顆粒物干沉降對AERMOD模型預測大氣污染的影響

顆粒物干沉降對AERMOD模型預測大氣污染的影響

壽幼平 喬建哲 徐靜

【摘 要】摘要:AERMOD模型是《環境影響評價技術導則—大氣環境》中的推

薦模式。為了更好地驗證顆粒物干沉降作用對該模型預測結果的影響，選取福

州市的煤堆場作為面源污染源，對預測范圍內所有網格點PM10、TSP最大地

面濃度進行預測。結果表明:所有網格點TSP地面濃度考慮干沉降時，約為不考

慮干沉降時的0.13;PM10地面濃度考慮干沉降時，約為不考慮干沉降時的

0.70，干沉降對TSP的影響大于PM10。同一粒徑分布下，密度對顆粒物干沉

降的影響較大，密度增加對可吸入顆粒物干沉降的影響大于總懸浮顆粒物，當

密度大于3 g·cm－3時，所有網格點PM10與TSP地面濃度比值的平均值接

近于0.98，認為粒徑大于10 μm的顆粒物基本完全沉降。此后，隨著密度增

加網格點處地面濃度的減小主要由PM10的沉降引起。AERMOD考慮干沉降

時，距離污染源中心500 m外的網格點處地面濃度，PM10/TSP＞0.98，大于

10 μm的粗顆粒幾乎完全沉降。

【期刊名稱】氣象與環境學報

【年(卷),期】2012(028)004

【總頁數】6

【關鍵詞】關鍵詞:AERMOD;環境影響評價;顆粒物;干沉降;密度;TSP;PM10

引言

大氣干沉降主要受顆粒物粒徑分布、沉降表面(下墊面)類型和粒子特定的物理、

化學性質等影響，是大氣中污染物清除的主要過程之一，直接影響著空氣中污

染物濃度和空氣質量狀況［1－3］。雖然干沉降沒有濕沉降集中，但其地域廣，

持續時間長。據估計，大部分地區的干沉降總量與濕沉降總量相當［4］。目前，

國內外對氣溶膠干沉降的研究主要集中在特定尺度粒子干沉降通量和干沉降速

度模擬研究［5－6］。隨著對大氣顆粒物研究的深入，粒徑在10 μm以下的顆

粒物，粒徑小，比表面積大，易于富集空氣中的有毒物質，對人體健康、環境、

氣候和大氣能見度等造成了嚴重的危害，因而備受人們的關注［7］。

AERMOD是目前國際上最成熟、最先進的空氣質量模型之一［8］。AERMOD

模型系統由AERMET(氣象預處理模塊)、AERMAP(地形前處理器)和

AERMOD(大氣擴散預測模塊)三部分組成，可以模擬農村或城市地區、簡單或

復雜地形下點源、面源、線源、體源等污染源排放出的污染物在短期(小時平均、

日平均)和長期(年平均)的濃度分布［9］。江磊等［10］研究表明，AERMOD

模型在處理擴散參數、大氣穩定度、復雜地形和混合層頂的相互作用及對流條

件擴散方向的理論先進，能較好地反映污染物的實際擴散［10］。中國頒布的

《環境影響評價技術導則—大氣環境》(HJ2.2－2008)已將AERMOD列入主

要推薦模式之一［11］。為了更好地控制大氣污染，模擬污染源排放的污染物

濃度分布和污染物擴散范圍具有重要的意義［12］。

本文使用福州市氣象站的地面觀測資料和高空氣象探測資料，采用AERMOD

模型預測計算點處地面濃度，對考慮干沉降和不考慮干沉降時網格點處總懸浮

顆粒物(TSP)、可吸入顆粒物(PM10)的地面濃度、同一粒徑分布下密度和地形

對顆粒物干沉降的影響進行對比分析，以期為大氣環境影響評價工作提供參考。

1 資料與方法

1.1 模擬區域

本次模擬以污染源的中心點(UTM坐標為745.89 km，2875.14 km)作為預測

范圍的中心區域，模擬范圍為50 km×50 km，采用外疏內密法布設網格點，

外層網格間距為1 km，項目周邊2 km范圍網格間距為0.1 km。污染源為福

州市某個煤堆場，煤堆場的長寬均為100 m，排放高度為5 m，顆粒物的密度

為1.9 g·cm－3。顆粒物的粒徑分布采用天津地質礦產研究所對煤炭粒徑的實

測結果，粒徑分布特征列于表1，根據顆粒物的粒徑分布特征，PM10占TSP

的16.92%，TSP的源強為1×10－5g·m－2·s－1，PM10的源強為1.692×10

－6g·m－2·s－1。本次以此作為源強進行預測。地面氣象資料引用2008年福

州市氣象站逐時觀測資料，從 /raobs網站下載2008年中

國福州市高空氣象探測資料，由網站下載美國地形勘探局

數據。模擬區域的地形呈東、西兩側低，南、北兩側高，中間較為平坦，海拔

高度最大值為532 m，最小值為0 m(圖1)。

1.2 模擬方法

AERMOD模型假設污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。在考慮地

形(包括地面障礙物)對污染物濃度分布的影響時，使用了分界流線的概念，將

擴散流場分為兩層結構，下層流場保持水平繞過障礙物，而上層流場則抬升越

過障礙物。任一網格點的濃度值就是這兩種煙羽濃度加權之后的總和。

AERMOD模型假設一網格點(Xr，Yr，Zr)考慮地形影響時的總質量濃度一般為:

式(1)中，Cc，s{Xr，Yr，Zp}為水平煙羽的質量濃度(下標c和s分別代表對流

和穩定條件)，即不考慮地形影響時的質量濃度(μg·m －3)，CT{Xr，Yr，Zr}為

總質量濃度(μg·m －3);Zp為點(Xr，Yr，Zr)的有效高度(m);Zr 為該點高(m);Cc，

s{Xr，Yr，Zp}為沿地形抬升煙羽的質量濃度(μg·m－3);f為兩種煙羽的權函數，

無量綱。對流和穩定條件下質量濃度的一般式:

式(2)中，u 為有效風速(m·s－1);Py{y，x}和 Pz{z，x}分別為水平(y)、垂直(z)方

向濃度分布的概率密度函數。

1.3 模擬內容

在考慮地形的情況下，模擬對比了考慮干沉降與不考慮干沉降時所有網格點

TSP、PM10地面濃度的關系，并且在保持同一粒徑分布下，模擬了不同密度

對所有網格點TSP、PM10的地面濃度的影響。同時還研究了考慮干沉降時地

形對所有網格點TSP、PM10地面濃度的影響。

2 結果分析

2.1 干沉降對模擬范圍內不同距離TSP和PM10地面濃度的影響

圖2給出了考慮干沉降與不考慮干沉降時所有網格點TSP、PM10小時濃度的

相關性，表明干沉降和不考慮干沉降時，TSP的相關性R2=0.59、PM10的相

關性R2=0.99，PM10的相關性明顯優于TSP的相關性。同時，所有網格點處

TSP的濃度考慮干沉降時，約為不考慮干沉降時的0.13;所有網格點處PM10

濃度考慮干沉降時，約為不考慮干沉降時的0.70。因此，認為干沉降對TSP的

影響要大于PM10，PM10中粒徑較大的顆粒也比較容易沉降。大氣導則中認

為，粒徑小于15 μm的污染物亦可劃為氣態污染物［11］，對于顆粒態污染物

PM10，本研究發現干沉降對其地面濃度的影響較大，因此，采用AERMOD

模型預測顆粒態污染物TSP、PM10時，要充分考慮干沉降的影響。

對于顆粒態污染物TSP和PM10，當不考慮干沉降時，所有網格點PM10與

TSP濃度呈現明顯線性相關(圖 3)，PM10/TSP所有網格點的平均值為16.92%，

這與PM10和TSP污染物源強的比值相一致。這是由于不考慮干沉降時，

AERMOD預測網格點的濃度主要取決于污染源擴散過程中水平煙羽和沿山體

抬升的垂直方向煙羽的加權和，煙羽濃度與源強成正比［13］。圖4給出了考

慮干沉降時所有網格點PM10與 TSP濃度相關性。圖4表明，PM10與TSP

的相關性不考慮干沉降時，明顯優于考慮干沉降時，低濃度范圍各個網格點

PM10與TSP濃度差異較小，高濃度時各個網格點PM10與TSP濃度差異較

大。這是由于高濃度出現在污染源周邊的網格點，此時由于沉降時間較短，顆

粒物中的大顆粒還沒來得及完全沉降。顆粒物的重力沉降速度可用斯托 克斯定

律求出。圖5為根據斯托克斯定律計算本次模擬粒徑分布特征下顆粒物的沉降

速度，可以看出，當粒徑小于 10 μm時(重力沉降速度為 0.04—0.44cm·s－1)，

顆粒物的沉降速度很小;當粒徑大于10 μm時(重力沉降速度為2.08—

57.75cm·s－1)，顆粒物的沉降速度有了明顯的升高，粒徑大于10 μm大顆粒

的沉降速度遠遠大于PM10的沉降速度。考慮干沉降時網格點處的PM10/TSP

平均值為0.94，明顯大于不考慮干沉降時PM10/TSP平均值0.17，這與斯托

克律定律計算沉降速度時的規律相一致，粒徑大于10 μm的顆粒物由于干沉降

作用而迅速沉降。

基于考慮干沉降時，PM10/TSP的比值與預測網格點到面源中心的直線距離(d)

的關系，可以從一定程度上反映TSP的影響范圍。預測結果表明，當d＞500

m時，PM10/TSP＞0.98，因此，可以認為距污染源500 m外粒徑大于10

μm粗顆粒基本沉降。圖6繪出了500 m距離范圍內可吸入顆粒物與總懸浮顆

粒物的比值，可以看出，PM10/TSP的比值與距離呈現較好的對數相關。由于

沉降對PM10的影響較小(圖2)，因此，用初始時PM10/TSP的比值0.17與

考慮沉降后PM10/TSP的比值進行比較，可以較為直觀地反應出TSP沉降的

百分比。距離污染源中心100、200、300 m 和400 m處PM10/TSP的比值

分別為0.62、0.87、0.94 和0.97，TSP 的沉降百分比分別為72.74%、

80.57%、82.02%和82.58%。

2.2 顆粒物密度對干沉降的影響

顆粒物的干沉降與顆粒物的粒徑分布特征、密度、空氣運動粘滯系數等有關

［14］。模擬了在同一顆粒物粒徑分布特征下不同密度時所有網格點TSP和

PM10的濃度。圖7為所有網格點TSP、PM10的平均濃度隨密度變化特征。

隨著密度的增加，所有網格點PM10、TSP的平均濃度減少，網格點TSP的濃

度變化減緩，而網格點處PM10濃度與密度呈現較好的線性相關。當密度介于

1—3 g·cm－3之間時，所有網格點TSP的平均濃度隨著密度增加而明顯減少，

當密度大于3 g·cm－3時，所有網格點TSP平均濃度減小幅度與PM10平均

濃度的減小幅度相當。對所有網格點PM10/TSP比值平均值的研究，可以較好

地反映出密度對PM10和TSP沉降貢獻的大小。圖8給出了所有網格點

PM10/TSP平均值隨密度的變化特征，可以看出，當密度介于1—3 g·cm－3

之間時，隨著密度增加，PM10/TSP比值明顯增大;而當密度大于3 g·cm－3

時，PM10/TSP比值變化趨于緩慢。結合圖7，當密度介于1—3 g·cm－3之

間時，密度增加對 TSP沉降作用的貢獻較大;而當密度大于3 g·cm－3時，

PM10/TSP接近于0.98。此后，隨著密度增加，網格點處PM10濃度的減小

量大于網格點處TSP濃度的減小量，認為TSP基本上全部沉降，隨著密度增加

網格點處顆粒物濃度的減少主要由PM10的沉降引起。

2.3 地形對網格點處濃度的影響

圖9給出了考慮干沉降時，考慮地形和不考慮地形時所有網格點TSP、PM10

小時濃度的等值線。大氣污染物的水平擴散和垂直對流主要受風速和溫度梯度

的影響［15］。研究表明，當風速小于6 m·s－1時，擴散作用占主導地位［16

－17］。根據 2008 年福州市地面氣象資料，常年平均風速為2.4 m·s－1，因

此，本研究中水平擴散作用占主導地位。不考慮地形時網格點處TSP、PM10

濃度主要受風速的影響，呈現較為均勻的分布特征。結合地形(圖1)，考慮地形

時污染物分布與地形特征較為一致，這是由于南、北兩側山地、丘陵地形對氣

流起到阻擋的作用，容易使污染物滯留，因而南、北兩側地形海拔較高處污染

物濃度較低。東、西兩側地勢較為平坦，受南、北兩側山地、丘陵地形滯流的

污染物影響，因而考慮地形時，東、西兩側地形平坦處污染物濃度較高。采用

AERMOD模擬時，考慮地形時污染物的輸送擴散過程更符合實際情況。對比

TSP和PM10的等值線圖發現差異較小。對考慮地形和不考慮地形時網格點處

TSP、PM10的濃度比較，考慮地形和不考慮地形網格點處TSP、PM10的濃

度呈線性相關且其斜率接近于1，計算干沉降時考慮地形和不考慮地形網格點

處 PM10、TSP平均濃度分別為2.53、2.54、3.31 μg·m－3和 3.32 μg·m －

3，計算干沉降時網格點處 PM10、TSP濃度受地形的影響較小。在實際應用

中，雖然地形對污染物的等值線圖影響較大，但是當建設項目周邊地形簡單時，

采用AERMOD預測TSP、PM10可以不考慮地形的影響。

3 結論與討論

(1)TSP濃度考慮干沉降時，約為不考慮干沉降時的0.13;PM10濃度考慮干沉

降時，約為不考慮干沉降時的0.70。AERMOD模型預測 TSP、PM10時，要

充分考慮干沉降的影響，干沉降對TSP的影響大于PM10。

(2)考慮干沉降時，網格點處的PM10/TSP平均值為0.94。在同一粒徑分布下，

改變顆粒物的密度對TSP、PM10沉降的貢獻作用不同，當密度介于1—3

g·cm－3時，密度增加對TSP沉降的貢獻率較大。密度大于3 g·cm －3時，

PM10/TSP 接近于 0.98，密度增加對于TSP和PM10沉降的貢獻相當，粒徑

大于10 μm的顆粒物基本沉降，網格點處TSP濃度的降低主要由粒徑小于10

μm顆粒物的沉降引起。

(3)采用 AERMOD預測 TSP、PM10時，應考慮干沉降影響，距污染源500 m

外粒徑大于10 μm粗顆粒基本沉降。當污染源周邊為簡單地形時，可以不考慮

地形的影響。

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基金項目:中央級公益性科研院所基本科研業務費專項資金項目(TKS100217)。