我国中东部一次春季区域性灰霾事件中气溶胶跨城市群区域输送效果评估外文翻译资料

 2022-12-03 14:41:29

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我国中东部一次春季区域性灰霾事件中气溶胶跨城市群区域输送效果评估

李杰，王自发，黄慧丽，胡敏，孟凡，孙业乐，王喜全，王跃思，王倩

（2012年11月8号收到初稿，2013年4月15号最终定稿）

摘要

从2000年开始中国东部区域性灰霾事件多发并被频繁报道。最新研究进展中，通过观察和带有在线追踪标记技术模块的三维区域化学传输模型（NAQPMS）模拟检测到2011年春季中国东部发生了两次重大区域灰霾事件。该模式精确模拟再现了PM2.5浓度，其相关系数在0.52到0.76范围内，并且中国东部四个城市群（长三角，山东半岛，华北平原和辽宁中部）的均方根误差（RMSE）为20~50。结论显示在这些区域形成高PM2.5浓度事件过程中，在近地面2km内从长三角区域到辽宁中部的向北跨区域传输过程起到了重要作用。从外城市群输送污染物至本地的贡献从南到北表现出了增长的趋势。在两次污染事件中，辽宁中部（四个城市群中最北边）从外城市群输送污染物进来占该地区污染物浓度的40~50%。相比之下，长三角地区（四个城市群中的最南边）要低10%。传输过程中各城市群间污染物的混合积累是这个趋势形成的原因。此外，一次预测显示在高PM2.5浓度事件过程中PM2.5的跨区域输送可能会增加0.5~3%的日死亡率。

关键词：区域性灰霾，跨城市群输送，细颗粒物，中国东部。

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  1. 引言

在过去的几十年里，中国正经历着史无前例的大范围城市化过程。到2011年底时，城市人口已占到全国总人口数的51.3%，与1990年相比增加了26%。人口的高浓度集中引起了一系列的大气环境问题，其中区域性灰霾问题是这些大气污染问题中最为严重的。（He等，2002）特别是新兴高速发展的城市群[华北平原（HBP），山东半岛（SD），长三角地区（YRD）]和旧的工业区[辽宁中部（CL）]（补充中的图S1）。区域性灰霾污染已经变成了常见现象并且每个月发生总时长超过十天（Tao等，2012；Zhang等，2012）。更糟糕的是，从1980年开始灰霾天数在持续快速增加（从1980年的50天到2000年的100天）（Zhang等，2012）人为排放造成的气溶胶释放和气溶胶的跨城市群输送造成了大气的低能见度并危害着人类健康，通过对16个城市和乡村地区的大气观测显示，我国城市PM10（颗粒物直径为10及以下）年平均浓度达到了200，大大超出了国家二级标准：70（Zhang等，2012）。甚至农村PM10年平均浓度也超过了100。这意味着我国城市和乡村气溶胶浓度变得越来越一致了。最近，决策者们意识到污染物在城市群间的跨区域传输是造成这一现象的重要因素。北京作为一个拥有一千两百万人口的超大城市，当地20~50%的PM10浓度由华北平原城市群（北京，天津和河北省）的其他城市传输过来（Wang等，2008）。长三角地区（上海，江苏，浙江省）发生着类似的情况（Wang等，2007）。气溶胶跨区域输送效应在乡村地区更为显著。Ge等（2012）的研究显示在HBP内城市烟羽的区域传输对乡村二次污染物浓度的贡献是乡村本地源排放形成的三倍还要多。考虑到跨区域输送的重要作用，中国国务院推行了区域联防联控政策来减少大气污染物浓度并改善区域空气质量。这项政策规定城市群中的城市要在统一化的计划和协调下采取措施以有效的预防污染物跨区域输送。十三个城市群（包括HBP,YRD,CL,SD和珠三角区域）被标记为关键的城市群。

然而，最近通过卫星观察显示，灰霾扩散范围已经从一个城市群增加到了两个乃至三个尝试群（Tao等，2012）。通过使用区域化学传输模式和两个高山站点的观测，Wang等（2006）和Li等（2008）发现YRD区域的跨区域传送导致区域二次污染物遍及YRD,SD和HBP。此外，Wang等（2011）和Yang等（2012）发现，在一次灰霾事件中，污染物在HBO和CL之间跨区域传输时，一个城市群的控制排放是不足以减轻区域灰霾事件的发生，而临近城市群的努力也是至关重要的。

为了研究YRD，HB，PSD和CL空气污染物化学组分和传输过程，北京大学（PK U）、中国环境科学研究院（CRAES）和中科院大气物理研究所（IAP/CAS）组织了一场关于中国东部典型海岸地区空气污染物研究的运动（CAPTAIN），选址位于两个偏远地区站点[chaodao（120.7°E,37.96°N，0m a.s.1）和hongze lake(118.46°E,33.33°N,13m a.s.1)展示在图1上]，时间是2011年3月25日到2011年4月15日。两次涉及到HBP，SD和CL城市群的灰霾事件都被观察到了，其特征是在城市和乡村地区能见度均减少到了4~8km并且PM2.5和PM10浓度分别超过了100和200，这两次事件提供了一个极好的机会来调查污染物跨城市群输送对中国区域性灰霾结构的影响。

当前研究的目的是定量描述在区域背景值下涉及YRD,HBP,SD和CL区域的气溶胶跨城市群输送的效果。我们将使用带有在线追踪标记技术模块的区域化学传输模式（NAQPMS），并将其结果与污染物化学组分观测值进行定量比较从而观察该模式的表现情况。在这篇文章里，关于NAQPMS的介绍和校验将在第2、3小节中给出，第4节将定量评估气溶胶跨城市群输送对区域颗粒物浓度的影响，第5节将简要评价一下气溶胶跨城市群输送对人类生命健康的影响。

图1. 展示了这篇文章中NAQPMS使用的两重嵌套区域，图上也展示了表1中描述的为了使用在线示踪技术而进行的区域分离（大写字母），标记的实心方块区域是九个站点的位置。

  1. 模式和观测

2.1模式介绍

嵌套网格空气质量数值预报模式（NAQPMS）是一个全模块化的三维区域欧拉化学传输模型，计算领域由中尺度计量模式WRF-ARW3.0提供，空气污染物反应的物理化学计算由解决地形坐标中的大量平衡等式再现完成（Li等，2007,2008,2011）。带有53种化学物质和133项反应式的碳键机制Z（CBM-Z）被用于NAQPMS模式中的气相化学机制中（Zaveri和Peters,1999）。NAQPMS用了一种气溶胶热动力学模式（ISORROPIAI1.7）来计算含氨、硫酸盐、氯化物、钠和水等的无机气溶胶化学组分和相态（Nenes等，1998）。六种SOAs 被明确处理，两种来自人为前体物（甲苯和更高的芳香族），四种来自生物前体物（单萜和异戊二烯）。在这次研究当中，一种形态再现被用于分配人为PM10的尺度范围，对2.5以下的两种模态（艾根核和积聚核）。海盐排放的粒子尺度在0.43~10（分为四栏）的粒子浓度计算可参考Athanasopulou等，沙尘尺寸分类抽气模块（0.43~10分成四类）适用于亚洲沙尘长距离传输（Wang等，2000）。气溶胶和奇台污染物的混合过程也可以被多样化的化学模块模拟出来（Li等，2011）。

NAQPMS一个突出的特点是在整个过程中使用在线源追踪技术定量鉴定污染物产生区域对污染物浓度空间分布的贡献。在这个模块中，污染物污染物通过形成源的地理位置被标记，每个源区的贡献是十分明确的，这和传统的敏感性分析不同，传统的方式因非线性化学关系式不清楚任何源区的贡献，Grewe等（2004）提倡在线源追踪技术更适合用于分析源区的贡献，详情可参考文献Li等（2008）。

参照补充图S1中展示出的各城市群位置，我们标记了14个气溶胶产生区域（图1和表1）。如表1中所看到的，四大城市群（YRD,HBP,SD和CL）贡献了全国55%的国民生产总值（GDP），占据了38%的国家人口，土地面积占全国面积的16%。在2007年这些地区NOX排放量达到了7.8Tg/年，占全国总排放量的45%。在这些城市群中，YRD区域排放量最大（2.7Tg/年），YRD和CL之间的距离约1000~2000km，这表明它们之间的跨距离传输可能会对我国大部分区域的空气质量造成影响。

2.2模式安装

图1展示了NAQPMS在这篇研究中使用的模式区域，它由两层嵌套区域组成，大网格分为97X77个水平网格采用80km分辨率，几乎覆盖了整个亚洲东部。小网格采用20km分辨率覆盖了中国东部地区，垂直方向上网格结构从地面到海平面往上20km处分为20层，其中近地面到2km空中细分为十层。

最新的人为排放清单(化石石油，生物燃料，工厂，交通和发电站）（2007年）来自于从点到面的亚洲区域排放清单（REAS2.0）数据分辨率为0.25°times;0.25°（在中国东部约30times;25km）。（Ohara等，2007）。生物排放清单来自由NCAR（国际大气研究中心）提供的带有ACCENTGEIA数据门户框架的生物源排放清单（Meganv2,0.5°times;0.5°，在中国东部约30times;25km），其中包含了一氧化碳，甲醛，链烷，链烯，芳香族，异戊二烯和其他的挥发性有机物。

2011年3月10号到4月10号进行了一次三维立体数值模拟，刚开始的15天被看作预处理数据以减少初始条件的影响。气象领域数据处理由WRF-ARW 3.0执行，初始和后来的边界条件由精度为2.8°的全球传输模式（MOZART-V2.4）提供。

表1. 中国东部的气溶胶生产标记区域

*区域坐标位置显示在图1上.

*2010年国内生产总值单位是元

*氮氧化物（NOX）排放数据来自于2007年拥有0.5°times;0.5°精度的亚洲区域排放清单（REAS 2.0）

2.3观测

在这篇文章中，我们选择了七个站点进行数据观测，包括两个偏远地区站点（Changdao和Xinglong）和三个郊区站点（Shanghai,hongze湖和Yanjiao）以及两个城市站点。北京大学在hongze湖和Changdao获得PM2.5观测值，详细步骤由Hu等（2013）提供。由中国科学协会（CAS）维持运行的中国环境研究网（CERN）提供了yanjiao和xinglong站的PM2.5小时观测值（Ji等，2012）上海PM2.5小时观测值由当地环境监测中心提供。两个城市站点地面PM10总浓度由中国空气污染指数（API）决定。API是官方公布的初始污染物SO2、NO2和PM10所决定的指数。参考Lasser等（2008）用一个多项式回归方程从下载的中国API指数中求解PM10总浓度。方程如下：

(1)

  1. 观测和模式评估

图2显示了包括YRD、SD、HBP和CL城市群的七个站点从2011年3月25号到4月6号PM2.5（或PM10）小时（或日）平均浓度模拟值和观测值。总体上来看，模式精确再现了短时间内变量小时和日平均浓度值，其相关系数保持在0.52~0.76（表2）。模式的8~30%的NMBs值和23~65%NMEs值也符合Boylang和Russell（2006）提出的标准。当观测浓度超2.25，NMB值在plusmn;60内且NME值超75%时表示模式能精确模拟出颗粒物特征。均根方差模拟值（20~50）比欧洲其他模式模拟结果要高出 30~75% (15~20和90%的PM10模拟平均值)。模拟值的RMSEs（20~50）超过了PM10/PM2.5平均浓度值的30~75%，这和欧洲其他模式的模拟结果是类似的（15~20和90%的PM10平均浓度模拟值）(Basart等，2012)。

值得注意的是，两次高污染事件在模式中再现的很好，3月30日到31日（阶段Ⅰ）总面积超过1000times;1000km2的四个城市群同时经历着一次高浓度可吸入颗粒物事件。兴隆，长岛和洪泽湖PM2.5观测值和模拟值均超过了70（国家二级标准）。4月4号到6号（阶段Ⅱ）气溶胶浓度模拟值为50.3（PM2.5,洪泽湖）、84.3（PM2.5，长岛）、62.1（PM2.5，兴隆）、129.8（PM10，大连）和138.1（PM10，鞍山），这些均接近于实际观测值（分别为47.5、49.7、45.3、113.3、108.7和113.3）。重要的是，鞍山、大连、长岛和洪泽湖气溶胶高浓度值时间比兴隆和燕郊早一天（4月5号到6号），而模式也准确的模拟出来了这一现象。在4月1号到3号（阶段Ⅲ）观测到颗粒物低浓度值（洪泽湖、长岛、兴隆、燕郊，大连和鞍山观测值分别为29.8、17.4、11.6、38.9、68和105），模式模拟值为28.3、18.6、7,7、34.0、50.9和83.6。

模式关于模拟气溶胶的优良表现部分归因于对风矢量的成功模拟，它使得模式能成功模拟出气溶胶在中国东部各地区间的跨城市群传输，补充的图S2展现了在整个研究时段内五个站点的风矢量模拟值与观测值间的比较。可以明确的由模式中发现在高污染时段（阶段Ⅰ和Ⅱ）内，研究地区普遍吹偏南风，而在低污染时段（阶段Ⅲ）内盛行偏北风，特别是从阶段Ⅰ到Ⅲ（4月1号）过程中能清楚的看出风向由向北吹转化为向南吹。

图2. 上海、洪

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