CMAQ模型在烏魯木齊大氣污染治理中的應(yīng)用潛力

武傳寶，解玉磊

（華北電力大學 區(qū)域能源系統(tǒng)優(yōu)化教育部重點實驗室，北京 102206）

近幾年來，烏魯木齊的城市大氣污染問題也備受關(guān)注，尤其是在冬季采暖期，濃厚的霧霾天氣不但嚴重影響居民的身心健康和生活水平，而且影響了邊疆首府對外開放的形象。雖然近年來烏魯木齊市整治大氣污染的努力有目共睹，但隨著資源開發(fā)力度的加大，生態(tài)環(huán)境將面臨更大的壓力，有限的環(huán)境承載力與日益增長的發(fā)展需求之間的矛盾將會日益突出，給烏魯木齊市的大氣污染整治問題提出了新的挑戰(zhàn)。

一、CMAQ模型的國內(nèi)外研究進展

目前，CMAQ模型主要用于數(shù)值模擬領(lǐng)域，具體為美國環(huán)保署（EPA）開發(fā)的區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型（Models－3/CMAQ）。在CMAQ模型應(yīng)用的初始階段，研究者們大多將其應(yīng)用于模擬污染物如SO2、O3、酸沉降、PM 等的污染過程。隨著CMAQ模型應(yīng)用的逐漸成熟，相關(guān)領(lǐng)域的科技工作者不再僅僅局限于將其應(yīng)用于模擬仿真，而是嘗試著將其與Gambas、fortran等語言結(jié)合起來開發(fā)新的空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)或建立新的大氣環(huán)境容量計算方法，在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。

（一）CMAQ模型的國外研究進展

Mai Khiem［1］等應(yīng)用 CMAQ 模型對日本關(guān)東地區(qū)的O3濃度進行了數(shù)值模擬，并預(yù)測了O3模擬的影響因素；K.Wyat Appel［2］等通過模擬2006年北美和歐洲地區(qū)的 O3、PM2.5、PM10等污染物的濃度，評價了兩區(qū)域的空氣質(zhì)量；Daegyun Lee［3］等將衛(wèi)星遙感的大氣氣溶膠光學厚度產(chǎn)品應(yīng)用于CMAQ模型對氣溶膠的模擬，以更加精確可靠的評價整個美國的空氣質(zhì)量；Volker Matthias［4］等在遙感和空氣傳播實地觀測兩種條件下，利用CMAQ模型模擬比較了冰島Eyjafjallaj?kull火山噴發(fā)時火山灰分散的差異。

（二）CMAQ模型的國內(nèi)應(yīng)用實例

1.霧霾污染來源的模擬

程丹丹［5］等以 Models－3/CMAQ為核心工具，模擬計算了邯鄲市PM2.5及其主要成分、光散射系數(shù)的來源，分析造成邯鄲市霧霾污染的主要原因。模擬結(jié)果顯示：Models－3/CMAQ的應(yīng)用取得了不錯的效果，有助于所研究地區(qū)的環(huán)境管理部門進一步制定有針對性的霧霾污染控制方案。

2.臭氧污染模擬

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展而導(dǎo)致的臭氧污染問題是珠江三角洲主要的大氣污染問題之一。針對珠江三角洲地區(qū)的臭氧污染，一些研究人員此前開展了許多工作［6］。Wang等［7］運用CMAQ模型對2004年珠江三角洲空氣質(zhì)量綜合觀測實驗（PRIDE－PRD2004）［8］期間的臭氧污染進行了模擬與過程分析。

3.核泄漏事故模擬

2011年3月12日，日本福島核電站由于受強震海嘯影響，導(dǎo)致其多個反應(yīng)堆發(fā)生爆炸，進而造成大量核泄漏污染物迅速向各地排放。聶新旺等［9］采用Models－3/CMAQ，對核泄漏事故進行了模擬。該模擬旨在通過對核泄漏物質(zhì)在東亞地區(qū)的傳輸擴散進行評估分析，揭示核泄漏物質(zhì)近距離影響中國大陸的擴散路徑與危害程度。

4.基于CMAQ模型的空氣質(zhì)量預(yù)報系統(tǒng)

近年來，以“一個大氣”為主要思想的Models－3空氣質(zhì)量模型在國內(nèi)得到了應(yīng)用和發(fā)展，取得了良好的本地化效果［10－11］。陸成偉［12］等介紹了一種由Gambas語言開發(fā)的界面化CMAQ空氣質(zhì)量模擬預(yù)報系統(tǒng)。該系統(tǒng)將空氣質(zhì)量模型（CMAQ）、污染排放模式（SMOKE）和氣象模式（MM5和WRF）整合在一起，通過圖形化參數(shù)設(shè)置和自動化模塊調(diào)用實現(xiàn)空氣質(zhì)量自動模擬或預(yù)報。

5.CMAQ的大氣環(huán)境容量計算方法

大氣環(huán)境承載力分析，涉及到研究地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展問題。李莉［13］等以SO2、PM10、NO2為污染物，利用CMAQ模型及fortran語言，建立了真實條件下基于不同污染物達標率情況的月大氣環(huán)境容量的計算方法。該方法確定了不同達標率下唐山市灤縣南部地區(qū)的大氣環(huán)境容量，并確定了該地區(qū)的大氣環(huán)境承載力指標，為該地區(qū)的工業(yè)項目引入提供科學依據(jù)。

雖然國內(nèi)外的研究人員針對CMAQ模型在實際問題中的應(yīng)用開展了許多研究，但也僅僅止步于解決某個具體的環(huán)境問題或者通過比較分析、特征模擬為某個環(huán)境問題提出解決方法。此外，這些研究結(jié)果的推廣適用性也受到環(huán)境條件的限制。因為污染物的超標排放的確是引起大氣污染的一個重要原因，但如果從尊重和利用自然規(guī)律的角度來看，地理特征、氣象條件等環(huán)境條件才是導(dǎo)致大氣污染的更深層次的原因。特別是對我國這樣一個地域遼闊的國家來說，各地獨特的地理特征和復(fù)雜的氣象條件給大氣污染的治理帶來了相當大的挑戰(zhàn)。

因此，開發(fā)基于CMAQ模型的能適用于不用地理特征和氣象條件的綜合系統(tǒng)，結(jié)合降雨和徑流模型拓展CMAQ模型在大氣污染和水污染方面的交互研究就顯得尤為重要。不僅如此，我們可以考慮將CMAQ模型與RCM（區(qū)域氣候模型）、GCM（全球氣候模型）相結(jié)合，開展未來氣候變化條件下的大氣污染仿真模擬，為進一步加大區(qū)域大氣污染治理工作力度，建立統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一監(jiān)測、統(tǒng)一監(jiān)管、統(tǒng)一評估、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作機制提供技術(shù)支持。同時，可以將CMAQ模型與污染物擴散模型結(jié)合，模擬O3、PM、SO2、NOX、CO2的協(xié)同控制，大幅削減污染物排放量，推動區(qū)域經(jīng)濟與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

二、CMAQ模型在烏魯木齊的應(yīng)用建議

在烏魯木齊市的城市發(fā)展進程中，由于人們長期忽視甚至違背自然規(guī)律，過度發(fā)展工業(yè)特別是重化工工業(yè)，導(dǎo)致污染物排放量遠遠超過環(huán)境容量。加之周邊地區(qū)污染物排放逐年增多、城市能源結(jié)構(gòu)不合理、迅速增加的機動車輛尾氣排放等其他各方面因素的綜合作用，從而導(dǎo)致目前烏魯木齊市大氣污染呈現(xiàn)出煤煙型為主、汽車尾氣污染為輔的復(fù)合型污染態(tài)勢，主要污染物為PM10，其次為SO2和NO2。

伴隨著新疆“十二五”規(guī)劃的實施，在可持續(xù)發(fā)展的大背景下，新疆經(jīng)濟要想實現(xiàn)跨越式發(fā)展，必須依靠大工業(yè)的支撐，這就對整個區(qū)域的大氣環(huán)境質(zhì)量提出了更大的挑戰(zhàn)。因此，本文對CMAQ模型在烏魯木齊的應(yīng)用提出了以下幾點建議：

1.運用CAMQ模型對烏魯木齊市及其周圍城市群（昌吉市、阜康市和五家渠市）進行模擬，尋找引起烏魯木齊市大氣污染的主要污染源，核算周邊區(qū)域污染擴散對烏魯木齊大氣污染貢獻率，為城市群環(huán)境污染整治提供參考。

2.在CMAQ模型的模擬結(jié)果的指導(dǎo)下，按照總量控制的原則，削減主要污染源的污染物排放量。同時，我們可以考慮將CMAQ與ADMS等多種城市大氣污染物擴散模型結(jié)合，為廣泛開展O3、PM、SO2、NOX、CO2等多種污染物的協(xié)同減排與控制提供技術(shù)支持。

3.除此之外，伴隨著《“十二五”烏魯木齊區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控規(guī)劃》編制工作的完成，基于CMAQ模型的模擬結(jié)果，我們可以進一步推進規(guī)劃的實施進度，還烏魯木齊市民一片清澈如洗的藍天、白云。

三、結(jié)語

CMAQ模型是近年來大氣環(huán)境污染控制研究中應(yīng)用較多的［14］［15］，也是較為先進的模型。在科研工作者的探索創(chuàng)新和努力實踐下，CMAQ模型在實際應(yīng)用中越來越廣泛，取得了豐碩的成果。同時，我們要以烏魯木齊的大氣污染治理為契機，充分挖掘CMAQ模型在大氣污染治理方面的潛力，努力開發(fā)應(yīng)用CMAQ模型的新思路。

［1］Mai Khiem，Ryozo Ooka，Hong Huang，et al.A numerical study of summer ozone concentration over the Kanto area of Japan using the MM5/CMAQ model［J］.Journalof EnvironmentalSciences，2011（2）.

［2］K.Wyat Appel，Charles Chemel，Shawn J.Roselle，et al.Examination of the Community Multi－scale Air Quality（CMAQ）model performance over the North American and Europe an domains［J］.AtmosphericEnvironment，2012（53）.

［3］Daegyun Lee，Daewon W.Byun，Hyuncheol Kim，et al.Improved CMAQ predictions of particulate matter utilizing the satellite－derived aerosol optical depth［J］.Atmospheric Environment，2011（45）.

［4］Volker Matthias，Armin Aulinger，Johannes Bieser，et al.The ash dispersion over Europe during the Eyjafjallaj?kull eruption e Comp arison of CMAQ simulations to remote sensing and air－borne in－situ observations［J］.AtmosphericEnvironment，2012（48）.

［5］程丹丹，王麗濤，潘雪梅，等.基于CMAQ模型的邯鄲市霾污染來源的模擬研究［J］.河北工程大學學報，2012（2）.

［6］Chan CK，Yao X.Air pollution in mega cities in China［J］.AtmosphericEnvironment，2008（1）.

［7］Wang X，Zhang Y，Hu Y，et al.Russell AG.Process analysis and sensitivity study of regional ozone formation over the Pearl River Delta，China，during the PRIDE－PRD2004campaign using the Community Multiscale Air Quality modeling system［J］.Atmos.Chem.Phys.，2010（10）.

［8］Zhang YH，Hu M，Zhong LJ，et al.Regional integrated experiments on air quality over Pearl River Delta 2004（PRIDE－PRD2004）：Overview［J］.AtmosphericEnvironment，2008（25）.

［9］聶新旺，王益柏，孫守勛，等.應(yīng)用 Models－3/CMAQ對2011年3月日本福島核泄漏的數(shù)值研究［J］.氣象，2012（10）.

［10］鄧偉，陳懷亮，楊海鷹，等.Models－3/CMAQ模式對鄭州市大氣污染物的預(yù)報分析研究［J］.氣象環(huán)境與科學，2007（1）.

［11］李莉，陳長虹，黃成，等.長江三角洲地區(qū)大氣O3和PM10的區(qū)域污染特征模擬［J］.環(huán)境科學，2008（1）.

［12］陸成偉，劉盛余，鄒長武，等.基于CMAQ的空氣質(zhì)量模擬預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)建［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學，2012（10）.

［13］李莉，程水源，陳東升，等.基于CMAQ的大氣環(huán)境容量計算方法及控制策略［J］.環(huán)境科學與技術(shù)，2010（8）.

［14］Cheng Shuiyuan，Chen Dongsheng，Li Jian－bing，et al.An ARPS－CMAQ modeling approach for assessing the atmospheric assimilative capacity of the Beijing metropolitan region［J］.WaterAirSoilPollution，2007（181）.

［15］Cheng Shuiyuan，Chen Dongsheng，Li Jianbing，et al.The assessment of emission－source contributions to air quality by using a coupled MM5－ARPS－CMAQ modeling system：a case study in the Beijing metropolitan region，China［J］.EnvironmentalModeling＆Software，2007（11）.