CMAQ模型在大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

田軍，葛春風(fēng)，甄瑞卿，劉夢(mèng)，焦?jié)?/p>

(1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084；3.北京京誠(chéng)嘉宇環(huán)境科技有限公司，北京 100053；4.中持水務(wù)股份有限公司，北京 100192)

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CMAQ模型在大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

田軍1，葛春風(fēng)2，甄瑞卿3，劉夢(mèng)4，焦?jié)?

(1.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210093；2.北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100084；3.北京京誠(chéng)嘉宇環(huán)境科技有限公司，北京 100053；4.中持水務(wù)股份有限公司，北京 100192)

空氣質(zhì)量模型是大氣環(huán)境管理和研究中非常重要的技術(shù)手段。文章系統(tǒng)回顧國(guó)內(nèi)外空氣質(zhì)量模型的發(fā)展歷程，分析了不同時(shí)期、不同類別空氣質(zhì)量模型的特征，重點(diǎn)介紹第三代空氣質(zhì)量模型CMAQ(Community Multiscale Air Quality Modeling System)的基本原理和典型特征，并對(duì)其在環(huán)評(píng)領(lǐng)域的法規(guī)化應(yīng)用提出了一些建議。

CMAQ模型；大氣環(huán)評(píng)；模型法規(guī)化

在當(dāng)前大氣污染問(wèn)題日益突出的背景下，環(huán)評(píng)作為環(huán)保工作中非常重要的一環(huán)，如何在項(xiàng)目確立之初，對(duì)環(huán)境影響及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行更加客觀、準(zhǔn)確的預(yù)判和把控，成了當(dāng)下環(huán)保工作面臨的重要難題。對(duì)于大氣環(huán)境而言，要想解決這一問(wèn)題，就必須依賴空氣質(zhì)量模型的發(fā)展。所謂空氣質(zhì)量模型，是運(yùn)用氣象學(xué)原理，通過(guò)數(shù)學(xué)方法模擬污染物從污染源排放到擴(kuò)散輸送全過(guò)程的方法。目前，該方法已廣泛應(yīng)用于不同尺度、不同類型污染過(guò)程的模擬，成為了大氣環(huán)境研究領(lǐng)域的重要組成部分[1]。本文首先回顧了空氣質(zhì)量模型的發(fā)展歷程，然后對(duì)目前國(guó)內(nèi)外廣泛使用的多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ(Community Multiscale Air Quality Modeling System)的應(yīng)用研究進(jìn)行探討，最后從環(huán)評(píng)從業(yè)者的角度，對(duì)未來(lái)發(fā)展提出了一些建議。

1 空氣質(zhì)量模型的發(fā)展歷程

1970年至今，美國(guó)環(huán)保署及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)共開(kāi)發(fā)了三代空氣質(zhì)量模型。20世紀(jì)70—80年代，以箱模型、高斯擴(kuò)散模型、拉格朗日軌跡模型為基礎(chǔ)，推出了第一代空氣質(zhì)量模型，這些模型采用簡(jiǎn)單的參數(shù)化線性機(jī)制描述復(fù)雜的大氣物理過(guò)程，適用于模擬惰性污染物的長(zhǎng)期平均濃度，其中具有代表性的有ISC、AERMOD、ADMS、CLAPUFF等；80—90年代，研究人員在第一代模型的基礎(chǔ)上加入了較為復(fù)雜的氣象模塊和非線性反應(yīng)機(jī)制，形成第二代空氣質(zhì)量模型，其中具有代表性的包括RADM、UAM等；隨著大氣光化學(xué)研究的不斷深入和發(fā)展，90年代中后期，第三代模型應(yīng)運(yùn)而生，第三代空氣質(zhì)量模型考慮了大氣中不同物質(zhì)、不同相態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換和相互影響，能夠更加客觀真實(shí)地模擬污染物的轉(zhuǎn)化和遷移過(guò)程，代表模型有CMAQ、WRF-CHEM、CAMx等[2]。如表1所示。

表1 空氣質(zhì)量模型發(fā)展歷程

2 CMAQ模型簡(jiǎn)介

CMAQ是美國(guó)環(huán)保署開(kāi)發(fā)的第三代區(qū)域空氣質(zhì)量模型，經(jīng)過(guò)十幾年的發(fā)展，現(xiàn)已更新至5.1版本。CMAQ秉承“一個(gè)大氣(One Atmosphere)”的理念，將整個(gè)對(duì)流層大氣作為一個(gè)整體，采用一套考慮不同物質(zhì)相互影響的大氣控制方程，對(duì)環(huán)境大氣中的物理、化學(xué)過(guò)程以及不同物質(zhì)的相互作用過(guò)程進(jìn)行周密考慮，適用于光化學(xué)煙霧、區(qū)域酸沉降、大氣顆粒物污染等多尺度多物種的復(fù)雜大氣環(huán)境問(wèn)題的模擬[3]。該模型主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，其核心是化學(xué)傳輸模塊(CCTM)，主要模擬污染物的傳輸、化學(xué)轉(zhuǎn)化、沉降等過(guò)程，同時(shí)該模塊還具有一定的擴(kuò)展性，可根據(jù)實(shí)際的模擬需求，加入云物理過(guò)程、氣溶膠模塊等；初始/邊界條件接口模塊(ICON/BCON)主要是為CCTM提供污染物初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)；光解反應(yīng)速率模塊(JPROC)用于計(jì)算相關(guān)反應(yīng)的光解速率；氣象-化學(xué)接口模塊(MCIP)是氣象數(shù)據(jù)接口，通過(guò)該模塊可將WRF、MM5等中尺度氣象場(chǎng)轉(zhuǎn)化為CCTM可讀取的文件格式。

圖1 CMAQ模型主要結(jié)構(gòu)Fig.1 The main structure of CMAQ model

3 CMAQ模型在環(huán)評(píng)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 滿足戰(zhàn)略及規(guī)劃環(huán)評(píng)需求

《“十三五”環(huán)境影響評(píng)價(jià)改革實(shí)施方案》提出要以改善環(huán)境質(zhì)量為核心，以全面提高環(huán)評(píng)有效性為主線，以創(chuàng)新體制機(jī)制為動(dòng)力，以“生態(tài)保護(hù)紅線、環(huán)境質(zhì)量底線、資源利用上線和環(huán)境準(zhǔn)入負(fù)面清單”為手段，強(qiáng)化空間、總量、準(zhǔn)入環(huán)境管理，劃框子、定規(guī)則、查落實(shí)、強(qiáng)基礎(chǔ)，不斷改進(jìn)和完善依法、科學(xué)、公開(kāi)、廉潔、高效的環(huán)評(píng)管理體系[4]。

針對(duì)當(dāng)前大氣環(huán)境呈現(xiàn)的復(fù)合型、區(qū)域型污染特征，CMAQ可為確定“質(zhì)量目標(biāo)”與“控制措施”間的定量化關(guān)系提供技術(shù)支持。具體來(lái)說(shuō)需要根據(jù)現(xiàn)狀污染源清單以及規(guī)劃期污染源強(qiáng)的變化情況，分別設(shè)置基準(zhǔn)情景和預(yù)測(cè)情景，通過(guò)對(duì)比兩種情境下的模擬結(jié)果，定量評(píng)估規(guī)劃方案帶來(lái)的環(huán)境效益。

3.2 模擬復(fù)雜二次污染物

《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)的出臺(tái)，不但收嚴(yán)了大氣中可吸入顆粒物PM10和NO2的標(biāo)準(zhǔn)限值，而且首次將細(xì)顆粒物PM2.5和臭氧8小時(shí)平均濃度納入了環(huán)保管控范圍[5]。但是目前AERMOD、ADMS、CALPUFF等法規(guī)模型在大氣二次污染物模擬方面仍存在一定的不足，另外隨著當(dāng)前環(huán)保部門(mén)對(duì)于VOCs提出越來(lái)越嚴(yán)的管控和削減需求，如何定量評(píng)估VOCs的環(huán)境效益也成為一個(gè)難題?；谏鲜霰尘?，對(duì)于部分源強(qiáng)復(fù)雜、影響范圍大的項(xiàng)目可憑借CMAQ較為全面的大氣化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，為O3、PM2.5、VOCs等大氣二次污染物的模擬評(píng)估提供技術(shù)支撐。

3.3 分析大氣環(huán)境容量

大氣環(huán)境容量是污染物總量管控的一項(xiàng)重要內(nèi)容，反映了某一地區(qū)在空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)規(guī)劃或管控要求的約束下所能容納污染物的最大值，是總量紅線的重要指標(biāo)。目前在一般環(huán)評(píng)項(xiàng)目中，通常采用的是A-P值法、模擬法、線性規(guī)劃法[6]。這些方法主要基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，即通過(guò)對(duì)比最大小時(shí)、日均、年均濃度與目標(biāo)值的差距來(lái)估算剩余的環(huán)境容量。但是對(duì)于真實(shí)環(huán)境來(lái)說(shuō)，一方面大氣環(huán)境容量存在季節(jié)性差異，例如夏季氣溫較高，地表湍流較強(qiáng)，邊界層高度相對(duì)較高，因此相對(duì)于其他季節(jié)，夏季可以容納更多的大氣污染物；另一方面，大氣污染物的排放也存在一定的季節(jié)性變化，例如我國(guó)北方地區(qū)由于供暖需要，冬季大氣污染物排放量明顯高于其他季節(jié)。因此，為了更加客觀真實(shí)地反映區(qū)域大氣環(huán)境承載力，可利用CMAQ模型，在時(shí)間和空間上對(duì)環(huán)境管理目標(biāo)及模擬濃度開(kāi)展精確分析，從而得到更為客觀的環(huán)境容量。

4 空氣質(zhì)量模型發(fā)展建議

4.1 建立法規(guī)化清單

目前，我國(guó)尚未從國(guó)家層面建立起一套法規(guī)化的大氣污染物排放清單，嚴(yán)重制約了當(dāng)前空氣質(zhì)量管理的推進(jìn)。因此，從環(huán)評(píng)的角度出發(fā)，需要建立一套適用于我國(guó)戰(zhàn)略環(huán)評(píng)、規(guī)劃環(huán)評(píng)的法規(guī)化污染源清單，以確保模擬的標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化?？紤]到我國(guó)工業(yè)排放源清單(火電、鋼鐵等)受經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和市場(chǎng)波動(dòng)的影響較大，不同年份的污梁物排放情況存在一定差異，因此還需要定期對(duì)相關(guān)清單數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，保證源清單的時(shí)效性。

4.2 建立法規(guī)化模型

環(huán)境管理部門(mén)應(yīng)編制環(huán)境空氣質(zhì)量法規(guī)模型導(dǎo)則，規(guī)定CMAQ等模型的應(yīng)用原則及標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)集。

(1)中尺度氣象數(shù)據(jù)集。中尺度氣象模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性對(duì)CMAQ模擬的結(jié)果影響很大，因此從科學(xué)性和技術(shù)復(fù)核的角度來(lái)看，建議相關(guān)技術(shù)評(píng)估部門(mén)在現(xiàn)有“中尺度氣象數(shù)據(jù)在線服務(wù)系統(tǒng)”的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，一方面加強(qiáng)對(duì)地面觀測(cè)資料的同化，提高模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，另一方面可以提高模擬的空間分辨率，滿足業(yè)務(wù)單位的相關(guān)技術(shù)需求。

(2)模型設(shè)置參數(shù)。為確保模擬結(jié)果的唯一性和可比性，技術(shù)評(píng)估部門(mén)需要對(duì)CMAQ模型相關(guān)參數(shù)的選取進(jìn)行規(guī)范化和統(tǒng)一化，便于評(píng)估部門(mén)對(duì)模擬結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性進(jìn)行把控。

(3)下墊面參數(shù)。在空氣質(zhì)量模型中，下墊面參數(shù)直接影響著近地面氣象要素，特別是風(fēng)場(chǎng)的分布。2015年環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心發(fā)布了適用于AERMOD系統(tǒng)的地表參數(shù)化系統(tǒng)(http://www.ieimodel.org/)，已在很多業(yè)務(wù)單位的環(huán)評(píng)中得到了較好的應(yīng)用。建議下一階段在該平臺(tái)中增加針對(duì)CMAQ等中尺度模型的下墊面參數(shù)服務(wù)。

5 結(jié)語(yǔ)

CMAQ模型憑借其較為全面的大氣污染物輸送及化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，廣泛應(yīng)用于科研和業(yè)務(wù)模擬工作中。隨著環(huán)評(píng)技術(shù)要求不斷提高，該模型在戰(zhàn)略環(huán)評(píng)和規(guī)劃環(huán)評(píng)中得到了較好的應(yīng)用，并為區(qū)域產(chǎn)業(yè)調(diào)整、空間布局、環(huán)境承載力等方面研究提供了有力的技術(shù)支撐。為進(jìn)一步增強(qiáng)環(huán)評(píng)的規(guī)范性和科學(xué)性，建議環(huán)境主管部門(mén)從氣象數(shù)據(jù)、源清單、模型參數(shù)、下墊面參數(shù)等方面入手，提出統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估方法，讓CMAQ的模擬結(jié)果具有唯一性和可比性，從而有助于環(huán)評(píng)工作的標(biāo)準(zhǔn)化和法規(guī)化。

[1] 王占山, 李曉倩, 王宗爽, 等. 空氣質(zhì)量模型CMAQ的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2013, 36(6): 386- 391.

[2] 薛文博, 王金南, 楊金田, 等. 國(guó)內(nèi)外空氣質(zhì)量模型研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展, 2013, 38(3): 14- 20.

[3] 田軍. 南京市機(jī)動(dòng)車大氣環(huán)境影響及其控制策略研究[D]. 南京: 南京大學(xué), 2013.

[4] 環(huán)境保護(hù)部. 關(guān)于印發(fā)《“十三五”環(huán)境影響評(píng)價(jià)改革實(shí)施方案》的通知[Z]. 2016.

[5] 郝吉明. 改善環(huán)境空氣質(zhì)量 保護(hù)人民群眾健康[J]. 求是, 2012(8): 37- 38.

[6] 蔡治平, 閻茹. 區(qū)域環(huán)境影響評(píng)價(jià)中大氣環(huán)境容量的計(jì)算方法[J]. 武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào), 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

田軍(1988—)，男，江蘇阜寧人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榇髿猸h(huán)境模擬、大氣源清單及源解析等，E-mail：jtian@njuae.cn

焦?jié)?1981—)，男，江蘇泰興人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境規(guī)劃與管理，E-mail:tjiao@njuae.cn

10.14068/j.ceia.2016.06.001

X823

A

2095-6444(2016)06-0001-03