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目 录

1.绪论 1

1.1研究意义和目的 1

1.2国内外研究进展 1

1.2.1空气质量数值模拟研究进展 1

1.2.2大气环境容量研究进展 3

1.2.3三种大气环境容量计算方法 4

1.3研究内容和方法 6

2.玉溪区域空气质量数值预报业务系统的核心技术 7

2.1WRF-Chem大气化学模式简介 7

2.2预报平台搭建的技术路线 8

2.3人为源排放清单和模式改进 9

2.3.2地理信息资料介绍 9

2.3.3人为排放源资料简介 11

2.3.4人为排放源细化 11

2.3.5提高排放源时效性 11

2.3.6提高排放源时间分辨率的处理 11

2.4大气污染物示踪技术 12

3.玉溪区域化学天气数值预报业务系统搭建 12

3.1系统运行环境 12

3.2业务系统框架 12

3.3人为排放源 13

3.4业务流程 13

4.数值预报产品的展示及误差评估 14

4.1数值预报产品展示 14

4.2预报系统产品的误差评估 24

5.玉溪市大气环境容量的模拟估算 28

5.1基于WRF-Chem模拟估算玉溪市大气环境容量的工作介绍和技术路线 28

5.2结果和讨论 30

5.3 研究新意和不确定性 34

6.结论 35

参考文献 36

致谢 39

玉溪市空气质量数值预报系统的建立

及大气环境容量模拟估算

常嘉成

, China

Abstract：Using the meso-scale chemical-meteorology model WRF-Chem, a 4-domain-nesting air quality forecasting system with the highest resolution of 1km was built for Yuxi. Hourly forecasting for the next 72 hours of PM_2.5, PM₁₀, O₃, NO₂, SO₂, CO, VOC and AQI(Air Quality Index) have been realized for the whole area of Yuxi with a resolution of 3km and the city center with a resolution of 1km. Based on the simulation of major air pollutants for winter, spring, summer and autumn represented by January, April, July and October, respectvely, of 2015 in Yuxi, applying an iterative algorithm for assessing the atmospheric environmental capacity governed by air quality targets according to ambient air quality standards (GB3095-2012), the atmospheric environmental capacity of CO, NO_x, SO₂, primary PM_2.5 and primary PM₁₀ emissions in Yuxi have been identified as 37.225, 1.319, 1.263, 0.584, and 0.897, respectively. The atmospheric environmental capacity in the whole area and the city center of Yuxi for four seasons governed by different ratios of exceedances was achieved, which is the least in winter, is the largest in spring when not containing PM_2.5 and could serve for the air quality prediction operation, spatial different management of pollution control and pollution control strategies based on seasonal changes.

Key words: WRF-Chem; air quality numerical model system; ambient air quality compliance; atmospheric environmental capacity

1.绪论

1.1研究意义和目的

随着我国工业化的不断发展，化石燃料的大量燃烧致使得大量的污染物被排放到大气中，空气污染问题日益突出，严重威胁着人类健康和生态环境等。因此，空气质量模式以及基于空气质量模式的空气质量预报系统越来越受到大气环境领域的重视。至今为止，较为成熟的空气质量预报和监测系统已经在欧洲和北美搭建起来^[1,2]，并且其预报时效性和精度在不断的提高。在我国的京津冀、长三角和珠三角等区域空气质量预报系统也搭建起来了，并投入了业务化运行^[3]。因此各个区域包括城市尺度适合本地的空气质量预报系统的搭建很有必要。

大气环境容量的定义为当一个区域的环境空气质量刚好达到其环境功能区目标（如酸沉降临界负荷或大气污染物浓度达标）时的空气污染物的最大排放总量。大气环境容量主要取决于环境对污染物的自净能力与自净空间。我国一直将大气环境容量作为支撑国家空气质量管理决策和大气污染物总量控制的重要参照。若估算出各个季节大气环境容量，更可为大气环境质量管理的季节性污染控制提供科学依据^[4,5]。

相对于我国中东部地区，较为偏远的云贵高原地区环境气候及空气质量的研究仍有待深入。尽管云贵高原地区的大气环境相比于中东部地区更为清洁，但杨乐心^[6]得出近30多年来，整个高原区域四季的平均干能见度均逐渐降低，四季的平均霾日数均逐渐升高。玉溪市是云南省经济最为发达的城市之一，地区工业产业发展迅速, 但同时这也带来了环境的污染问题。建立玉溪市空气质量预报系统及估算玉溪市大气环境容量可为玉溪市的空气质量预测及污染控制策略提供科学依据。

1.2国内外研究进展

1.2.1空气质量数值模拟研究进展

随着中尺度气象数值模式的日趋改善和发展，空气质量数值模拟研究也随之迅速发展。Joseph等^[7]为组合驱动气象模式CALMET、光化学模式CALGRID，使用了MM5模式，于是一种每小时预报臭氧、其它主要污染物浓度以及气溶胶粒子排放的空气质量预报系统得以搭建。Otte等^[8]搭建了一个AQF空气质量预报系统，专门用于预测臭氧浓度，该系统基于气象场的初始场和化学过程。王自发等^[9,10]通过NAQPMS多重网格嵌套空气质量数值预报系统，较精确地模拟出了北京及其周边地区臭氧的输送过程及其浓度变化情况，结果表明影响污染物扩散输送的最主要气象场因素是风场。陈训来等^[11]利用数值模式Models3-CAMQ再现了一次重霾天气过程，结果表明，此次重霾过程的原因是大气边界层内污染物的累积导致了地面污染物浓度的升高。刘红年等^[12]通过南京大学NJU-CAQP空气质量预报模式对夏、冬两季节的个例进行了再现，分析得出，南京地区颗粒物消光系数在总消光系数中的比例大于95%，是能见度下降最直接的贡献者，贡献最大的是硫酸盐，再到有机物，其后依次为BC、硝酸盐、PM_coarse、土壤尘和NO₂。

离线空气质量模式Models3-CAMQ、AQF、NJU-CAQP等均需分开运行化学模式和气象模式，因为一般其化学模式使用的气象场需先运行气象模式得出。分开运行化学模式和气象模式存在几个重要缺点：第一，气象模式和化学模式使用的参数化方案可能不能达到完全一致；第二，通过插值来解决气象模式和化学模式在空间网格和时间步长上的不一致可能会造成气象过程的丢失；第三，化学场与气象场的相互影响不能被考虑^[13]。

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