杭州市空气质量保障数值模拟研究

发布时间：2020-06-07 22:48

【摘要】：近年来,我国城市化进程加快,城市大气污染问题突出。杭州及周边地区相继召开了举世瞩目的世界互联网大会和二十国集团领导人峰会(简称G20峰会)。为改善会议期间的环境空气质量,我们采用数值模拟方法,建立了本地化的WRF-Chem空气质量模拟系统并对比验证以环境监测站、激光雷达和卫星遥感等大量观测数据,开展了污染物的时空分布、形成机理和防治措施等量化研究。本文旨在为杭州市空气质量保障提供科学支持和技术支撑。分析研究历年杭州及周边地区的大气污染特征,结果显示杭州冬季的首要大气污染物为PM_(2.5),夏季为O_3;污染物本地排放和区域传输双重特征明显,确立了杭州市空气质量保障需坚持长三角范围内的区域联防联控、多污染物协同减排这一基本原则。此外模拟研究肯定了我国首个战略层面的污染防治措施《煤电节能减排升级与改造行动计划》对空气质量保障的积极意义,并澄清了燃煤电厂排放不是造成我国PM_(2.5)污染的主因这一事实。据此我们分别为两次会议提出若干多区域、多行业、多强度的空气质量保障措施。评估研究互联网大会保障期间(2015年12月8~19日),结果表明保障措施使杭州PM_(2.5)日均浓度降低了7% 25%,平均为15%;而大会前一天出现PM_(2.5)污染(日均浓度高达154μg m~(-3)主要是因为受冬季西伯利亚寒流南下影响,污染物长距离传输(贡献高达85%)所导致。评估研究G20峰会保障期间(2016年8月24日~9月6日),结果表明保障措施使杭州市PM_(2.5)日均浓度降低了15%~45%,平均为34%;其中杭州本地实施的保障措施贡献了55%,周边区域实施的保障措施贡献了45%。PM_(2.5)保障效果明显,完成既定保障目标。然而O_3保障效果有限,杭州市O_3-8h浓度在G20峰会保障期间最高降幅仅为8%,近一半天数超过国家二级标准。除了人为源排放,不利的夏季台风气象条件和城市热岛效应是保障期间O_3气相化学反应增强及污染形成的重要原因;同时沿海热带气旋与高空西风急流相互作用,发展了温带气旋并导致了对流层顶折叠,使平流层高浓度O_3显著影响到我国东南部。本文丰富了我国城市空气质量应急保障经验,拓展了数值模拟方法在国际重大活动中的应用,促进了我国大气污染防治长效机制建设,使改善空气质量观念深入人心。
【图文】：

2.5分类及化学反应前体物示意图1.2-1所示PM2.5可分为直接排放的一次PM2.5和化学反应生成的二次PM2.5(Huang etal., 2014)，大量实地监测研究显示我国二次无机气溶胶（硝酸盐、硫酸盐和铵盐）可占 PM2.5总量的 25-48%。受地理位置和季节影响，，我国南方二次无机气溶胶比例明显高于北方，且大部分北方城市二次无机气溶胶比例在夏季和冬季普遍高于春季和秋季(Tao et al.,2017)。大量源解析研究显示我国大多数城市的 PM2.5主要由二次无机气溶胶转化、煤燃烧和交通移动源排放产生，其贡献之和可达 44-82% (Tao et al., 2017)。同时，人口密集区的生物排放，工业城市中的企业排放，北方城市的沙尘天气和沿海城市的船舶排放在某些城市也有重要贡献(Tao et al., 2017)。此外，某些地区的天然源排放也不容忽视，如 Mueller andMallard 2011 发现在美国西部大部分地区天然源排放对年均 PM2.5浓度贡献大于 40%。畜牧业生产和农田化肥使用是 NH3（PM2.5前体物）的重要排放源(Erisman et al., 2008; VanDer Hoek, 1998)；Zhang et al. 2010 估算了我国华北平原畜禽源排放和化肥对氮的贡献分别是 54%和 46%。另一方面，农作物秸秆燃烧也是大气污染物（特别是 CO 和 VOCs）的重要排放源(Guo et al., 2004; Yuan et al., 2010; Zhang et al., 2013)。VOC 的大量排放增加大气氧化性

浙江大学博士学位论文 绪论et al., 2014)及其与 PM2.5的相互作用(Shi et al., 2015)开展了诸多实地观测和模型模拟研究。一些研究认为我国很多地区的 O3污染事件发生在 NOx控制区，即 VOCs 过量区。同时发现在多种 VOCs 中，芳烃具有最大的臭氧生成潜力(Zou et al., 2015)。此外，不利于扩散的高压静稳气象条件(Xue et al., 2014)和污染物区域传输(Gao et al., 2016; Jiang et al., 2012)也是近地面 O3污染加剧的重要原因。在某些城市还有城市热岛环流对 O3的累积也产生重要影响(Lai and Cheng, 2009; Li et al., 2016)。总体上，我国近地面 O3大气污染主要由大气污染物 NOx、CO 和 VOCs 等通过系列光化学反应二次生成 O3，并在持续不利气象条件下不断积累导致(Wang et al., 2017)。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：X51

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