基于Matlab建立抚顺市高分辨率网格化大气污染源清单

秦思达

摘要：本研究基于Matlab对抚顺市大气污染物排放量进行空间分配、时间分配、物种分配，建立可用于空气质量数值模拟的城市高分辨率网格化清单。该网格化清单的建立可以作为基础数据支撑抚顺市开展空气质量数值模拟、重污染天气预报预警、污染物来源解析等研究工作，对抚顺市制定空气质量达标、改善方案，评估大气治理措施实施效果有重要意义。

关键词：Matlab；网格化；污染源清单；抚顺市

伴随我国社会高速发展，大气环境问题越发受到人们关注。应用排放源处理模式，建立区域全口径的大气污染源清单，并实现其网格化，对开展大气污染研究有重要意义。目前，排放源模式的主要作用是将以年为时间单位、以行政区为空间单位的排放清单进行空间和时间上的分配，根据模型选用的化学机制，对排放清单中的初始污染物进行化学物质种类和质量比例分配，以满足空气质量模型对于排放清单在时空分辨率和化学物种方面的高精度要求。配合第三代空气质量模式应用最广的是由美国北卡罗来纳微电子中心开发的SMOKE（Sparse Matrix Operator Kernel Emissions Modeling System）模式[1]。SMOKE模式是基于美国国家排放清单（NEI）设计的，在我国并不适用。首先，SMOKE模式空间分辨率精确到县，但我国尚未建立覆盖全国范围，精确到县市一级完整的一次污染物排放清单，在城市尺度上也只有少数几个工作基础较好的城市具有较为完善的排放清单[2]。SMOKE模式中的排放源以美国SCC code分类，精确到各种设备，而我国排放源分类体系与SCC code存在较大差异，且由于基础数据缺乏，我国区域排放清单估算时源分类很难如此精确。本研究应用Matlab编译建模，搭建污染源清单处理模型，可以实现多维清单、多物种的嵌套、融合，建立可用于第三代空气质量模式，且符合我国实际情况的网格化污染源清单，并将其应用在抚顺市的网格化清单建立中。

一、空间分配

污染源空间分配总体可以分为点源与面源两种，点源可以按照经纬度坐标分配到对应的网格上，而面源的分配较为复杂，采用代用参数权重法进行分配，不同的面源分配权重不同。抚顺市的点源主要为工业源，包含供暖源、电力源、建材源、石化源、钢铁源等源类，可以直接使用修正后的经纬度坐标分配。移动源、居民源、农业源属于面源，其中移动源按照单位网格路网所占面积的大小分配权重值；居民源（散煤燃烧）使用农村人口进行分配；居民源（溶剂使用、餐饮油烟）使用全口径人口数据进行分配；居民源（秸秆焚烧）、农业源使用土地利用类型中的耕地分布进行分配。

二、时间分配

污染物的时间分配是将污染源的年排放量分配到小时，制作成以小时为单位的清单输入模型。分配基于月分配系数、周分配系数、日分配系数处理完成。工业源与电力源排放受国家政策和市场调控影响，下半年的污染物排放略高于上半年。供暖源排放集中在11月至次年3月期间，居民源中的散煤燃烧主要在冬季供暖，部分用于日常生活，因此采暖期污染物排放量大于非采暖期。移动源的污染物排放季节性变化较小，但日变化特征显著，早晚高峰期的排放量较大。

三、物质分配机制

CBM、SAPRC、MCM以及RADM、RACM機理已经被广泛应用在很多的空气质量模式以及气象模式中。CBM机理在空气质量模式、城市气质模式、区域氧化物模式中的应用，SAPRC机理在空气质量模式和城市尺度的欧拉网格模式，MCM机理在光化学轨迹模式，RADM在EPA区域酸沉降模拟中的应用。CMAQ模型可选用cb05、saprc99、saprc07等多种化学反应机制，本研究考虑了海盐气溶胶排放、水/云化学的气相化学反应，选用cb05_ae6_aq作为模式化学反应机制。

cb05反应机制广泛应用于国内的空气质量数值模拟值，在对PM2.5与O3模拟方面具有良好的性能。Cb05是美国EPA于2005年发布的版本，共包括51个物种和156个反应。CB05根据国际纯粹与应用化学协会（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）和NASA提供的最新反应速率常数对机理进行了更新。无机反应方面CB05的主要修改内容包括：1）增加了涉及H2的化学反应以适应较高的对流层环境；2）增加了奇氧原子的反应；3）增加了反映夜间化学过程的NO3反应；4）增加了NOx的反应来表现NOx的多天变化情况。有机反应方面CB05给出了甲烷和乙烷的详细化学机理，将高阶醛类细分为乙醛（ALD2） 和更高的醛 （ALDx） 并加入了几种萜烯物种（TERP）等。

四、抚顺市网格化清单

研究基于Matlab，对抚顺市大气污染物排放量进行了空间分配、时间分配、物种分配机制选择，最终建立了抚顺市空分辨率的大气污染源网格化清单，如下图1所示。

五、结论

本研究网格化清单的建立可以作为基础数据支撑抚顺市开展空气质量数值模拟、重污染天气预报预警、污染物来源解析等研究工作，对抚顺市制定空气质量达标、改善方案，评估大气治理措施实施效果有重要意义。

参考文献：

[1]CLEVE B M，张志涌编译.MATLAB数值计算[M].北京：北京航空航天大学出版社，2013：1-50.

[2]张礼俊.基于Model-3/CMAQ的珠江三角洲区域空气质量模拟与校验研究[D].华南理工大学，2010.