利用HYSPLIT-4空气质量模型对颗粒物污染传输的分析

贾建廷

(山西太钢不锈钢股份有限公司，山西 太原 030003)

引 言

近年来，随着环保管控力度的加大，大气污染防治工作取得了很大的成效，但大气环境质量面临的形势仍然十分严峻，工业生产是空气污染的主要原因之一，与空气质量能否得到改善有偌大的关系。本文利用太原市现有国控站和城市空气质量微观站监测网监测数据，通过HYSPLIT-4空气质量模型，对工业涉气污染源开展空气质量模拟，对工业企业污染物的贡献率结构进行定性定量分析，探索从时间及空间的维度分析污染源排放对周边环境的影响，为改善环境质量提供技术支撑。

1 地形与气象条件、分析目标范围及分析方法选择

1.1 地形与气象条件

太原市位于黄土高原东部边缘，晋中盆地北端。北临忻州、西临吕梁、东临阳泉、晋中。因此，东、西、北三面环山，中部和南部为汾河冲击扇平原，地势低平，南宽北窄成扇形，北高南低逐渐倾斜，成簸箕形。

太原市春夏季主要以东南风为主导风向，秋冬季以西北风为主导风向，秋冬季天气转冷，污染物的垂直和水平扩散条件转差，重污染天气较易产生；从风的角度来看，主导风向为西北风，9月～11月份主导风向为偏北风，12月份西北风主导且风力较大(见图1)。

图1 太原市小时天气数据

1.2 分析目标范围

选取秋冬季的9月至12月，太原市气象条件较差(低气压和较大湿度、无风)，均不利于污染物扩散、污染较重(橙色预警)的时段。

所选工业企业周边的3个国控标准站，分别位于该企业北方、西南方和东南方。在太原市现有国控标准站和微观站点基础上，以该企业为中心的3 km范围内的15个微观站点作为代表该企业核心区域，3个标准站所在行政区域内以企业为中心的3 km～7 km范围内的80个微观站代表企业周边环境，依据上述背景，本报告选取的点位有：企业附近3个标准站及所在区域所有微观站点，其中，企业站点8个，道路站点17个，行政站点55个。

通过监测数据比对和HYSPLIT-4模型测算分析其典型污染过程，并以工业企业为排放释放中心，科学模拟污染物扩散传输影响范围，采用微观站数据进行传输贡献率计算，推演工业生产排放对周边空气环境质量标准站的主要贡献和周边区域的交互影响。

1.3 分析方法介绍

HYSPLIT-4模型是由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的空气资源实验室和澳大利亚气象局在过去20年间联合研发的一种用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹的专业模型。该模型具有处理多种气象要素输入场、多种物理过程和不同类型污染物排放源功能的较为完整的输送、扩散和沉降模式，已经被广泛应用于多种污染物在各个地区的传输和扩散的研究中。

HYSPLIT-4模型是一个完整的系统，它可用于计算简单的空气宗地轨迹以及复杂的运输、分散、化学转化和沉积模拟。HYSPLIT-4是大气科学界最广泛使用的大气传输和扩散模型之一，是基于污染源排放特征、时空分布特点及可获取的污染源空间地理和时间序列信息，运用气象学原理、羽流图分析，利用数学方法模拟污染源排放到环境空气中的污染变化过程的工具。HYSPLIT-4还用于描述大气污染物和有害物质的迁移、扩散和沉积的各种模拟。该模型应用的例子包括跟踪和预测放射性物质的释放、野火烟雾、风吹尘埃，来自各种固定和移动排放源的污染物、过敏原和火山灰。

2 对周边地区空气质量的影响分析

影响污染贡献传输率的因素有两方面，一是气象条件的影响，用全区域所有微观站点所选时刻的颗粒物变化率来衡量；二是站点周边环境的影响，用传输方向上微观站点的颗粒物平均浓度与其他方向上该微观站点颗粒物平均浓度的历史数据相对变化率来衡量。

2.1 使用hysplit-4模型计算对周边的影响

2.1.1 模拟时段选取

图2为9月～12月的颗粒物污染日历，分别选取颗粒物浓度相对较高9月的2、6、14、28、29日；10月选取5、14、21日；11月选取3、8、14、28、30日12月选取1、3、5日来分析该企业对周边环境污染的贡献率。

图2 9月～12月颗粒物污染日历

2.1.2 平均浓度分布

从9月～12月的扩散模拟0 m～15 m高度之间的平均浓度分布，从中选取污染物在0 m～15 m高度对市区影响较大的时间段。

2.2 模拟运行结果分析(图3～图6)

图3 9月份0 m～15 m高度的平均浓度分布

图4 10月份0 m～15 m高度的平均浓度分布

图5 11月份0 m～15 m高度的平均浓度分布

图6 12月份0 m～15 m高度的平均浓度分布

通过观察羽流图可以看到国控站在该时间段污染物覆盖程度的变化，利用hysplit-4模型计算，比较同一个站点的变化来判断污染因子对周边环境的影响。

2.2.1 9月份hysplit-4模型计算对周边的影响(见图7和表1)

图7 9月hysplit-4模型计算对周边的影响

表1 9月扩散模拟贡献率 (%)

2.2.2 10月份hysplit-4模型计算对周边的影响(见图8和表2)

图8 10月hysplit-4模型计算对周边的影响

表2 10月扩散模拟贡献率 (%)

2.2.3 11月份hysplit-4模型计算对周边的影响(见图9和表3)

图9 11月份hysplit-4模型计算对周边的影响

表3 11月扩散模拟贡献率 (%)

2.2.4 12月份hysplit-4模型计算对周边的影响(见表4和第201页图10)

表4 12月扩散模拟贡献率 (%)

图10 12月份hysplit-4模型计算对周边的影响

2.2.5 秋冬季平均贡献率(见表5)

表5 秋冬平均贡献率

3 结论

从2018年4个月的典型污染过程来看，通过利用卫星、气象、地面标准站、污染源在线监测等数据，利用hysplit-4空气质量数值模型分析秋冬季重污染天气工业企业排放对周边3个空气质量标准站的影响程度的平均贡献影响分别为1.88%、0.62%、1.15%。结果表明，利用hysplit-4空气质量数值模型能够模拟推演工业企业对周边区域颗粒物浓度大气污染物和有害物质的迁移、扩散。