基于扩散模型的辽宁中部城市群PM2.5 传输规律研究

秦思达 王贺 赵鹏雷

（1.辽宁省生态环境保护科技中心，辽宁 沈阳110161；2.沈阳师范大学，辽宁 沈阳110034）

1 引言

辽宁中部城市群位于我国东北部，由沈阳、鞍山、抚顺、本溪、营口、辽阳、铁岭组成，是《大气污染防治行动计划》中划定重点区域“三区十群”之一［1］。该地区为大陆性季风气候，产业结构以重工业为主，“两高一低”企业数量较多，受冬季供暖影响，污染类型以煤烟型为主［2］。由于该区域的城市距离近、分布密集，城市间的大气污染物传输效应尤为明显［3］。因此，探索辽宁中部城市群城市间PM2.5的传输规律，掌握城市间PM2.5的扩散影响，对制定区域大气污染防治措施具有重要意义。研究方法方面，扩散模型法在研究区域传输时具有明显优势，一方面可以按污染源类别进行解析，不受成分相近的源类的影响；另一方面可以不受限于观测点的位置。模型选择方面，CMAQ 模型基于“一个大气”理念［4］，将整个大气作为整体进行研究，在模拟污染物大气物理扩散的同时考虑了化学变化的影响。皮子坤等［5］基于CMAQ模型对大连市的大气氮湿沉降进行了模拟研究。本研究采用大气扩散模型法，基于气象模型WRF 耦合空气质量模型Models－3/CMAQ，定量解析目标城市间的PM2.5传输系数，可以揭示该地区的PM2.5扩散传输规律，服务于O3与PM2.5的协同减排。

2 研究方法

2.1 模型选择与数据来源

气象场输入由气象模式WRF 提供（版本4.3），数据采用美国NCEP 发布的FNl083.2 全球再分析资料。清单数据主要包括本地、外来、天然3 部分。本地源清单是基于2019 年统计数据及现场调研数据，通过《大气污染排放清单编制指南》方法估算获取；外来源排放数据采用2019 年MEIC 排放清单；天然源采用MEGAN 模型［6-7］计算获取，该模式可用来评估从陆地生态系统排放到大气中的气体和气溶胶的排放量。本研究将本地源清单、外来源清单与天然源清单进行空间嵌套，通过对辽宁中部城市群的人口、道路、土地等信息进行再分配，建立适用于本地数值模拟的高分辨率网格化清单。空气质量模式选择美国EPA 发布的Models－3/CMAQ（版本为5.2.1）。

2.2 模拟范围与模拟时间

气象模拟设计两层网格嵌套，采用Lambert 投影坐标系，中心经纬度为122°E，41°N，两条真实纬度为25°N 与40°N，分辨率分别为27 km 与9 km，两层网格的网格数均为100×100。第一层覆盖中国北方大部分地区，第二层覆盖辽宁全省及周边主要城市。CMAQ 的核心模块CCTM 在模拟时，需调用气象场模拟结果［8-9］，因此，需保持CMAQ 与WRF 的网格设置参数相同，但其网格数略小于WRF 网格，第二层网格数为90×90，垂直方向共设置24 个气压层，层间距自近地面向上逐渐增大。2020—2022 年期间新冠疫情对人们生产生活造成重大影响，大气污染源的实际排放与时间分配经验系数出现差异，且污染源清单的年份为2019 年。因此，本研究以2019 年为基准年，选取1，4，7，10 月代表四季变化，为降低初始场影响，模拟时将时间提前7 d 以供模型预热［10］。

3 结果与讨论

3.1 模型评估

选取国控站的空气质量数据与本研究的模拟结果进行对比，以验证CMAQ 模拟结果的可靠性［11］。以4 个代表月PM2.5浓度的平均值作为年均值进行拟合验证。为量化模拟结果准确性，本研究采用平均偏差（Mean Bias，MB）、归一化平均偏差（Normalized Mean Bias，NMB）、归一化平均误差（Normalized Mean Error，NME）、均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）及相关性指标R 评价模型的可靠性。

由表1 可知，本研究模拟的各项统计指标与同类研究的误差及偏差分析水平接近，各城市PM2.5模拟值的NMB 在40%以内，NME 在50%以内，MB绝对值为20.13，其他均小于20，模拟结果比较可靠［12］。沈阳、鞍山、抚顺、本溪、营口、辽阳、铁岭模拟值与监测值的相关性R 值分别为0.76，0.78，0.84，0.83，0.71，0.82，0.78。模拟值与监测值拟合度较高，因此本次模拟结果较为理想，可以实际反映各市的污染现状。

表1 模型对辽宁中部城市群PM2.5 模拟的表现评估

3.2 城市间的PM2.5 传输特征

本研究采用Zero－out 法［13］，定量解析辽宁中部城市群内7 个城市间污染物传输系数，即应用完整的区域污染源清单模拟作为基准情景，应用去除目标污染源的区域清单模拟作为对比情景，分析不同情景下的污染物浓度变化，以了解该地区对其他城市空气质量的影响。通过建立辽宁中部城市群的污染物传输系数矩阵，获取PM2.5的传输规律。

（1）研究发现，辽宁中部城市群7 个城市的PM2.5本地源贡献率在48.9%～72.2%之间，其中本溪贡献率最高，这可能是本溪工业结构以黑金属冶炼为主，且主要分布在主城区附近，导致当地钢铁公司对PM2.5浓度的平均贡献率超过40%［14］。另外，本溪位于中部城市群东部，属于长白山余脉，多为低山、丘陵地貌，主城区位于城市西部地势较低的平原地带，城市总体上由西向东海拔逐渐升高，山体形成了一道屏障，不会导致污染物向东北、东南等方向扩散。沈阳PM2.5的本地源贡献率达到63.2%，这可能是由于沈阳人口较为稠密，城市人口数占中部城市群总人口的36%［15］，受人类活动活跃影响，本地污染物排放水平较高。营口本地源贡献率较低，仅为48.9%，这可能是由于营口地处中部城市群南端，城区位于渤海湾沿岸，是一个受海洋性气候影响的大陆城市。

（2）研究发现，本溪、鞍山属于对外输送型城市，对周边城市输送PM2.5的比例较高，例如鞍山向辽阳和营口输送的PM2.5占到辽阳的7.1%、营口的6.3%；本溪输送的污染物占到辽阳市的7.8%、抚顺的7.1%。考虑是由于本溪和鞍山的产业结构都以钢铁行业为主，钢铁行业的产值占很大一部分，相应的大气污染物排放量也很大，这对周边城市的空气质量也产生了较大影响。国家自2019 年起推进钢铁行业超低排放改造，根据辽宁省制定的《辽宁省钢铁超低排放改造方案》，到2025 年辽宁省80%以上的钢铁产能将完成超低排放改造，氮氧化物与挥发性有机物的重点工程减排量将分别达到7.96 万t 和3.27 万t［16］。因此，随着配套政策的落地实施，预计鞍山、本溪对外输送污染物的情况将在2025 年得到较大程度改善。

（3）研究发现，部分城市间的PM2.5传输为单向输送，例如铁岭向抚顺输送的PM2.5占到抚顺贡献率的9.0%，而抚顺向铁岭输送的PM2.5仅占铁岭的2.3%，结合抚顺、铁岭的大气污染物排放总量，铁岭对抚顺PM2.5浓度的影响远大于后者对前者浓度的影响。部分城市间的PM2.5传输为双向输送，鞍山向辽阳输送的PM2.5占到辽阳贡献率的7.1%，而辽阳向鞍山输送的PM2.5占鞍山贡献率的8.3%，可能是由于城市之间的距离较近，相互之间的输出现象较为明显。

辽宁中部城市群城市PM2.5传输矩阵见表2。

表2 辽宁中部城市群城市PM2.5 传输矩阵%

3.3 外来污染物对区域PM2.5 的影响

本研究将外来污染物对辽宁中部城市群主要城市PM2.5浓度的贡献率与国内主要地区和城市的相关研究成果进行了比较。研究发现：（1）辽宁中部城市群的外来污染物的贡献率为42%，低于京津冀的46%、长三角的53%、珠三角的45%。这可能是辽宁中部城市群的地理位置导致的［17］，辽宁中部城市群西面靠近内蒙古自治区、东面与朝鲜接壤，为工业欠发达地区，燃煤污染较轻。辽宁中部城市群东南方向为京津冀与山东半岛，在春夏两季南风、东南风的作用下，污染物通过秦皇岛—葫芦岛通道、渤海湾通道传输至辽宁中部城市群，距离较远，影响降低。（2）沈阳的外来污染物贡献率为37%，与北京（47%）、杭州（50%）一线城市相比，受到周边区域影响较低。这可能是沈阳为辽宁中部城市群的核心城市，周边城市多为三、四线城市，人口与经济总量远高于周边地区导致的。（3）营口与台州都是沿海城市，主城区靠近海岸线，2 个城市外来污染物的贡献率分别为51%与65%，明显高于内陆型城市。沿海城市空气中的Na＋与Cl－浓度较高，海盐粒子加剧了污染物的化学反应，促进了PM2.5二次生成。外来污染物对区域PM2.5的传输影响见表3。

表3 外来污染物对区域PM2.5 的传输影响%

4 结论

（1）辽宁中部城市群中本地源贡献率本溪最高（72.2%），考虑是其城市工业结构以钢铁为主，工业污染物排放量高导致的；其次为沈阳（63.2%），受外来污染物的影响小于北京、杭州等一线城市，其他城市的本地源贡献率在48.9%～62.1%之间。

（2）本溪为对外输送型城市，排放的污染物主要影响辽阳（7.8%）和抚顺（7.1%）。铁岭与抚顺之间为单向输送，铁岭向抚顺输送的PM2.5占到抚顺贡献率的9.0%，反之仅为2.3%。鞍山与辽阳为双向输送，鞍山对辽阳的贡献率为7.1%，辽阳对鞍山的贡献率为8.3%。

（3）营口对外输送污染物能力较低，对其他城市的贡献率在0.2%～2.4%之间，且在海盐粒子的影响下本地源贡献率仅为48.9%。