東北亞地區空氣質量數值模擬研究

(1)

東北亞地區空氣質量數值模擬研究

孟凡，徐峻，何友江，程念亮中國環境科學研究院

海峽兩岸空氣品質管理交流研討會，臺北，2012.5.28

(2)

主要内容

• 背景

• 模式简介

• 模拟结果

– 综合观测过程分析 – 模式比较验证

– 初步模拟结果

(3)

Glaobal and Regional Air Pollution

global mean tropospheric nitrogen dioxide (NO2) vertical column density (VCD) between January 2003 and June 2004, as measured by the SCIAMACHY instrument on ESA's Envisat. The scale is in 1015 molecules/cm- 2. Image produced by S. Beirle, U. Platt and T. Wagner of the University of Heidelberg's Institute for

Environmental Physics.

Global satellite-derived map of PM2.5 (ug/m3) averaged over 2001-2006.

Credit: Dalhousie University, Aaron van Donkelaar

(4)

Source-Receptor Relationship LTP Project（2002-2013）

region I

region IV region II region III

region V

100% SO2 emis. cut or 20% NOx emis. cut

region I

region IV region II region III

region V

Receptor

I II

III

IV V

(5)

Source-Receptor Relationship of SO2 Emi. to Total S deposition (%).

(a) Contribution from region I

(b) Contribution from region II

(c) Contribution from region III

(d) Contribution from region IV (e) Contribution from region V

1. 输送的现象是明显和确定的。

2. 但长距离输送的相对贡献并不是很高。

(6)

Contribution from sources to receptors of sulfur deposition in 2002

Contribution to region I (%) 57.49 39.63

1.21 1.17

0.49 I

II III IV V

Contribution to region II (%) 3.91

87.45 7.38

0.87 0.39 I

II III IV V

Contribution to region III (%) 1.27

17.65 80.17 0.66

0.25 I II III IV V

Contribution to region IV (%) 4.26

13.7 2.09

77.94 2.01

I II III IV V

Contribution to region V (%) 5.11

21.78 1.48 64.6 7.02

I II III IV V

Note: SO2 emission from the volcanic island of Miyakejima, Japan not included. The total SO2

emission amounts to 18 Mt from mid of Aug. 2002 to at least December 2003.

(7)

Table 5. Contributions of 20% NOx emission of sources regions to the total nitrate deposition of receptor regions in 2006

S/R

I II III IV V

Total Dep. from 20% NOx Emi. of

ith Region

ton % ton % ton % ton % ton % ton %

I 42210 6.41 14096 0.789 5352 0.342 4952 1.91 27207 1.78 93817 11.2 II 91574 13.9 274695 15.4 121505 7.76 24222 9.35 87465 5.72 599461 52.1 III 2676 0.406 70626 3.96 167030 10.7 2864 1.11 12610 0.82 255806 17.0 IV 2064 0.313 2308 0.129 2376 0.152 9911 3.82 31068 2.03 47727 6.44 V 567 0.086 1808 0.101 2109 0.135 6324 2.44 134122 8.77 144930 11.5 Total Dep.

of ith Region

139091 21.1 363533 20.4 298372 19.1 48273 18.6 292472 19.1 1141741 98.3

Total Nitrate Deposition from 20% NOx Emi. of ith Region

0 50 100 150 200 250 300 350 400

I II III IV V

ktonN/a

V

IV

III

II

I

(8)

课题一

课题二

三维立体观测

卫星遥感航空测量航海测量地面加强观测

污染物浓度及理化特性

课题三

排放重点行业与重点源调查社会经济数据

调研典型排放源排

放特征测试

建立监测体系

长期监测

污染物浓度状况的比较

分析

课题四

多模式模拟

大气污染物浓度分布

源清单的不确定性

课题五

临界负荷研究

污染物

控制对策环境外交战略建议

科学依据

输送机制源-受体关系源清单

东亚地区大气污染物跨界输送及其相互影响与应对策略研究

北京大学，中国环境科学研究院，中国环境监测总站，清华大学，中国科学院大气物理所

(9)

Intensive campaign

Duration: Mar.13 ^th , 2011 - Apr.26 ^th , 2011

Ground super site + flight measurement + cruise measurement

2 Superstations

Changda o

Hongze

Lake

(10)

*

(11)

Instruments Specificatioin Item

TE 49i, O3

0-1000 ppb

O3 TE 43i, Nox

0-1000 ppb

Nox TE 42i, SO2

0-1000 ppb

SO2

TSI, Size Distribution

0.03～10 µm Frequency：

10min

Size

Distribution

Nephelometer Aethalometer

3wavelength 7wavelength

aerosol absorption and scattering Chemical

Composition

Chemical Composition

Of PM2.5

Ion ,Element , OC, EC

Ship Measurement

March 17—April 7, 2011

(12)

主要内容

• 背景

• 模式简介

• 模拟结果

– 综合观测过程分析 – 模式比较验证

– 初步模拟结果

(13)

CMAQ Modelling System CMAQ version 4.7

Advection

Diffusion

Plume-in- Grid Treatment

Aerosol Chemistry

and Dynamics Gas Phase

Chemistry

Cloud Chemistry

and Dynamics

CMAQ Chemical Transport Model (CCTM)

MM5,WRF

SMOKE

JPROC Photolysis Rate

Processor ICON & BCON Initial and Boundary

Conditions Processor

LUROC Land Use Processor

MCIP Meteorology- Chemistry Interface

Processor

Process Analysis

Visualization

(14)

• Two level nesting, 200x160, 36km and 120x102 12km

• Lambert conformal projection，centered at (110E,

35N), standard parallels are 24N and 46N.

• SAPRC99 gas phase chemistry ,

• AE5 aerosol module which can simulate more

detailed SOA and heterogenic reactions .

CMAQ Model Configurations

20 Vertical Layers

 m

0 15000

0.2 12000 0.32 10200 0.44 8400 0.51 7350 0.58 6300 0.685 4725 0.755 3675 0.82 2700 0.85 2250 0.875 1875 0.9 1500 0.92 1200 0.94 900 0.96 600 0.97 450 0.98 300 0.99 150 0.995 75 0.9975 37.5

1 0

(15)

Emission Inventory to be updated in

this project

Data from other sources INTEX-B 2006 Emission Inventory

Base Year：Updated from 2007

Emission Sources: Stationary and Mobile

Pollutants: SO

₂

、NO

_X

、CO、VOCs、NH

₃

、 PM including BC.

BC: On-going projects for on-road mobile source, project for other source categories.

Emission Inventory

(16)

天然源排放模型MEGAN

 订正因子：Emission = [ε] [γ] [ρ] 逐时的分物种的VOC排放速率 γ _CE · γ _age · γ _SM

光照、温度、湿度和LAI等叶龄土壤湿度效应

 排放因子：全球30s，综合了地理位置和物种的差异因素

0 5 10 15

1 2 3 4 5 ^30s 6 7 ^30s_SM 8 9 10 11 12

(17)

主要内容

• 背景

• 模式简介

• 模拟结果

– 综合观测过程分析 – 模式比较验证

– 东亚区域初步模拟结果

(18)

Flight route of Apr. 2011 campaign

(19)

(20)

山东半岛输送

H

6:29:57 6:49:57 7:14:57 7:39:57 8:04:57 8:29:57 8:54:57 9:19:57 9:44:57

0 800 1600 2400

ALT(m)

20110411

6:29:57 6:49:57 7:14:57 7:39:57 8:04:57 8:29:57 8:54:57 9:19:57 9:44:57

0 30 60 90 120

O 3(ppb)

6:29:57 6:49:57 7:14:57 7:39:57 8:04:57 8:29:57 8:54:57 9:19:57 9:44:57

0 2 4 6 8 10

NOx(ppb)

6:29:57 6:49:57 7:14:57 7:39:57 8:04:57 8:29:57 8:54:57 9:19:57 9:44:57

0 2 4 6 8 10

SO2(ppb)

6:29:57 6:49:57 7:14:57 7:39:57 8:04:57 8:29:57 8:54:57 9:19:57 9:44:57

0 0.5 1 1.5

CO(ppm)

B C

(21)

1:42:08 2:02:08 2:27:08 2:52:08 3:17:08 3:42:08 4:07:08 4:32:08 4:57:08 5:22:08 0

800 1600 2400 3200

ALT(m)

20110412

1:42:08 2:02:08 2:27:08 2:52:08 3:17:08 3:42:08 4:07:08 4:32:08 4:57:08 5:22:08

0 30 60 90

O3(ppb)

1:42:08 2:02:08 2:27:08 2:52:08 3:17:08 3:42:08 4:07:08 4:32:08 4:57:08 5:22:08

0 2 4 6 8 10

NOx(ppb)

1:42:08 2:02:08 2:27:08 2:52:08 3:17:08 3:42:08 4:07:08 4:32:08 4:57:08 5:22:08

0 2 4 6 8 10

SO2(ppb)

1:42:08 2:02:08 2:27:08 2:52:08 3:17:08 3:42:08 4:07:08 4:32:08 4:57:08 5:22:08

0 0.5 1 1.5

CO(ppm)

B C

山东半岛-”海洋”背景

(22)

23:42:10 0:02:10 0:27:10 0:52:10 1:17:10 1:42:10 2:07:10 2:32:10 2:57:10 0

800 1600 2400 3200

ALT(m)

20110414

23:42:10 0:02:10 0:27:10 0:52:10 1:17:10 1:42:10 2:07:10 2:32:10 2:57:10

0 30 60 90 120

O3(ppb)

23:42:10 0:02:10 0:27:10 0:52:10 1:17:10 1:42:10 2:07:10 2:32:10 2:57:10

0 2 4 6 8 10

NOx(ppb)

23:42:10 0:02:10 0:27:10 0:52:10 1:17:10 1:42:10 2:07:10 2:32:10 2:57:10

0 2 4 6 8 10

SO2(ppb)

23:42:10 0:02:10 0:27:10 0:52:10 1:17:10 1:42:10 2:07:10 2:32:10 2:57:10

0 0.5 1 1.5

CO(ppm)

海洋背景，槽前 Apr. 14 ^th

1600m

1000 m

2500-3000m trough

Ú

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Qingdao

Zibo

A A

B B

C C

B C

(23)

23:02:46 23:22:46 23:47:46 0:12:46 0:37:46 1:02:46 1:27:46 1:52:46 2:17:46 2:42:46 3:07:46 0

800 1600 2400 3200

ALT(m)

20110415

23:02:46 23:22:46 23:47:46 0:12:46 0:37:46 1:02:46 1:27:46 1:52:46 2:17:46 2:42:46 3:07:46 0

30 60 90 120

O3(ppb)

23:02:46 23:22:46 23:47:46 0:12:46 0:37:46 1:02:46 1:27:46 1:52:46 2:17:46 2:42:46 3:07:46 0

2 4 6 8 10

NOx(ppb)

23:02:46 23:22:46 23:47:46 0:12:46 0:37:46 1:02:46 1:27:46 1:52:46 2:17:46 2:42:46 3:07:46 0

2 4 6 8 10

SO2(ppb)

23:02:46 23:22:46 23:47:46 0:12:46 0:37:46 1:02:46 1:27:46 1:52:46 2:17:46 2:42:46 3:07:46 0

0.5 1 1.5

CO(ppm)

Apr. 15 ^th (穿越冷锋)

3000 m

1200- 1600m

800m

Ú

Ú #### ############################################################################################## ###

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# ##

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############################################################################################################################################################################################################################

Qingdao A A

B B

Zibo

C C

B C

(24)

Wind field and SO ₂ at 1500m

(25)

04/14/15 04/15/00

弱对流，主要来自山东半岛及京津冀，1500m 下输送到黄海南部，东海北部

CMAQ SO2 conc. (ppb) along the back trajectory by hysplit

model

(26)

主要内容

• 背景

• 模式简介

• 模拟结果

– 综合观测过程分析 – 模式比较验证

– 东亚区域模拟结果

(27)

合理再现SO

₂

、NO

₂

、PM

₂₅

以及气溶胶组份浓度的变化规律

长岛 SO ₂

洪泽湖 SO ₂

长岛 NO _x

洪泽湖 NO _x

长岛 PM _2.5

洪泽湖 PM _2.5

模拟

观测

地面超级站：长岛和洪泽湖

(28)

长岛地面观测和模拟

Cold front

(29)

Apr. 13 ^th

Apr. 11 ^th Apr. 12 ^th Apr. 14 ^th

(30)

NOx (ppb)

SO

₂

(ppb)

Cruise measurement vs model results

March 17—April 7, 2011

(31)

O

₃

(ppb)

CO CO (ppm)

March 17—April 7, 2011

(32)

主要内容

• 背景

• 模式简介

• 模拟结果

– 综合观测过程分析 – 模式比较验证

– 东亚区域模拟结果

(33)

Monthly Averaged

Gaseous

Concentraion in

April, 2011

(34)

Monthly Averaged Aerosol Concentraion in April, 2011

(35)

3月颗粒物平均SO4

^2-

/SOy 4月颗粒物平均SO4

^2-

/SOy

北纬36度垂直剖面（青岛）

(36)

4月平均气溶胶SO4

^2-

/NO3

^-

3月平均气溶胶SO4

^2-

/NO3

^-

(37)

Averaged Composition of Simulated Aerosol (OC not included) for Dec.06-26, 2008

CNEMC Background Sites

0 10 20 30 40 50 60 70

ACLK

ACLJ

ACLI

ANAK

ANAJ

ANAI

AECJ

AECI

ANH4K

ANH4J

ANH4I

ANO3K

ANO3J

ANO3I

ASO4K

ASO4J

ASO4I

(38)

Tonnesen and Dennis(2000), Martin et al(2004) 2011年4月平均

2011年3月平均

HCHO/NO2, (ppbv)

>=1, NOx- limited

<1, VOC- limited

10:00---18:00

(39)

2011年3月平均 2011年4月平均

Sillman(1995), 0.28

Lu and Chang(1998)， 0.5-0.9

HCHO/NOy, (ppbv)

>=0.28, NOx-limited

<0.28, VOC- limited

10:00---18:00

(40)

2011.3 2011.04

Milford et

al(1994),Sillman(1995)

NOy, (ppbv)

>20, VOCs- limited

=<20, NOx-

limited

(41)

10:00---18:00

2011年3月平均 2011年04月平均

Sillman(1995),Tonnesen and Dennis(2000)

P(H2O2)/P(HNO3), (ppbv)

>=0.35, NOx-limited

<0.35, VOC-

limited

(42)

东亚地区源受体关系计算区域设置

(43)

CAMx臭氧生成源解析技术的试算

OSAT：分区域、分行业追踪

★

(44)

CAMx硫化物源解析技术的试算

OSAT：分区域、分行业追踪

★

(45)

谢谢！

孟凡

中國環境科學研究院大氣環境研究所 [email protected]

(46)

总结

• WRF-CMAQ区域空气质量模式系统用于模拟东亚区域的空气质量输送。气象模式结合天气形势的分析，对春季东北亚的区域输送进行了分析。进一步的分析（结合轨迹分析和CMAQ模式，CMAQ过程分析方法），以识别山东半岛“局地”和大陆区域的长距离输送。

• 模式与长岛SO2, PM2.5监测值相比略微低估，基本模拟一些大的输送过程。

Nox与CO很大程度低估。 O3数值相当，但日变化幅度不如实测明显。洪泽湖SO2 NOx PM2.5， PM10 高估。模式基本能模拟O3的水平和日变化。

• 模式与飞机和船测比较SO2和O3水平相当，Nox和CO低估。模式与飞机比较

，SO2模拟结果较好，Nox稍低，CO较大程度的低估。O3水平相当。

• 中国东部地区，一次污染物SO2, Nox， PM分布基本对应排放源分布。空气污染物的输送以硫酸盐、硝酸盐等二次污染物为主，大部分地区的硝酸盐对颗粒物的贡献已经高过硫酸盐。日本以东太平洋，南海、印度洋基本为硫酸盐,, Soy对日韩的贡献主要以硫酸盐形式。

• 模式源清单需要进一步检查和更新，生物质燃烧可能是重要的不确定性来源。污染源清单更新。更新到2009I排放源数据。

• 更多的分析方法。更多的验证工作正在进行。

(47)

201103 PAN浓度（ppbv） 201104 PAN浓度（ppbv）

10:00---18:00

(48)

201103 PAN/NOy 201104 PAN/NOy 10:00---18:00

(49)

Biogenic VOC: MEGAN

New Features

– 134 emitted chemical species

• Isoprene

• Monoterpenes

• Oxygenated compounds

• Sesquiterpenes

• Nitrogen oxide

• Lumped to 20+ categories – 1 km2 resolution （30s）

Model of Emissions of Gases and Aerosols from Nature

Controlling variables:

– vegetation

 Species

 vegetation density

 leaf area index – Meteorology

– Temperature – Light

– Climate – Season

– Water availability

(50)

• ISORROPIA II model that calculates the composition and phase state of an

• ammonia -sulfate -nitrate -chloride -sodium -calcium - potassium -magnesium -water inorganic

• aerosol in thermodynamic equilibrium with gas phase precursors.

• 3 modes

CMAQ 气溶胶模式

CMAQ 气相化学反应机理

Chemistry

• SAPRC-97 (90,93), semi-explicit, over 100

individual organic compounds.

(51)

Indicators NOx-limited (ppbv)

VOC-limited (ppbv)

References

P(H2O2)/P(HNO3) HCHO/NO2

HCHO/NOy NOy

≧0.35

≧1

≧0.28

≦20

<0.35

<1

<0.28

>20

東北亞地區空氣質量數值模擬研究