上进行改进，一方面加强对地面观测资料的同化，提高模拟结果的准确性，另一方面可以提高模拟的空间分辨率，满足业务单位的相关技术需求。

(2)模型设置参数。为确保模拟结果的唯一性和可比性，技术评估部门需要对CMAQ模型相关参数的选取进行规范化和统一化，便于评估部门对模拟结果的真实性和准确性进行把控。

(3)下垫面参数。在空气质量模型中，下垫面参数直接影响着近地面气象要素，特别是风场的分布。2015年环境保护部环境工程评估中心发布了适用于AERMOD系统的地表参数化系统(http://www.ieimodel.org/)，已在很多业务单位的环评中得到了较好的应用。建议下一阶段在该平台中增加针对CMAQ等中尺度模型的下垫面参数服务。

5 结语

CMAQ模型凭借其较为全面的大气污染物输送及化学反应机制，广泛应用于科研和业务模拟工作中。随着环评技术要求不断提高，该模型在战略环评和规划环评中得到了较好的应用，并为区域产业调整、空间布局、环境承载力等方面研究提供了有力的技术支撑。为进一步增强环评的规范性和科学性，建议环境主管部门从气象数据、源清单、模型参数、下垫面参数等方面入手，提出统一的数据标准和评估方法，让CMAQ的模拟结果具有唯一性和可比性，从而有助于环评工作的标准化和法规化。

[1] 王占山, 李晓倩, 王宗爽, 等. 空气质量模型CMAQ的国内外研究现状[J]. 环境科学与技术, 2013, 36(6): 386- 391.

[2] 薛文博, 王金南, 杨金田, 等. 国内外空气质量模型研究进展[J]. 环境与可持续发展, 2013, 38(3): 14- 20.

[3] 田军. 南京市机动车大气环境影响及其控制策略研究[D]. 南京: 南京大学, 2013.

[4] 环境保护部. 关于印发《“十三五”环境影响评价改革实施方案》的通知[Z]. 2016.

[5] 郝吉明. 改善环境空气质量 保护人民群众健康[J]. 求是, 2012(8): 37- 38.

[6] 蔡治平, 阎茹. 区域环境影响评价中大气环境容量的计算方法[J]. 武汉工程大学学报, 2008, 30(1): 26- 29.

Application of CMAQ Model in Atmospheric Environmental Impact Assessment

TIAN Jun1, GE Chun-feng2, ZHEN Rui-qing3, LIU Meng4, JIAO Tao1

(1.Academy of Environmental Planning and Design, Nanjing University, Nanjing 210093, China; 2.Beijing Guohuan Tsinghua Environment Engineering Design & Research Institute Co., Ltd., Beiijng 100084, China; 3.CERI Eco Technology Co., Ltd., Beijing 100053, China; 4.CSD Water Service Co., Ltd., Beijing 100192, China)

Air quality modeling is a very important tool for EIA (environmental impact assessment), and it can also support the environmental management and policy-making. This paper reviewed the development process of air quality models from both home and abroad, analyzed characteristics of air quality models of different periods and categories, with the focus on the structure and application of CMAQ (Community Multiscale Air Quality Modeling System), and then gave suggestions on the standardized application of air quality models in EIA.

CMAQ model; atmospheric environmental impact assessment; standardization of modeling

2016-09-12

田军(1988—)，男，江苏阜宁人，工程师，硕士，主要研究方向为大气环境模拟、大气源清单及源解析等，E-mail：jtian@njuae.cn

焦涛(1981—)，男，江苏泰兴人，高级工程师，主要研究方向为环境规划与管理，E-mail:tjiao@njuae.cn

10.14068/j.ceia.2016.06.001

X823

A

2095-6444(2016)06-0001-03