盧怡，趙雪芬，趙瑜

(南京大學(xué)環(huán)境學(xué)院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，江蘇 南京 210023)

0 引言

區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型(Community Multiscale Air Quality ,CMAQ)是由美國國家環(huán)境保護局(Environmental Protection Agency，EPA)開發(fā)的第三代空氣質(zhì)量預(yù)報和評估系統(tǒng)，被廣泛地應(yīng)用于區(qū)域環(huán)境質(zhì)量評估、污染成因分析、決策研究和空氣質(zhì)量預(yù)報等。CMAQ 在模擬過程中能將天氣系統(tǒng)中、小尺度氣象過程對污染物的輸送、擴散、轉(zhuǎn)化和遷移過程的影響融為一體考慮，同時兼顧了區(qū)域與城市尺度之間大氣污染物的相互影響以及污染物在大氣中的各種化學(xué)過程，包括液相化學(xué)過程、非均相化學(xué)過程、氣溶膠過程和干濕沉積過程對濃度分布的影響[1]。為了改進以往模式版本中的空氣動力學(xué)和化學(xué)機制問題，減少模式模擬中的系統(tǒng)偏差，CMAQ在過去的15 a中不斷更新版本[2]。不同模式版本內(nèi)在機制的差異可能會直接影響污染成因認識的客觀性、管理決策的有效性和預(yù)報的準(zhǔn)確性，因此模式對比評估工作一直是模式研發(fā)和應(yīng)用的重要內(nèi)容[3]。

不同區(qū)域的氣象條件和污染物實際排放情況不盡相同，這些差異導(dǎo)致不同區(qū)域?qū)Σ煌瘜W(xué)機制的適應(yīng)性也不盡相同。除了EPA官方發(fā)布的針對美國地區(qū)的各個版本的評估結(jié)果，全世界各個地區(qū)也有相關(guān)的評估工作[2, 4-10]，在中國有不同研究者開展了CMAQ模式研究。黃曉波等[3]比較了CMAQv4.7.1和CMAQv5.0.2 2個版本對2013年12月珠三角區(qū)域細顆粒物(PM2.5)的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)2個版本模式效果類似，但CMAQv4.7.1對顆粒物的模擬效果更好。李莉等[11]結(jié)合大氣污染物排放清單[12]，利用 CMAQ 模型的綜合過程速率法計算了高污染期不同大氣過程的貢獻，分析了2010年8月上海的臭氧(O3)污染事件成因。袁良等[13]分析了2007年客觀源清單[14]在CMAQv4.6中的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)CMAQv4.6模擬的底層大氣污染物的日變化特征符合化學(xué)機理，二氧化氮(NO2)、一氧化氮(NO)、二氧化硫(SO2)、O3的模擬濃度的空間分布也較為合理。吳小芳等[15]利用CMAQv4.7.1模擬了杭州2010年5月的NO2、SO2和可吸入顆粒物(PM10)，結(jié)果表明模擬效果良好，平均值偏差均<10%。Zhou等[16]利用CMAQv4.7.1比較了2012年10月中國多尺度排放清單模型 (Multi-resolution Emission Inventory for China, MEIC； http://www.meicmodel.org/) 和更加本地化的區(qū)域排放清單在長三角的NO2、SO2、O3和PM2.5的模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)本地化的排放清單的模擬值與地面觀測的污染物值更為接近。

目前針對長三角區(qū)域的不同版本CMAQ模式的模擬評估工作還未見報道。在CMAQv4.7.1到CMAQv5.1的各個版本的更新過程中，氣溶膠化學(xué)機制由AERO5更新至AERO6，與O3密切相關(guān)的光化學(xué)機制也有了較大的改進。在EPA發(fā)布的評估結(jié)果中，不同版本的PM2.5和O3的模擬結(jié)果都有較為明顯的差異，CMAQv5.1的模擬結(jié)果與地面觀測結(jié)果的相關(guān)性更高。但黃曉波等[3]針對珠三角區(qū)域的模式評估結(jié)果與EPA針對美國區(qū)域的評估結(jié)果不同，認為CMAQv4.7.1的PM2.5模擬效果優(yōu)于CMAQv5.0.2。因此，不同版本的空氣質(zhì)量模式在我國經(jīng)濟發(fā)達、污染物排放強度較高的典型地區(qū)(如長三角)的應(yīng)用有何種差異，在未來的區(qū)域空氣質(zhì)量研究中，針對不同的關(guān)注問題采用何種版本更為適合成為值得探索的問題。在長三角地區(qū)，對多種版本空氣質(zhì)量模式進行評估的需求也日益迫切，現(xiàn)選取2015年1、4、7、10月(分別代表冬、春、夏、秋4季)，采用CMAQv4.7.1和CMAQv5.1模擬長三角區(qū)域的空氣質(zhì)量，對比了NO2、SO2、O3、PM2.54個常規(guī)污染物的模擬結(jié)果，為未來長三角區(qū)域的CMAQ應(yīng)用提供參考。

1 研究方法

1.1 模式設(shè)置

1.1.1 模擬區(qū)域

CMAQv4.7.1和CMAQv5.1的模擬區(qū)域一致，采用2層嵌套網(wǎng)格，見圖1。第1層網(wǎng)格區(qū)域(D1)覆蓋大部分中國，網(wǎng)格分辨率為27 km×27 km；第2層網(wǎng)格區(qū)域(D2)覆蓋長三角地區(qū)，主要包括江蘇、浙江、上海、安徽及周邊省份的部分地區(qū)，網(wǎng)格分辨率為9 km×9 km。整個模擬區(qū)域均采用蘭伯特投影坐標(biāo)系(Lambert Conformal Conic Projection)，2條真緯度分別為40°N和25°N，網(wǎng)格坐標(biāo)系原點坐標(biāo)為(110°E，34°N)。

圖1 CMAQ 2層嵌套模擬區(qū)域

1.1.2 模擬時間

2個版本的模擬時間為2015年1、4、7、10月，分別代表冬、春、夏、秋4季。為減少初始條件對模擬結(jié)果的影響，將每月前7 d作為CMAQ模型的“spin-up”時段，重點探究每個月7 d之后的空氣質(zhì)量模擬情況。

1.1.3 模擬參數(shù)

2個版本的平流、垂直對流、垂直擴散、水平擴散、干沉降方案所用模組均一致，分別為hyamo、vyamo、acm2、Multiscale和Aero_depv2，氣象化學(xué)機理均采用CB05，垂直分層均為27層，對應(yīng)垂直層的eta設(shè)置也一致，唯一不同的參數(shù)是CMAQv4.7.1的氣溶膠化學(xué)機理為AERO5，而CMAQv5.1的是AERO6。

1.1.4 版本機制差異

2個版本在化學(xué)反應(yīng)機制上的差異主要集中為：CMAQv5.1調(diào)整了與NO2和SO2相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)，新增了SO2的催化氧化途徑，調(diào)整了光解和云模型處理模塊，在新的AERO6的氣溶膠化學(xué)機制中新增了和長鏈烴和萘有關(guān)的二次有機氣溶膠物種，修改了異戊二烯氧化的高HOx生成路徑，并在排放輸入中進一步細分了PM2.5物種等方面。

1.2 數(shù)據(jù)來源

1.2.1 氣象輸入

模式所使用的氣象場均為中尺度氣象預(yù)報和資料同化系統(tǒng)WRFv3.4(http://www.wrf-model.org/index.php) 模擬的氣象場。雖然EPA建議將改進了空氣動力學(xué)模塊的CMAQv5.1與WRFv3.7聯(lián)用，但本研究主要聚焦在不同版本的不同化學(xué)機制對模擬效果帶來的影響問題，并且WRFv3.4與WRFv3.7的氣象模擬結(jié)果差異較小[2]，因此選擇了相同的氣象場作為2個版本的CMAQ的氣象輸入。地形和地表類型采用美國地質(zhì)調(diào)查局(United States Geological Survey，USGS)的全球數(shù)據(jù)，以1.0°×1.0°的6 h NCEP再分析數(shù)據(jù)作為氣象模擬的初始場和邊界場(Final Operational Global Analysis，https://rda.ucar.edu/datasets/ds083.2/index.html#!access)。

1.2.2 排放輸入

采用2015年MEIC作為2個模式的排放輸入，借助Arcgis等工具，以國內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)和人口為權(quán)重因子對其進行空間再分配，將0.25°×0.25°的網(wǎng)格化清單處理為更精細的9 km網(wǎng)格，其中氮氧化物(NOX)、SO2、揮發(fā)性有機物(VOC)、PM2.5的排放空間分布見圖2(a)(b)(c)(d)。針對CMAQv5.1中AERO6機制強制要求新增的13個PM2.5模式物種(PCL，PNH4，PNA，PMG，PK，PCA，PNCOM，PFE，PAL，PSI，PTI，PMN，PH2O)，利用根據(jù)本地PM2.5源譜文獻調(diào)研結(jié)果[17-19]獲得其質(zhì)量分數(shù)，將MEIC中PM2.5總排放量減去MEIC中已有成分的有機碳(POC)、無機碳(PEC)排放量后再進行分配，得到最終的CMAQv5.1排放輸入。

1.2.3 觀測數(shù)據(jù)

用于評估模擬效果的大氣污染物逐時觀測數(shù)據(jù)來自長三角地區(qū)274個地面國控站點(數(shù)據(jù)抓取結(jié)果平臺：http://beijingair.sinaapp.com/，數(shù)據(jù)來源于中國環(huán)境監(jiān)測總站的全國城市空氣質(zhì)量實時發(fā)布平臺，http://106.37.208.233:20035/)。

1.3 模式評估和比較方法

污染物的模擬值與地面觀測值越接近，代表模擬效果越優(yōu)。采用統(tǒng)計分析參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)平均偏差(Normalized Mean Bias，NMB)、標(biāo)準(zhǔn)平均誤差(Normalized Mean Error，NME)和皮爾森相關(guān)系數(shù)(Pearson coefficient，R)表征模擬效果，R越高，表明模擬值與地面觀測值的變化趨勢更為接近，模擬效果越好；NMB和NME值越接近0表明模擬與觀測之間總的偏差越小，模擬效果越好。NMB和NME用以下公式計算。

圖2 2015年NOX、SO2、VOC、PM2.5排放空間分布(數(shù)據(jù)來源于MEIC)

(1)

(2)

式中：Pi和Oi分別代表模擬值和地面觀測值。

2 結(jié)果與討論

2.1 時間序列對比

圖3(a)(b)(c)(d)—6(a)(b)(c)(d)為2015年1、4、7、10月(分別代表冬、春、夏、秋4季)的4種常規(guī)污染物的模擬結(jié)果。從4個月的模擬時間序列看，CMAQv5.1的NO2模擬值低于CMAQv4.7.1，O3和PM2.5的模擬值高于CMAQv4.7.1，2個版本的SO2模擬值與其他3個污染物(NO2、O3、PM2.5)相比差異最小。

與觀測相比，2個版本的NO2模擬值均存在較大的高估，4個季節(jié)相比，夏季NO2模擬值與觀測值之間的差異最大，冬季差異最小。一方面，2個版本相比，NO2模擬值相對較低的CMAQv5.1模擬效果更優(yōu)；另一方面，2個版本都存在較大高估的情況表明，偏差更可能來源于對NOx排放的高估。除了2015年的1月(冬季)CMAQv4.7.1的O3模擬效果明顯更優(yōu)以外，其他3個季節(jié)都是CMAQv5.1的O3模擬值在地面觀測的高值時段更接近地面觀測值，而CMAQv4.7.1的O3模擬值在地面觀測的低值時段更接近地面觀測值。

CMAQv5.1的NO2、SO2模擬值都略低于CMAQv4.7.1，表明CMAQv5.1版本中與NO2、SO2有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的調(diào)整總體是朝降低NO2、SO2的模擬值的方向進行改進。CMAQv5.1的O3模擬值相比CMAQv4.7.1更高的原因較為復(fù)雜，該版本的光解模塊和云模型處理的變化導(dǎo)致O3值增加了；氣象計算的變化導(dǎo)致模式中下午和傍晚混合的增強，由于減少了NO滴定作用，這種增強導(dǎo)致平均ρ(O3)混合比更高[2]。大部分改進的機制都是ρ(O3)增高的原因，雖然O3的模擬值增加有利于CMAQv5.1在O3高值時段的模擬效果，但是這種增加導(dǎo)致O3在低值時段時的模擬值與地面觀測值相差更大。

圖3 2015年1月(冬季)長三角區(qū)域模擬與觀測時間序列

圖4 2015年4月(春季)長三角區(qū)域模擬與觀測時間序列

對于PM2.5，在CMAQ版本更新至CMAQ5.0時，氣溶膠化學(xué)機制從AERO5更新至AERO6，引入了13個新的PM2.5細分物種的排放(詳見1.2.2節(jié))輸入，能夠減小PM2.5模擬的偏差，這個更新在CMAQv5.1中得以繼續(xù)沿用。在CMAQv5.1的AERO6模塊中，還引入了幾種來自長鏈烷烴和萘的二次有機氣溶膠，考慮到這些物種并不能像更小和揮發(fā)性更強的化合物以同樣的效率生成二次有機氣溶膠，所以這些物種在AERO6機制中被分離出來。

此外，異戊二烯氧化的高HOx生成路徑被修改，以明確說明異戊二烯環(huán)氧二醇(Isoprene Epoxydiol，IEPOX)的產(chǎn)生，而IEPOX可形成二次有機氣溶膠并修改氣相濃度[2]。

圖5 2015年7月(夏季)長三角區(qū)域模擬與觀測時間序列

圖6 2015年10月(秋季)長三角區(qū)域模擬與觀測時間序列

2.2 空間分布對比

圖7(a)(b)(c)(d)為CMAQv5.1的模擬值減去CMAQv4.7.1的各類污染物在4個季節(jié)的空間分布差異。對于不同的季節(jié)，除了PM2.5外，其他3個污染物(NO2、O3、SO2)的2個版本模擬的空間分布差異類似，區(qū)別主要在于差值大小。在長三角大部分區(qū)域， CMAQv4.7.1的NO2模擬值高于CMAQv5.1，而O3模擬值低于CMAQv5.1，這也側(cè)面反映對于O3生成而言，長三角主要處于VOC控制區(qū)，較高的ρ(NO2)可能降低ρ(O3)。2個版本模擬的SO2空間分布差異在所有污染物中最小，CMAQv4.7.1的SO2模擬值高于CMAQv5.1的區(qū)域相對較多。4個季節(jié)相比，冬季2個版本的NO2和O3模擬差異最大，夏季最小，原因可能是光解模塊的更新。2個版本的SO2模擬差異的季節(jié)變化不如NO2和O3明顯。對于PM2.5，秋、冬2季長三角大部分地區(qū)CMAQv5.1模擬值相比CMAQv4.7.1更高；春季CMAQv5.1模擬值在長三角北部較高，而在南部較低；夏季在人口密集、重工業(yè)發(fā)達、PM2.5排放強度相對較高的蘇南地區(qū)[圖2(d)]，CMAQv5.1的PM2.5模擬值相比CMAQv4.7.1更高。

圖7 不同版本CMAQ模擬的空間分布差異[ρ(CMAQv5.1)-ρ(CMAQv4.7.1)]

對于NO2，春、秋、冬3季CMAQv4.7.1在長三角大部分地區(qū)模擬值較高；其CMAQv5.1模擬值高于CMAQv4.7.1的區(qū)域較少，集中于上海、蘇州、無錫、南京、杭州等NOx排放的高值區(qū)[圖2(a)]；這種情況在夏季不明顯?？赡艿脑蚴荂MAQv5.1的大氣化學(xué)機制擴展了NOy的種類，且明確修改了異戊二烯氧化的高ρ(NOx)路徑[2]，導(dǎo)致CMAQv5.1在NOx高排放區(qū)域的模擬表現(xiàn)有所不同；在夏季，高ρ(NO2)環(huán)境相較其他3季不易形成，因此這種極少數(shù)區(qū)域的CMAQv5.1 的NO2模擬值高于CMAQv4.7.1的情況不明顯。長三角大部分區(qū)域CMAQv5.1模擬的ρ(O3)更高，CMAQv4.7.1在春、秋、冬季高值區(qū)域較少且這些區(qū)域大部分集中于排放高值區(qū)。2個版本O3模擬濃度的空間分布差異與NO2相反，表明長三角地區(qū)O3生成更多受到VOC控制。

2.3 分析結(jié)果統(tǒng)計

2.3.1 2個版本總體模擬效果對比

表1總結(jié)了2個版本模擬與觀測值對比的統(tǒng)計指標(biāo)結(jié)果。對于NO2和SO2，2個版本統(tǒng)計指標(biāo)結(jié)果差異較小，總體上，CMAQv5.1的NO2和SO2的模擬效果更好。如2.1所述，CMAQv5.1對于O3的模擬有多方面的改進，但是實際的O3模擬值與地面觀測值相比，并未有明顯改善，從R、NMB和NME這3個統(tǒng)計指標(biāo)來看，大部分情況下CMAQv4.7.1的模擬效果更優(yōu)。從CMAQv5.0開始，氣溶膠模塊更新至AERO6機制。雖然黃曉波等[3]在珠三角的研究表明CMAQv5.0的PM2.5模擬效果并未優(yōu)于CMAQv4.7.1，但在長三角區(qū)域的研究結(jié)果表明，使用AERO6機制的CMAQv5.1相比使用AERO5機制的CMAQv4.7.1較大程度的提升了PM2.5的模擬效果，其模擬效果的改善程度比NO2和SO2的改善程度更大，特別是在春、秋、冬3季。

表1 各季節(jié)CMAQv4.7.1和CMAQv5.1的污染物模擬與觀測值對比的統(tǒng)計指標(biāo)

2.3.2 O3超標(biāo)日和非超標(biāo)日模擬效果對比

將O3的日最大8小時平均值(Maximum Daily 8-hour Average，MDA8)超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)限值(160 μg/m3)的日期標(biāo)記為O3超標(biāo)日，其余為O3非超標(biāo)日，研究選擇以超標(biāo)日天數(shù)和非超標(biāo)日天數(shù)更接近的7月為例進行比較。表2為O3非超標(biāo)日與超標(biāo)日CMAQv4.7.1和CMAQv5.12的模擬效果對比。在非超標(biāo)日CMAQv4.7.1的R值更高，CMAQv5.1的NMB和NME值更接近0；在超標(biāo)日2個版本的R值相差無幾，同樣是CMAQv5.1的NMB和NME值更接近0。總體上，2個版本均在超標(biāo)日的模擬效果更優(yōu)，在超標(biāo)日CMAQv5.1的模擬效果較CMAQv4.7.1有一定改善。

表2 不同O3超標(biāo)情況CMAQv4.7.1和CMAQv5.1的O3模擬與觀測值對比的統(tǒng)計指標(biāo)

2.3.3 PM2.5超標(biāo)日和非超標(biāo)日模擬效果對比

將PM2.5的日均值超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3095—2012)二級標(biāo)準(zhǔn)限值(75 μg/m3)的日期標(biāo)記為PM2.5超標(biāo)日，其余為PM2.5非超標(biāo)日。研究選擇以超標(biāo)日天數(shù)和非超標(biāo)日天數(shù)更接近的1月為例進行比較。CMAQv4.7.1和CMAQv5.1 PM2.5模擬的統(tǒng)計分析結(jié)果見表3。由表3可見，CMAQv5.1的模擬效果相對CMAQv4.7.1更優(yōu)，其中，相比于非超標(biāo)日的CMAQv5.1的模擬效果的改善程度，超標(biāo)日的CMAQv5.1模擬效果的改善程度更大。

比較超標(biāo)日的模擬效果和非超標(biāo)日的模擬效果，CMAQv5.1和CMAQv4.7.1都是非超標(biāo)日的模擬效果更優(yōu)。

表3 不同PM2.5超標(biāo)情況CMAQv4.7.1和CMAQv5.1的PM2.5模擬與觀測值對比的統(tǒng)計指標(biāo)

2.3.4 不同污染等級模擬效果對比

將空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)分為優(yōu)良(0～100)、輕中度(101～200)、重度(>200)3個污染等級。選擇3個污染等級天數(shù)更接近的1月份為例，比較不同污染等級的版本模擬性能。表4為不同污染等級CMAQv4.7.1和CMAQv5.1模擬與觀測值的對比統(tǒng)計指標(biāo)。由表4可見，CMAQv5.1優(yōu)良等級的SO2模擬效果更優(yōu)，CMAQv4.7.1中度污染等級的NO2模擬效果更佳，CMAQv4.7.1的O3模擬效果在不同污染等級情況下都比CMAQv5.1優(yōu)，PM2.5在不同污染等級情況下都是CMAQv5.1模擬效果更優(yōu)。NO2在不同污染等級中的模擬效果都較為一致，但其他3個污染物(PM2.5、O3、SO2)隨著污染程度的加重，模擬效果變差。

表4 不同污染等級CMAQv4.7.1和CMAQv5.1的模擬與觀測值對比的統(tǒng)計指標(biāo)

CMAQv5.1的O3在超標(biāo)日(高值時段)的模擬效果有一定的改善，在非超標(biāo)日的模擬效果變差。CMAQv5.1的PM2.5模擬效果整體較CMAQv4.7.1得到了改善，且超標(biāo)日改進更明顯。隨著污染濃度的增加，2個版本的模擬效果都變差。

3 結(jié)論

(1) 從模擬結(jié)果和地面觀測結(jié)果的時間序列圖來看：CMAQv5.1中NO2模擬值較CMAQv4.7.1低且更接近地面觀測值，2個版本SO2模擬值相差較小，且都與地面觀測值之間差異較小。在長三角區(qū)域，NO2模擬值與觀測值的偏差可能更多受排放高估而不是受模式機制的影響。CMAQv5.1中NO2、SO2模擬值都比CMAQv4.7.1低，表明CMAQv5.1機制中與NO2、SO2相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)的調(diào)整總體是朝降低NO2、SO2的模擬值方向進行改進。CMAQv5.1的 O3模擬值高于CMAQv4.7.1且在O3地面觀測的高值時段更接近地面觀測值，而CMAQv4.7.1的O3模擬值在低值時段更接近地面觀測值。CMAQv5.1的PM2.5模擬值相比于CMAQv4.7.1更接近地面觀測值，表明CMAQv5.1與PM2.5模擬相關(guān)的機制改進改善了模擬效果，改進的內(nèi)容包括新增了13種PM2.5模式物種以及對幾種來自長鏈烷烴、萘的二次有機氣溶膠生成機制的改善等。

(2) CMAQv5.1和CMAQv4.7.1模擬結(jié)果的空間差異與時間序列差異類似?？傮w上，CMAQv4.7.1的NO2、SO2模擬值更高，CMAQv5.1的O3模擬值更高。其中，與大部分區(qū)域空間差異特征不一致的是在少數(shù)NOx高排放區(qū)域CMAQv5.1的NO2模擬值比CMAQv4.7.1高，可能的原因是CMAQv5.1的化學(xué)機制中明確修改了異戊二烯氧化的高ρ(NOx)路徑，導(dǎo)致CMAQv5.1在NOx高排放區(qū)域的模擬表現(xiàn)有所不同。

(3) 從統(tǒng)計分析指標(biāo)來看，CMAQv5.1的 NO2、SO2和PM2.5的模擬效果優(yōu)于CMAQv4.7.1，其中，在PM2.5超標(biāo)日PM2.5的模擬效果改善最明顯。CMAQv5.1的O3模擬值在O3超標(biāo)日模擬效果有所提升，但在非超標(biāo)日模擬效果變差，總體上，CMAQ4.7.1的O3模擬效果更優(yōu)。針對低值時段和區(qū)域加強O3生成相關(guān)機制的研究有助于進一步改善O3的模擬效果。