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基于OMI卫星数据和数值模拟的中国大气SO_2浓度监测与排放量估算

姜杰  
【摘要】:二氧化硫(Sulfur dioxide, SO2)作为大气中一种重要的痕量气体,是大气污染的主要成分之一,对大气环境和人体健康造成非常严重的影响。随着改革开放以来社会经济迅速发展,我国SO2排放量不断增加,至2005年全国S02排放总量为2549万吨,比2000年增加了约27%,总量居世界第一。为此,国家把SO2作为“十一五”期间大气污染减排的唯一约束性指标:至2010年S02排放比2005年减少10%。 本文通过2005~2010年臭氧监测仪(OMI)卫星遥感数据分析我国大气S02时空分布特征,采用中尺度气象模式(WRF)和通用多尺度空气质量模式(CMAQ)对大气802进行模拟,分析了各地SO2的源汇关系,并提出基于遥感数据的S02排放量估算方法,以期为国家S02减排及污染控制提供理论依据和方法参考。 本文主要研究工作和成果如下: (1) OMI/SO2数据获取与处理。对2005~2010年的OMI PBL SO2数据,剔除了太阳天顶角比较高,云量大的数据,通过大气质量因子(AMF)对SO2数据重新校正,计算出中国地区不同月份的大气S02平均浓度。通过与东亚酸沉降监测网(EANET)中国站点SO2浓度数据和重点城市空气污染指数(API)转换的浓度数据对比,卫星数据与地面监测数据具有一致的季节变化趋势和较好的相关性。 (2)基于OMI数据分析中国大气S02浓度时空分布特征。由卫星数据分析,中国大气SO2分布具有明显的时空变化特征。空间分布上,全国SO2柱含量分布不均匀,东西部地区反差很大,东部地区的浓度明显高于西部地区,其中山西、河北、山东三省交界区域SO2浓度最高。季节变化上,东部地区季节变化明显,夏季浓度最低,冬季浓度最高;而西部地区季节变化幅度不大,但其变化趋势与东部地区相反,表现为夏季浓度高,冬季浓度比较低。年度变化上,呈现明显的波动性,2007年浓度最高,2009年又降至最低,而2010年浓度又开始回升。通过SO2浓度与能源消耗量的相关性分析知,SO2浓度与煤炭的消耗量相关性最好,说明大气中SO2主要来源于煤炭燃烧排放。 (3)中国大气SO2数值模拟分析。以INTEX-B资料为大气质量模拟所需的排放方案,采用WRF与CMAQ模型对中国地区不同季节的大气SO2浓度进行了模拟。模拟结果的空间分布和季节变化与卫星监测结果类似,冬季是一年中SO2浓度最高的季节,空间分布上东部地区明显高于西北地区。模拟显示不同地区SO2浓度的日变化不同,各地垂直变化主要表现为SO2主要分布在800hPa以下。S02沉降主要集中于S02高排放区域,季节分布上秋冬季节S02沉降量大,且主要分布于中国的中东部地区。 (4)中国大气S02浓度及沉降的源汇分析。提出四种模拟方案进行各地S02浓度及沉降量源汇分析。对比四种模拟方案,100RM_S方案相关性及误差都要优于其它方案,其误差分布表现为模拟区域的周边地区误差比较大,而中国的大部分地区,特别是SO2浓度比较高的中东部地区误差在3%以内。采用100RM_S方案计算了各区域及分省SO2浓度及沉降量的源汇关系。区域上中部地区对周边影响最大,西南区则主要受自身排放影响;河北、山西等省份对周边地区影响比较大,而北京、天津等地受周边省份影响大;1月源汇明显,而7月则自身排放影响占主导:SO2浓度的源汇明显,而SO2沉降则受自身排放影响比重大。 (5)基于卫星数据的SO2排放量估算。通过分析大气中SO2的收支平衡方程,提出了基于线性比例和基于源汇关系的SO2排放量估算方法。分别以CMAQ模拟的1月、4月、7月和10月S02浓度和各地S02源汇关系以及OMI卫星观测浓度值,估算出中东部地区12省市的SO2排放量。由于排放因子等不确定性因素的影响,各种以统计数据估算的SO2排放量之间差异较大。而基于卫星观测的S02数据,结合CMAQ模型,自上而下的进行S02排放量的估算,避免了地面不确定性因素影响,将是对传统排放系数法估算有效的补充与提高。


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