颗粒物干沉降对AERMOD模型预测大气污染的影响

颗粒物干沉降对AERMOD模型预测大气污染的影响

寿幼平 乔建哲 徐静

【摘 要】摘要:AERMOD模型是《环境影响评价技术导则—大气环境》中的推

荐模式。为了更好地验证颗粒物干沉降作用对该模型预测结果的影响，选取福

州市的煤堆场作为面源污染源，对预测范围内所有网格点PM10、TSP最大地

面浓度进行预测。结果表明:所有网格点TSP地面浓度考虑干沉降时，约为不考

虑干沉降时的0.13;PM10地面浓度考虑干沉降时，约为不考虑干沉降时的

0.70，干沉降对TSP的影响大于PM10。同一粒径分布下，密度对颗粒物干沉

降的影响较大，密度增加对可吸入颗粒物干沉降的影响大于总悬浮颗粒物，当

密度大于3 g·cm－3时，所有网格点PM10与TSP地面浓度比值的平均值接

近于0.98，认为粒径大于10 μm的颗粒物基本完全沉降。此后，随着密度增

加网格点处地面浓度的减小主要由PM10的沉降引起。AERMOD考虑干沉降

时，距离污染源中心500 m外的网格点处地面浓度，PM10/TSP＞0.98，大于

10 μm的粗颗粒几乎完全沉降。

【期刊名称】气象与环境学报

【年(卷),期】2012(028)004

【总页数】6

【关键词】关键词:AERMOD;环境影响评价;颗粒物;干沉降;密度;TSP;PM10

引言

大气干沉降主要受颗粒物粒径分布、沉降表面(下垫面)类型和粒子特定的物理、

化学性质等影响，是大气中污染物清除的主要过程之一，直接影响着空气中污

染物浓度和空气质量状况［1－3］。虽然干沉降没有湿沉降集中，但其地域广，

持续时间长。据估计，大部分地区的干沉降总量与湿沉降总量相当［4］。目前，

国内外对气溶胶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

度模拟研究［5－6］。随着对大气颗粒物研究的深入，粒径在10 μm以下的颗

粒物，粒径小，比表面积大，易于富集空气中的有毒物质，对人体健康、环境、

气候和大气能见度等造成了严重的危害，因而备受人们的关注［7］。

AERMOD是目前国际上最成熟、最先进的空气质量模型之一［8］。AERMOD

模型系统由AERMET(气象预处理模块)、AERMAP(地形前处理器)和

AERMOD(大气扩散预测模块)三部分组成，可以模拟农村或城市地区、简单或

复杂地形下点源、面源、线源、体源等污染源排放出的污染物在短期(小时平均、

日平均)和长期(年平均)的浓度分布［9］。江磊等［10］研究表明，AERMOD

模型在处理扩散参数、大气稳定度、复杂地形和混合层顶的相互作用及对流条

件扩散方向的理论先进，能较好地反映污染物的实际扩散［10］。中国颁布的

《环境影响评价技术导则—大气环境》(HJ2.2－2008)已将AERMOD列入主

要推荐模式之一［11］。为了更好地控制大气污染，模拟污染源排放的污染物

浓度分布和污染物扩散范围具有重要的意义［12］。

本文使用福州市气象站的地面观测资料和高空气象探测资料，采用AERMOD

模型预测计算点处地面浓度，对考虑干沉降和不考虑干沉降时网格点处总悬浮

颗粒物(TSP)、可吸入颗粒物(PM10)的地面浓度、同一粒径分布下密度和地形

对颗粒物干沉降的影响进行对比分析，以期为大气环境影响评价工作提供参考。

1 资料与方法

1.1 模拟区域

本次模拟以污染源的中心点(UTM坐标为745.89 km，2875.14 km)作为预测

范围的中心区域，模拟范围为50 km×50 km，采用外疏内密法布设网格点，

外层网格间距为1 km，项目周边2 km范围网格间距为0.1 km。污染源为福

州市某个煤堆场，煤堆场的长宽均为100 m，排放高度为5 m，颗粒物的密度

为1.9 g·cm－3。颗粒物的粒径分布采用天津地质矿产研究所对煤炭粒径的实

测结果，粒径分布特征列于表1，根据颗粒物的粒径分布特征，PM10占TSP

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

－6g·m－2·s－1。本次以此作为源强进行预测。地面气象资料引用2008年福

州市气象站逐时观测资料，从 /raobs网站下载2008年中

国福州市高空气象探测资料，由网站下载美国地形勘探局

数据。模拟区域的地形呈东、西两侧低，南、北两侧高，中间较为平坦，海拔

高度最大值为532 m，最小值为0 m(图1)。

1.2 模拟方法

AERMOD模型假设污染物的浓度分布在一定程度上服从高斯分布。在考虑地

形(包括地面障碍物)对污染物浓度分布的影响时，使用了分界流线的概念，将

扩散流场分为两层结构，下层流场保持水平绕过障碍物，而上层流场则抬升越

过障碍物。任一网格点的浓度值就是这两种烟羽浓度加权之后的总和。

AERMOD模型假设一网格点(Xr，Yr，Zr)考虑地形影响时的总质量浓度一般为:

式(1)中，Cc，s{Xr，Yr，Zp}为水平烟羽的质量浓度(下标c和s分别代表对流

和稳定条件)，即不考虑地形影响时的质量浓度(μg·m －3)，CT{Xr，Yr，Zr}为

总质量浓度(μg·m －3);Zp为点(Xr，Yr，Zr)的有效高度(m);Zr 为该点高(m);Cc，

s{Xr，Yr，Zp}为沿地形抬升烟羽的质量浓度(μg·m－3);f为两种烟羽的权函数，

无量纲。对流和稳定条件下质量浓度的一般式:

式(2)中，u 为有效风速(m·s－1);Py{y，x}和 Pz{z，x}分别为水平(y)、垂直(z)方

向浓度分布的概率密度函数。

1.3 模拟内容

在考虑地形的情况下，模拟对比了考虑干沉降与不考虑干沉降时所有网格点

TSP、PM10地面浓度的关系，并且在保持同一粒径分布下，模拟了不同密度

对所有网格点TSP、PM10的地面浓度的影响。同时还研究了考虑干沉降时地

形对所有网格点TSP、PM10地面浓度的影响。

2 结果分析

2.1 干沉降对模拟范围内不同距离TSP和PM10地面浓度的影响

图2给出了考虑干沉降与不考虑干沉降时所有网格点TSP、PM10小时浓度的

相关性，表明干沉降和不考虑干沉降时，TSP的相关性R2=0.59、PM10的相

关性R2=0.99，PM10的相关性明显优于TSP的相关性。同时，所有网格点处

TSP的浓度考虑干沉降时，约为不考虑干沉降时的0.13;所有网格点处PM10

浓度考虑干沉降时，约为不考虑干沉降时的0.70。因此，认为干沉降对TSP的

影响要大于PM10，PM10中粒径较大的颗粒也比较容易沉降。大气导则中认

为，粒径小于15 μm的污染物亦可划为气态污染物［11］，对于颗粒态污染物

PM10，本研究发现干沉降对其地面浓度的影响较大，因此，采用AERMOD

模型预测颗粒态污染物TSP、PM10时，要充分考虑干沉降的影响。

对于颗粒态污染物TSP和PM10，当不考虑干沉降时，所有网格点PM10与

TSP浓度呈现明显线性相关(图 3)，PM10/TSP所有网格点的平均值为16.92%，

这与PM10和TSP污染物源强的比值相一致。这是由于不考虑干沉降时，

AERMOD预测网格点的浓度主要取决于污染源扩散过程中水平烟羽和沿山体

抬升的垂直方向烟羽的加权和，烟羽浓度与源强成正比［13］。图4给出了考

虑干沉降时所有网格点PM10与 TSP浓度相关性。图4表明，PM10与TSP

的相关性不考虑干沉降时，明显优于考虑干沉降时，低浓度范围各个网格点

PM10与TSP浓度差异较小，高浓度时各个网格点PM10与TSP浓度差异较

大。这是由于高浓度出现在污染源周边的网格点，此时由于沉降时间较短，颗

粒物中的大颗粒还没来得及完全沉降。颗粒物的重力沉降速度可用斯托 克斯定

律求出。图5为根据斯托克斯定律计算本次模拟粒径分布特征下颗粒物的沉降

速度，可以看出，当粒径小于 10 μm时(重力沉降速度为 0.04—0.44cm·s－1)，

颗粒物的沉降速度很小;当粒径大于10 μm时(重力沉降速度为2.08—

57.75cm·s－1)，颗粒物的沉降速度有了明显的升高，粒径大于10 μm大颗粒

的沉降速度远远大于PM10的沉降速度。考虑干沉降时网格点处的PM10/TSP

平均值为0.94，明显大于不考虑干沉降时PM10/TSP平均值0.17，这与斯托

克律定律计算沉降速度时的规律相一致，粒径大于10 μm的颗粒物由于干沉降

作用而迅速沉降。

基于考虑干沉降时，PM10/TSP的比值与预测网格点到面源中心的直线距离(d)

的关系，可以从一定程度上反映TSP的影响范围。预测结果表明，当d＞500

m时，PM10/TSP＞0.98，因此，可以认为距污染源500 m外粒径大于10

μm粗颗粒基本沉降。图6绘出了500 m距离范围内可吸入颗粒物与总悬浮颗

粒物的比值，可以看出，PM10/TSP的比值与距离呈现较好的对数相关。由于

沉降对PM10的影响较小(图2)，因此，用初始时PM10/TSP的比值0.17与

考虑沉降后PM10/TSP的比值进行比较，可以较为直观地反应出TSP沉降的

百分比。距离污染源中心100、200、300 m 和400 m处PM10/TSP的比值

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

80.57%、82.02%和82.58%。

2.2 颗粒物密度对干沉降的影响

颗粒物的干沉降与颗粒物的粒径分布特征、密度、空气运动粘滞系数等有关

［14］。模拟了在同一颗粒物粒径分布特征下不同密度时所有网格点TSP和

PM10的浓度。图7为所有网格点TSP、PM10的平均浓度随密度变化特征。

随着密度的增加，所有网格点PM10、TSP的平均浓度减少，网格点TSP的浓

度变化减缓，而网格点处PM10浓度与密度呈现较好的线性相关。当密度介于

1—3 g·cm－3之间时，所有网格点TSP的平均浓度随着密度增加而明显减少，

当密度大于3 g·cm－3时，所有网格点TSP平均浓度减小幅度与PM10平均

浓度的减小幅度相当。对所有网格点PM10/TSP比值平均值的研究，可以较好

地反映出密度对PM10和TSP沉降贡献的大小。图8给出了所有网格点

PM10/TSP平均值随密度的变化特征，可以看出，当密度介于1—3 g·cm－3

之间时，随着密度增加，PM10/TSP比值明显增大;而当密度大于3 g·cm－3

时，PM10/TSP比值变化趋于缓慢。结合图7，当密度介于1—3 g·cm－3之

间时，密度增加对 TSP沉降作用的贡献较大;而当密度大于3 g·cm－3时，

PM10/TSP接近于0.98。此后，随着密度增加，网格点处PM10浓度的减小

量大于网格点处TSP浓度的减小量，认为TSP基本上全部沉降，随着密度增加

网格点处颗粒物浓度的减少主要由PM10的沉降引起。

2.3 地形对网格点处浓度的影响

图9给出了考虑干沉降时，考虑地形和不考虑地形时所有网格点TSP、PM10

小时浓度的等值线。大气污染物的水平扩散和垂直对流主要受风速和温度梯度

的影响［15］。研究表明，当风速小于6 m·s－1时，扩散作用占主导地位［16

－17］。根据 2008 年福州市地面气象资料，常年平均风速为2.4 m·s－1，因

此，本研究中水平扩散作用占主导地位。不考虑地形时网格点处TSP、PM10

浓度主要受风速的影响，呈现较为均匀的分布特征。结合地形(图1)，考虑地形

时污染物分布与地形特征较为一致，这是由于南、北两侧山地、丘陵地形对气

流起到阻挡的作用，容易使污染物滞留，因而南、北两侧地形海拔较高处污染

物浓度较低。东、西两侧地势较为平坦，受南、北两侧山地、丘陵地形滞流的

污染物影响，因而考虑地形时，东、西两侧地形平坦处污染物浓度较高。采用

AERMOD模拟时，考虑地形时污染物的输送扩散过程更符合实际情况。对比

TSP和PM10的等值线图发现差异较小。对考虑地形和不考虑地形时网格点处

TSP、PM10的浓度比较，考虑地形和不考虑地形网格点处TSP、PM10的浓

度呈线性相关且其斜率接近于1，计算干沉降时考虑地形和不考虑地形网格点

处 PM10、TSP平均浓度分别为2.53、2.54、3.31 μg·m－3和 3.32 μg·m －

3，计算干沉降时网格点处 PM10、TSP浓度受地形的影响较小。在实际应用

中，虽然地形对污染物的等值线图影响较大，但是当建设项目周边地形简单时，

采用AERMOD预测TSP、PM10可以不考虑地形的影响。

3 结论与讨论

(1)TSP浓度考虑干沉降时，约为不考虑干沉降时的0.13;PM10浓度考虑干沉

降时，约为不考虑干沉降时的0.70。AERMOD模型预测 TSP、PM10时，要

充分考虑干沉降的影响，干沉降对TSP的影响大于PM10。

(2)考虑干沉降时，网格点处的PM10/TSP平均值为0.94。在同一粒径分布下，

改变颗粒物的密度对TSP、PM10沉降的贡献作用不同，当密度介于1—3

g·cm－3时，密度增加对TSP沉降的贡献率较大。密度大于3 g·cm －3时，

PM10/TSP 接近于 0.98，密度增加对于TSP和PM10沉降的贡献相当，粒径

大于10 μm的颗粒物基本沉降，网格点处TSP浓度的降低主要由粒径小于10

μm颗粒物的沉降引起。

(3)采用 AERMOD预测 TSP、PM10时，应考虑干沉降影响，距污染源500 m

外粒径大于10 μm粗颗粒基本沉降。当污染源周边为简单地形时，可以不考虑

地形的影响。

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基金项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(TKS100217)。