王蓉蓉,吳其重,高 超,程華瓊,王立志
(1.北京師范大學(xué) 全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京 100875;2.西安市第二十六中學(xué),西安 710000;3.中國人民解放軍63921部隊,北京 100094;4.中國科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029)
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人們對美好生活的追求和向往,出行工具需求量增大,我國機(jī)動車保有量在迅速增加。其中以北京市為代表的大城市機(jī)動車保有量增加更為顯著。機(jī)動車保有量的增加導(dǎo)致了愈發(fā)嚴(yán)重的城市交通擁堵和空氣污染問題[1]。機(jī)動車排放的大氣污染物對大氣環(huán)境質(zhì)量有著重要影響:(1)機(jī)動車直接排放的一次污染物如一氧化碳、氮氧化物等通過擴(kuò)散,在交通流密集環(huán)境中形成較高的污染;(2)機(jī)動車排放的氮氧化物和碳?xì)浠衔锸浅粞醯榷挝廴疚镏匾那绑w物,有助于區(qū)域性的大氣污染事件形成[2]。機(jī)動車源是我國大氣污染物的重要來源,在國務(wù)院發(fā)布的《大氣污染防治行動計劃》中,機(jī)動車污染防治成為了關(guān)鍵領(lǐng)域[3]。
為了有效評價和綜合分析機(jī)動車排放的污染影響,國內(nèi)外學(xué)者在不同區(qū)域不同研究背景下,創(chuàng)建并使用不同模型做了大量的研究工作。ZHANG等[4]用機(jī)動車排放因子計算模型MOBILE分析道路上重型車排放的一氧化碳和碳?xì)浠衔锏呐欧怕?,研究表明排放率對加速度的敏感性要小于對速度的敏感性。任小平等[5]利用MOBILE模型,通過情景分析法得到西安機(jī)動車排放因子。唐偉等[6]利用國際機(jī)動車排放模擬器模型 (inter?national vehicle emission simulator,IVE)得到包括溫室氣體在內(nèi)的2015年杭州市高分辨率機(jī)動車排放清單。李荔等[7]利用道路交通排放計算模型(computer program to calculate emissions from road transport,COPERT)建立了江蘇省2015年機(jī)動車高分辨率排放清單,并對污染物時空排放特征和道路分擔(dān)率進(jìn)行了分析,研究認(rèn)為徐州和蘇州中型、重型柴油貨車是主要的NOx排放源,使用國三標(biāo)準(zhǔn)的柴油車對NOx的分擔(dān)率為36%~54%。曹楊等[8]利用機(jī)動車排放模擬器(motor vehicle emis?sion simulator,MOVES)得到深圳不同尺度的排放清單,結(jié)合深圳市路網(wǎng)對機(jī)動車排放進(jìn)行時空特征分析,主干道早高峰和晚高峰污染物排放總量分別是平峰的1.75倍和1.41倍,次干道則分別是2.03倍和1.81倍。
依據(jù)區(qū)域尺度,可將機(jī)動車排放模型研究劃分為宏觀、中觀、微觀3個尺度層面[9],不同的機(jī)動車排放模型,適宜研究尺度不同。2018年6月,國務(wù)院頒發(fā)的《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計劃》中,京津冀作為重點區(qū)域之一,實行聯(lián)防聯(lián)控,機(jī)動車排放對大氣環(huán)境的影響需要有宏觀尺度層面的分析。MOBILE模型是最早引入中國的機(jī)動車排放模型,主要針對宏觀尺度的道路移動源計算,且從1978年研發(fā)以來,歷經(jīng)了11個版本的完善,目前國內(nèi)外普遍使用的版本為優(yōu)化后的2003年發(fā)布的MOBILE6.2。我國也有很多學(xué)者利用MOBILE6.2模型對各地進(jìn)行了研究,畢曄等[10]利用MOBILE6.2模型計算北京市2000年、2005年、2008年出租車的排放因子,同時計算了不同車型對排放的貢獻(xiàn)率;Wu等[11]運(yùn)用MOBILE6.2模型模擬2007年8月“環(huán)境測試賽”期間尾號限行對機(jī)動車行駛里程有影響的條件下,機(jī)動車排放的削減量,并結(jié)合空氣質(zhì)量模式定量分析了由此產(chǎn)生的NO2濃度削減量;蔣秋靜等[12]運(yùn)用MOBILE6.2模型,本地化參數(shù)后計算2011年太原市機(jī)動車排放因子;高俊等[13]運(yùn)用MOBILE6.2模型研究武漢市2014年不同車型的排放因子;郭慧等[14]運(yùn)用MOBILE6.2模型模擬2003年杭州市區(qū)機(jī)動車排放因子。但大部分都著重于短時間尺度內(nèi)區(qū)域機(jī)動車排放因子的計算,缺乏較長時間尺度機(jī)動車排放特點的研究。
本研究收集北京市空氣質(zhì)量多模式系統(tǒng)[15-16]自2008年奧運(yùn)會以來所集成的機(jī)動車排放模型MOBILE6.2估算的每日機(jī)動車排放數(shù)據(jù),由此研究長時間序列下北京市機(jī)動車排放特點,分析獲得機(jī)動車排放的3種主要污染物(CO、NOx、VOCs)月排放特征規(guī)律和不考慮機(jī)動車保有量變化的年排放總量的特征規(guī)律,這將有助于給以北京市為代表的大型城市機(jī)動車排放研究提供一種新的研究思路,為移動源治理相關(guān)政策措施的制定提供參考。
自2008年北京奧運(yùn)會以來,北京市環(huán)保部門為了更好地開展空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)測工作,在中國科學(xué)院大氣物理所科研團(tuán)隊的支持下建設(shè)了北京市空氣質(zhì)量多模式集成預(yù)報系統(tǒng)[17],該系統(tǒng)集成了稀疏矩陣排放模型(sparse matrix operator ker?nel emissions,SMOKE)統(tǒng)一處理大氣污染排放清單,耦合在線機(jī)動車排放模型MOBILE6.2,動態(tài)考慮每日氣象要素變化對機(jī)動車排放因子的影響。在2014年北京亞太經(jīng)合會議(Asia-Pacific Econom?ic Cooperation,APEC)召開前,該系統(tǒng)統(tǒng)一采用中尺度氣象模式(fifth-generation NCAR/Penn State mesoscale model,MM5)提供每日氣象場,2014年為應(yīng)對APEC空氣質(zhì)量保障需求,對多模式集成預(yù)報系統(tǒng)進(jìn)行模式版本升級,更新包括機(jī)動車源在內(nèi)的排放清單,采用新一代氣象預(yù)報模式(weath?er research and forecasting,WRF) 為SMOKE和空氣質(zhì)量多模式統(tǒng)一提供氣象場[18]。
MOBILE6.2模型是由美國環(huán)保署發(fā)布的機(jī)動車排放模型,基于大量機(jī)動車臺架測試,對機(jī)動車污染物排放數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析和回歸分析后得到一系列經(jīng)驗公式[19],將對機(jī)動車排放有顯著影響的因素設(shè)置為模型的參數(shù),通過參數(shù)選擇和調(diào)整,可實現(xiàn)模型本地化模擬。MOBILE6.2模型中,機(jī)動車排放因子受環(huán)境參數(shù)、燃油水平、車隊特征、車速、國家政策等因素影響,由此結(jié)合機(jī)動車行駛里程獲得機(jī)動車排放量。MOBILE6.2模型涵蓋了28種車型、10種排放類型和5種道路類型(如圖1),在集成到SMOKE過程中將車型歸并為8種[18]?;谄骄俣群托旭傊芷诘腗OBILE6.2模型在考慮車速對機(jī)動車排放的影響時,按照不同的道路類型和擁堵程度表征了不同的工況特征[20],考慮了高速公路、主干道、城市支路、匝道等類型道路,依此進(jìn)行機(jī)動車排放情況的模擬。同時MOBILE6.2模型接口多,可以和空氣質(zhì)量模式進(jìn)行連接,便于移動源估算結(jié)果在模式中的應(yīng)用。
圖1 MOBILE6.2模型數(shù)據(jù)庫特征Fig.1 Characteristics of MOBILE6.2 model database
本研究的數(shù)據(jù)源來自北京市空氣質(zhì)量多模式集成預(yù)報系統(tǒng)中所集成的MOBILE6.2機(jī)動車排放數(shù)據(jù),以每日統(tǒng)計報表的方式存儲模擬估算的北京市機(jī)動車排放數(shù)據(jù)。自2008年以來,共積累10多年數(shù)據(jù),期間由于停電、機(jī)房硬件環(huán)境升級等客觀原因影響,有部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失,自2008年奧運(yùn)會以來至2018年累計共收集3 152個排放日統(tǒng)計數(shù)據(jù)。本文著重分析機(jī)動車排放的一氧化碳(CO)、氮氧化物(NOx)和碳?xì)浠衔铮℉C,對應(yīng)VOCs)這三種主要大氣污染物。
2014年APEC前,由于模式系統(tǒng)升級,對排放系統(tǒng)中機(jī)動車行駛里程數(shù)據(jù)進(jìn)行更新設(shè)置,2008—2014年期間采用基于《2006北京市交通發(fā)展年度報告》[21]所估算的北京市機(jī)動車行駛里程(A方案);2014年APEC前為了更好地體現(xiàn)北京市機(jī)動車排放影響,采用《2012北京市交通發(fā)展年度報告》中典型道路機(jī)動車行駛里程等統(tǒng)計數(shù)據(jù)對機(jī)動車排放系統(tǒng)進(jìn)行更新(B方案),期間2014年9月15日至2014年11月10日,A、B兩套方案在模式系統(tǒng)中同時運(yùn)行。模式系統(tǒng)獲得的北京市每日機(jī)動車排放CO參見圖2。
圖2 模式系統(tǒng)估算的北京市機(jī)動車CO排放原始數(shù)據(jù)集Fig.2 Original dataset of Beijing motor vehicles CO emis?sions estimated from MOBILE6.2 system
A方案和B方案均基于MOBILE6.2模型北京市本地化之后的參數(shù)方案(圖3),兩套方案相同點:(1)都是從多模式集成預(yù)報系統(tǒng)的每日氣象模擬結(jié)果中獲得當(dāng)日的溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù);(2)采用的MOBILE6.2模型數(shù)據(jù)庫和北京市本地化參數(shù)方案相同,即道路類型、車型分類、燃油參數(shù)(含硫量、雷特蒸汽壓等)等一系列影響排放因子估算的參數(shù)是相同的;(3)都是結(jié)合北京市交通路網(wǎng)和北京市交通發(fā)展年報數(shù)據(jù)得到北京市各區(qū)縣各種車型在不同道路類型上的行駛里程,進(jìn)而獲得北京市機(jī)動車排放清單。A方案和B方案的不同點主要有:(1)A方案氣象模式采用MM5模式,B方案在2014年APEC前進(jìn)行模式升級,采用WRF模式提供氣象模擬結(jié)果;(2)B方案依據(jù)《2012北京市交通發(fā)展年度報告》更新了北京市路網(wǎng)交通流。
圖3 A方案和B方案的北京市機(jī)動車排放估算異同點Fig.3 Comparison of model parameter setting in scheme A and B
受限停電、機(jī)房硬件環(huán)境升級等各種客觀因素影響,所收集的2008—2018年期間北京市機(jī)動車排放數(shù)據(jù)存在部分缺失,為實現(xiàn)機(jī)動車排放長時間序列連貫性分析,對數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)全處理。以月作為數(shù)據(jù)補(bǔ)全處理基本單元,選用能夠保障每月有70%有效樣本數(shù)據(jù)的22天作為數(shù)據(jù)劃分依據(jù),將原始數(shù)據(jù)分為三類:(1)等于標(biāo)準(zhǔn)月天數(shù)的月份數(shù)據(jù);(2)大于22天小于標(biāo)準(zhǔn)月天數(shù)的月份數(shù)據(jù);(3)小于22天的月份數(shù)據(jù)。
根據(jù)數(shù)據(jù)分類進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理:類型一數(shù)據(jù)屬于完整月份數(shù)據(jù),直接統(tǒng)計計算月排放總量;類型二數(shù)據(jù)月份樣本量雖不完整,但是樣本量夠多,可表征該月份污染物排放特征,采用缺失法補(bǔ)全估算月排放總量;類型三數(shù)據(jù)月份樣本量少,采用統(tǒng)計回歸后填充具有代表性的樣本均值估算月排放數(shù)據(jù)?;诖?,獲得了原始數(shù)據(jù)具有連貫性的月排放總量補(bǔ)全數(shù)據(jù)集(以下簡稱補(bǔ)全數(shù)據(jù)集)。
為分析同一套參數(shù)方案對機(jī)動車排放變化影響,進(jìn)而判斷特定變量(如溫度、濕度等)對污染物排放模擬的影響,需對前述A方案和B方案進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,本研究歸一化處理B方案數(shù)據(jù),獲得以A方案為基準(zhǔn)的2008—2018年北京市機(jī)動車排放數(shù)據(jù)集,即歸一化數(shù)據(jù)。基于補(bǔ)全數(shù)據(jù)和歸一化數(shù)據(jù),分析獲得2008—2018年北京市機(jī)動車大氣污染物月變化特征及長時間序列變化趨勢。
在歸一化處理過程中,因為A方案和B方案有很多共同點,主要區(qū)別在于B方案對北京市交通路網(wǎng)及交通流數(shù)據(jù)的更新,同樣是基于MOBILE6.2模型結(jié)合機(jī)動車行駛里程計算獲得機(jī)動車排放,因此,可通過A方案和B方案的相對占比關(guān)系,對B方案進(jìn)行歸一化處理。在2014.09.15—2014.11.10期間,A、B兩套方案同時運(yùn)行,故可用這一段時期的機(jī)動車排放數(shù)據(jù)獲得兩套方案的相對占比關(guān)系,該時段共計57天,4天缺失,取有效的53天數(shù)據(jù)來進(jìn)行相對占比的計算,計算公式如下:
圖4 歸一化數(shù)據(jù)相對占比分布圖Fig.4 Relative proportion distribution of normalized data
計算53個數(shù)據(jù)樣本的相對占比并統(tǒng)計分析作圖,如圖4所示:所關(guān)注的CO、NOx和VOCs這三種污染物的相對占比值均在一定范圍內(nèi)浮動,具有較好的回歸性,對這三種污染物的相對占比值求樣本平均,可獲得更為合理的分要素污染物相對占比值。計算獲得三種污染物的相對占比平均值:CO為84%,NOx為76%,VOCs為78%。以此對B方案數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理,獲得以A方案為基準(zhǔn)的2008—2018年機(jī)動車排放污染物的模擬數(shù)據(jù)。
與此同時,獲得歸一化后2008—2018年1—12月的污染物月總量樣本均值,如圖5所示,可獲知三種污染物CO、NOx、VOCs的1—12月變化趨勢:(1)機(jī)動車排放的CO月總量值隨月份變化非常明顯,呈現(xiàn)出明顯的冬季高夏季低的U形排放特征,且冬季排放值大約是夏季值的2~3倍,與北京市長期CO濃度觀測呈現(xiàn)冬季高夏季低相一致[18];(2)NOx排放月總量值也隨月份明顯變化,冬季值大約為夏季值的1.5倍;(3)VOCs排放月總量值隨月份變化不明顯。這也預(yù)示了在一年中不同季節(jié)測定機(jī)動車CO或NOx排放因子,將獲得截然不同的結(jié)論。
圖5 機(jī)動車排放月總量年變化圖Fig.5 Monthly mean values of total pollutant amount for CO,NOx,and VOCs
圖6為2008—2018年各個年份在同一月份模式系統(tǒng)中MOBILE6.2模擬的北京市機(jī)動車排放CO月總量變化圖,不存在明顯異樣月份CO月排放總量值,可驗證說明樣本均值法補(bǔ)全具有一定合理性和應(yīng)用性,但當(dāng)同一年份樣本缺失較多月份時,容易造成該年總量預(yù)估偏高,誤差有多大?如何去修正誤差?需要后續(xù)進(jìn)一步的討論,以獲取更合理缺省數(shù)據(jù)補(bǔ)全算法。同時該圖2008年8—9月CO低值恰好表征了在奧運(yùn)會及殘奧會賽事期間北京市機(jī)動車單雙號限行引起的機(jī)動車排放CO月總量減排。
圖6 2008—2018年各年CO月排放量時間序列圖Fig.6 CO monthly emissions from 2008 to 2018
經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,獲得了2008—2018年三種污染物(CO、NOx、VOCs)完整連貫的兩套機(jī)動車排放模擬數(shù)據(jù),即包含原始數(shù)據(jù)在內(nèi)的補(bǔ)全數(shù)據(jù)集和歸一化后補(bǔ)全數(shù)據(jù)集。
圖7 機(jī)動車排放CO月總量時間序列圖Fig.7 Monthly total amount of CO pollutant
圖7為機(jī)動車排放CO月總量時間序列圖,由圖可知,機(jī)動車排放CO月總量在2008—2018年有著明顯的年際變化規(guī)律,每一年份都經(jīng)歷了下降進(jìn)而上升的趨勢,進(jìn)一步說明了機(jī)動車排放CO具有明顯的季節(jié)性變化特征;與此同時,歸一化后機(jī)動車排放CO月總量大體呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢,個別年份間變化量較大,這應(yīng)該與年份特殊的氣象條件有關(guān),而MOBILE6.2模型在計算CO等機(jī)動車污染物排放的過程中考慮了環(huán)境溫濕度修正,從而導(dǎo)致了機(jī)動車模型估算的排放值變化,說明氣象條件的改變對于污染物排放的影響。
圖8是歸一化后機(jī)動車排放的氮氧化物(NOx)2008—2018年的月總量時間序列圖,由圖可知,2008—2018年機(jī)動車排放的NOx月總量變化也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢,氣候要素長期變化可能是引起這一趨勢變化的重要原因;其次,NOx排放月總量也具有明顯的季節(jié)變化特點。與此同時,收集獲得了北京市環(huán)境狀況公報[22],2010—2017年環(huán)境狀況公所公布的氮氧化物排放年總量也存在明顯的逐年下降特征,公報顯示北京市NOx排放從2010年的19.77萬噸下降到2017年的9.52萬噸。本研究獲得的北京市機(jī)動車排放和北京市環(huán)境狀況公報中機(jī)動車排放兩者下降趨勢一致。
圖8 機(jī)動車排放NOx月總量時間序列圖Fig.8 The monthly total amount of NOxpollutant
首先,依據(jù)前述原始數(shù)據(jù)補(bǔ)全算法原則,實現(xiàn)2008—2017年北京市機(jī)動車排放數(shù)據(jù)各個月份缺省補(bǔ)全,但由于2018年只有1—6月數(shù)據(jù),故僅計算獲得模式系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)補(bǔ)全后2008—2017年機(jī)動車排放年總量數(shù)據(jù),如表1所示。
表1 原始數(shù)據(jù)補(bǔ)全后2008—2017年污染物年總量Table 1 Annual amount of total pollutant for CO,NOx,and VOCs from 2008 to 2017 with the original data amended
進(jìn)一步將經(jīng)過歸一化處理后2008—2017年各個月份的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總,獲得歸一化2008—2017年機(jī)動車排放年度數(shù)據(jù)。表2包含歸一化后機(jī)動車保有量未變化情況下CO、NOx的排放年總量,可知歸一化后2009—2017年兩種污染物的年排放總量整體呈下降趨勢,其中CO年排放總量總體下降幅度最為明顯,從2009年排放總量168萬噸下降到2017年排放總量131.8萬噸,下降了約36萬噸,下降幅度約22%;NOx從2009年排放總量11.2萬噸下降到2016年排放總量6萬噸,下降了5.2萬噸,下降幅度約46%。
表2 北京市機(jī)動車保有量未變化/變化污染物年總量Table 2 Annual amount of total pollutants for the cases of vehicle ownership unchanged/changed
依據(jù)北京市交通發(fā)展年報[23],本文收集獲得2000—2017年北京市機(jī)動車保有量(表3)。2017年底,北京市機(jī)動車保有量為590.9萬輛,基于2008—2017年北京市機(jī)動車實際保有量,結(jié)合歸一化模擬結(jié)果計算獲得:考慮實際機(jī)動車保有量增長因素,2017年北京市機(jī)動車排放CO年總量可達(dá)到265.7萬噸,NOx可達(dá)到12.5萬噸,見表2。
進(jìn)一步分析2000—2018年北京市交通發(fā)展年報數(shù)據(jù)可知,在2008年以前未受北京市搖號限購影響,北京市機(jī)動車保有量年均最低增長8.1%,以8.1%增長率估算北京市機(jī)動車保有量(表2),由此估算獲得至2017年北京市機(jī)動車保有量可達(dá)到706.5萬輛,與之相對應(yīng)2017年北京市常住人口2 170.7萬,以三口之家計依然未達(dá)到飽和,以注冊駕駛員數(shù)計也未達(dá)飽和,與北京市實際機(jī)動車保有量相差100多萬輛,主要由于北京市機(jī)動車搖號限購政策引起的北京市機(jī)動車保有量抑制,然而這部分需求通過外地牌照、租賃車輛、出租車和專車需求得到等價釋放:調(diào)研數(shù)據(jù)顯示北京市機(jī)動車租賃車輛由2011年的32 092輛迅速增加到2017年的60 300輛,增加87.9%[23];2016年小汽車年均行駛里程為11 990 km,而出租車為74 466 km,后者約為前者的6倍,近年來由于快車、專車業(yè)務(wù)增長部分承擔(dān)了原屬出租車的交通需求,截至2015年6月,北京市專車數(shù)量達(dá)到9.5萬輛[24],即相當(dāng)于58.9萬輛小汽車保有量交通出行需求。因此,假定機(jī)動車保有量以2008年最低增長8.1%估算的2008—2017年機(jī)動車保有量數(shù)據(jù)是一個保守估計,由此估算2017年北京市機(jī)動車CO排放年總量將達(dá)到265.7萬噸,而NOx排放年總量將達(dá)到12.5萬噸。
表3 2000—2017年北京市機(jī)動車保有量Table 3 Beijing motor vehicle ownership from 2000 to 2017
本研究通過收集北京市空氣質(zhì)量多模式集成預(yù)報系統(tǒng)中MOBILE6.2模型模擬的北京市2008—2018年間機(jī)動車排放數(shù)據(jù),并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行缺失法補(bǔ)全、樣本均值法補(bǔ)全和歸一化處理,獲得長時間序列機(jī)動車排放模擬數(shù)據(jù),依此對北京市機(jī)動車排放進(jìn)行較長時間尺度的排放特點分析,主要結(jié)論如下:
(1)利用統(tǒng)計回歸后具有代表性的樣本均值數(shù)據(jù),獲得1—12月污染物月排放總量樣本均值,機(jī)動車排放的三類主要污染物(CO、NOx、VOCs)隨著月份變化有著不同的變化趨勢,其中CO月排放總量呈現(xiàn)冬高夏低的U形排放特征,冬季值大約是夏季值的2~3倍;NOx類似,冬季值大約是夏季值的1.5倍;VOCs月份變化和季節(jié)變化不明顯。
(2)歸一化后,機(jī)動車排放三類主要污染物月總量隨年份變化均有下降趨勢,這一結(jié)果與氣象模式提供的每日溫度、濕度等氣象條件有關(guān),氣象要素是機(jī)動車排放的主要修訂因子。
(3)歸一化后,機(jī)動車年排放總量逐年降低,其中CO年排放總量下降幅度最大,從2009年排放總量168萬噸下降到2017年排放總量131.8萬噸,下降幅度約22%;NOx從2009年排放總量11.2萬噸下降到2016年排放總量6萬噸,下降幅度約46%。以2008年前機(jī)動車保有量最低年增長8.1%估算北京市2008—2017年機(jī)動車保有量,北京市機(jī)動車排放CO年總量將在2017年達(dá)到265.7萬噸,NOx年總量將達(dá)到12.5萬噸。