（环境科学专业论文）河南省夏收季节秸秆焚烧大气污染物输送的数值模拟研究.pdf

a b s t r a c t t h es t r a wo p e nb u m i n ga f t e rh a r v e s ti nf i e l di sg e t t i n gm o r ea n dm o r ei n e x t e n ta n di n t e n s i t yi nr e c e n ty e a r s t h eb u r n i n gs i g n i f i c a n t l yh a r m e dt os o i li n f i e l da n da i rq u a l i t y , a n de n d a n g e r e dh i g h w a ya n da i rt r a n s p o r t a t i o n a sam a i n w i n t e rw h e a tp r o d u c t i v ep r o v i n c ei nc h i n a , s t r a wb u r n i n gi nh e n a np r o v i n c e i s g e t t i n gm o r ea n dm o r ef r e q u e n t t h ea n a l y s i so ft h et r a n s p o r t a t i o n , d i s p e r s i o na n dt h ee x t e n ti ta f f e c t e d ，c a l lb ea c o n s u l t a t i o nt ot h ef o r b i d d e no f b u r n i n ga n dm e t i c u l o u sa i rq u a l i t yp r e d i c t i o n e m i s s i o no fp m 2 5f r o mb u r n i n g w a se s t i m a t e db a s e do nt h er e m o t es e n s i n go fs t r a wo p e nb u r n i n g b y m o d i s f ys e r i e ss a t e l l i t e si ns u m m e ro fh e n a np r o v i n c ea n dc o u n t yb y c o u n t y w i n t e rw h e a t y i e l d , c o m b i n e d w i t l l g r a i n s 缸a w r a t i o a p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m ew a ss e tt ot h ee m i s s i o n t h et r a n s p o r t a t i o na n d d i s p e r s i o no fp m 2 5f r o ms t r a wb u r n i n gw a ss i m u l a t e d 而mt h ec o m b i n a t i o no f m m 5a n du s e p ar e c o m m e n d e dc a l p u f fd i s p e r s i o nm o d e l a n dt h e e n v i r o n m e n t a li m p a c to fs t r a wb u r n i n gw a sa s s e s s e db a s e do nt h es i m u l a t i o n t h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et e m p o r a la n ds p a t i a l d i s t r i b u t i o no fp m 2 5w a ss i m u l a t e db y c o m b i n a t i o no fm m 5a n dc a l p u f f , 、7 l r i n lt h ec o n s i d e r a t i o no ft h e t e r r a i n , l a n dc o v e ra n dt h ea s s i m i l m i o no fm o n i t o r e dm e t e o r o l o g i c a l d a t u m t h es i m u l a t e dr e s u l tw a sv e r i f i e d 晰mt h ep m 2 5c o n c e n t r a t i o ni n z h e n g z h o ua n da i rp o l l u t i o ni n d e xi nc i t i e so fh e n a np r o v i n c e ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m b i n a t i o no ft h et w om o d e l si sa p p l i c a b l e ( 2 ) s i m u l a t e dt e m p o r a la n ds p a t i a ld i s t r i b u t i o no fp m 2 5s h o w e dt h a t ：t h e m a x i m u mh o u r l y ，d a i l ya n dt h ep e r i o db e t w e e n1j u n ea n d2 0j u n e i i a v e r a g e c o n c e n t r a t i o no fs i m u l a t e dp m 2 5r e a c h e dt o13 0 0 肛g m j ， 8 0 “g m 3a n d6 1 x g m 3r e s p e c t i v e l y t h eh i g hv a l u eo fo n eh o u ra n dd a i l y a v e r a g ec o n c e n t r a t i o nm a i n l yd i s t r i b u t e da tt h ea r e a sn e a rt h ef i r es p o t s ， a n dp e r i o do f2 0d a y sa v e r a g eh i g hc o n c e n t r a t i o nm a i n l yl o c a t e da t c e n t r a la n dn o r t h w e s tp a r to fh e n a np r o v i n c e ( 3 ) s i m u l a t e dh o u r l y , d a i l y a n d1j u n et o2 0 j u n e p e r i o da v e r a g e c o n c e n t r a t i o ni nc i t i e so fh e n a np r o v i n c er e a c h e dt o118 31 x g m 3 ， 12 6 6 3 1 x g m 3 ，2 2 9 2 1 x g m 3 ，a n dd i s t r i b u t e da tj i a o z u o ，l u o h ea n d x u c h a n gr e s p e c t i v e l y t h ed a i l ys e r i e so fp m 2 5s h o wap e a ko n6a n d7 o fj u n e ，a n dt h ei n f l u e n c eo fs t r a wb u m i n gd i s a p p e a r e do n1 9 t h e h o u r l ys e r i e so fs i m u l a t e dp m 2 5c o n c e n t r a t i o ns h o w e dl o w e rv a l u ei n d a yt i m et h a ni nn i g h t ，w i t h1 9 ：0 0t h eh i g h e s t , 1 4 ：0 0t h el o w e s t ( 4 ) t h ee f f e c t so fm e t e o r o l o g i c a l f a c t o r so na i rp o l l u t i o ni n d e xw e r e a n a l y z e dt os t u d yt h ee f f e c to fm e t e o r o l o g i c a lf a c t o r so np m 2 5e m i t t e d b ys t r a wb u r n i n g r e s u l t ss h o w e dt h a t ，a i rp o l l u t i o ni n d e xw e r em a i n l y a f f e c t e d b y 、析n ds p e e d ，w i n dd i r e c t i o n , c l o u d a n d t e m p e r a t u r e s t r a t i f i c a t i o n s p e c i f i cw i n dd i r e c t i o na n dw i n ds p e e di nd i f f e r e n tc i t y , h e a v yc l o u d ，t e m p e r a t u r ei n v e b i o ni nn i g h ta n dl o wt e m p e r a t u r el a p s e r a t ea l et h ef a c t o r sc o n t r i b u t e dt ot h ea g g r a v a t i o no fp o l l u t i o n k e y w o r d s ：s t r a wo p e nb u r n i n g ，p o l l u t a n te m i s s i o n ，c a l p u f f , t r a n s p o r ta n d d i s p e r s i o n ，e n v i r o n m e n t a li m p a c t i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新一的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真 实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它 机构已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并 表示了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文 的规定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机 构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目 的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位 论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题 和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 ) 瑟力 渺巍l 晦 作者签名：堑里重 日期： 1p 第一章前言 1 1 研究背景 1 1 1 秸秆焚烧的严重性 秸秆是指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗等农作物在收获籽实后 剩余的部分。我国是农业大国，秸秆资源丰富，占世界总产量的2 0 。3 0 【1 1 。据曹 国良等估算，我国农业秸秆年总产量在6 亿吨以上，其中稻谷、小麦、玉米3 种粮 食作物由于播种面积占总播种面积的5 0 ，所产生的秸秆占总量的7 6 左右 2 1 。目 前我国秸秆利用率约为3 3 ，其中经过技术处理的仅占约2 6 【3 1 0 当前每年约有3 亿吨秸秆被当作废弃物焚烧或扔掉1 4 1 。 2 0 0 4 2 0 0 7 年4 年间，中国气象局国家卫星气象中心共计监测到秸秆焚烧火点 1 5 1 0 7 个，其中最少的2 0 0 6 年也有3 2 9 4 个。由于卫星数据最小能探测到1 0 0 m 2 的 火点，很多小规模的焚烧被漏掉。另外，由于火点持续的时间受焚烧面积、点火位 置、风速等条件的影响差别很大，而卫星重返时间相对较长，也使大量焚烧点未被 监测到。近年来，我国秸秆焚烧无论火点个数还是焚烧面积，都是逐年增加，其中 2 0 0 5 年全国焚烧面积在2 5 万平方公里以上1 4 1 。秸秆焚烧最严重的区域分布在淮河 流域和山西关中平原，南部各省火点密度较小。发生秸秆焚烧的区域随气温的升高 逐步由南向北推移，北方主要是小麦、玉米、油菜等作物的秸秆；南方主要是水稻、 甘蔗、油菜等作物的秸秆。北方的秸秆焚烧第一个高峰期出现在5 月下旬和6 月上 旬，第二个高峰期出现在9 月下旬和1 0 月上旬；南方地区秸秆焚烧的第一个高峰期 出现在7 月，第二个高峰期出现在l o 月 5 1 。 我国秸秆露天焚烧在各省市自治区间存在差异，据调查，农业秸秆露天焚烧主 要发生在以下三种地区【6 】：( 1 ) 地广人稀的产粮区：如吉林、黑龙江省，大量的秸秆 被剩余而焚烧：( 2 ) 富裕地区：随着农民生活水平的提高，直接燃烧秸秆的获取能源 方式逐渐被商品能源取代，成为农民提高生活质量的首选目标。江苏、浙江等省农 民生活能源的商品化率已超过9 0 ，有5 0 左右的农业秸秆被焚烧：( 3 ) 能源产区： 在一些能源产地如山西、陕西等，由于农民很容易获得廉价的商品能源，因而也有 大量的秸秆剩余。其中以山东、河南等省最多，其他较大的包括华北、东北地区等 1 省【4 】。 秸秆焚烧活动不仅浪费了宝贵的资源，而且造成严重的环境问题。据估算，2 0 0 4 年我国秸秆焚烧导致直接生物资源损失1 1 3 。4 亿元，造成大气污染损失1 9 6 5 亿元 7 1 。 原国家环保总局、农业部、财政部、铁道部、交通部、中国民航总局曾分别于1 9 9 9 、 2 0 0 3 、2 0 0 5 年联合下发了秸秆禁烧和综合利用管理办法、关于加强秸秆禁烧和 综合利用工作的通知、关于进一步做好秸秆禁烧和综合利用工作的通知。从2 0 0 4 年开始，原国家环保总局利用卫星遥感资料，对全国夏秋两季秸秆焚烧情况实施在 线监控，将每日两次收到的有关焚烧火点数、焚烧时间、焚烧所在省地县名、经纬 度、火区影响范围等信息以及卫星遥感火情及时电传有关政府及环保局，并在“1 2 3 6 9 中国环保热线”网站上公布，要求各地环保部门加强检查与督办。虽然各级政府采 取很多措施，在禁止秸秆焚烧活动上下了很大功夫，但似乎成效不大。 1 1 2 秸秆被露天焚烧的原因 秸秆焚烧活动之所以屡禁不止，是各方面因素综合作用的结果： ( 1 ) 秸秆的传统利用价值在下降，新的利用价值还未被充分利用，而秸秆的收集 翻晒即占地方，又浪费时间和劳动力。改革开放前，由于经济能力较低或燃料不足， 秸秆是我国农村家庭主要过冬燃料和牛羊等牲畜过冬的饲料。随着经济的快速发展， 农民的生活水平有了显著提高，作物秸秆作为农村传统能源的地位逐渐被煤炭、天 然气等替代；同时加上农户牲畜养殖量的减少，秸秆作为饲料的用量也逐渐下降。 ( 2 ) 机械化收割不规范，秸秆处置费时费力。目前，我国大部分小麦都采用机械 化收割，联合收割机多数跨区流动作业，非属某一地区，管理较混乱。由于夏收时 间紧，在经济利益的驱使下，大多数联合收割机主为了省时、省力和减少机器磨损， 都将麦茬留的很高，一般在5 0 7 0 c m ，有的甚至只割掉麦穗。农民若采用其他处理 方法，费时费力，干脆一烧了之。 ( 3 ) 我国主要粮食产区如成都平原、珠三角地区和淮河流域。人均耕地少，复种 指数高，双季作物间隙时间段，遗留在地里的秸秆会严重影响耕作。我国各地气候 条件不同，北方降水量少，若将秸秆直接还田翻入地中，不易腐烂，对秸秆不进行 处理，会影响耕种；南方麦田或油菜秸秆还田，夏种水稻季节，放水栽秧时秸秆会 浮在水中。给插秧带来不便。 ( 4 ) 部分农民对秸秆焚烧的认识存在误区。许多农民认为，焚烧后的秸秆残渣留 在地里作为肥料可以增加土壤中的无机肥含量，节约化肥投入量，而秸秆还田的技 2 术开发和推广仍然比较滞后。 ( 5 ) 农村劳动力匮乏也是秸秆焚烧的重要原因。在市场经济作用下，农村年轻劳 力终年外出打工，留下务农的多是老弱病残农民，缺少劳动力对秸秆进行处理。 1 1 3 秸秆焚烧的利弊 秸秆在大田里露天焚烧的好处不多，主要有秸秆焚烧后初期的土壤速效养分含 量( p 、k ) 高于秸秆还田处理，尤其是速效磷含量远高于秸秆还田处理；秸秆焚烧 后，作物茬被齐地烧掉，利于耕作和田间管理；焚烧中的高温可以烧死部分虫、卵、 杂草、草种和病菌等【8 j 。 相对于秸秆露天焚烧微不足道的好处，其危害却是多方面的，主要表现为： ( 1 ) 资源浪费：秸秆露天焚烧浪费了大量的燃料，农作物秸秆是优质能源，是农 村能源的重要组成部分，1 9 9 5 年我国农村生物能消耗占农村总能源消耗量的2 9 a l ； 农作物秸秆含有丰富的有机质和氮、磷、钾、镁、硫等多种有机成分，如果进行秸 秆还田，是优质有机肥料，中国统计年鉴统计结果显示，2 0 0 4 年中国秸秆含n 、p 2 0 5 、 k 2 0 等总养分达1 7 5 3 1 0 7t ，相当于同年全国化肥施用量的3 8 n 引；秸秆含有粗蛋 白、粗脂肪、糖、维生素等饲料成分，大量的秸秆露天焚烧，一定程度上影响畜牧 业的发展【l l 】。 ( 2 ) 环境危害：焚烧秸秆排放出大量的污染物，最主要是颗粒物，其次烟雾中含 有n o x 、s o s 、c o 、硝酸盐和硫酸盐等污染物，还含有多环芳烃等危害人畜健康的 剧毒物质【1 2 以钔。焚烧所排颗粒物一方面以其大的比表面为化学反应提供良好的反应 场所，加快了大气化学反应速度，一方面烟尘中的细颗粒物容易进入人畜呼吸器官， 并进入肺脏沉积，危害人畜健康i l5 。 ( 3 ) 社会危害：夏季气温高，秸秆焚烧极易引燃周围易燃物质，引发火灾，带来 巨大的人身和财产危害。燃烧所排放的烟尘会引起能见度降低，对交通带来很大影 响，其中对航空运输影响最大，因烟雾造成航班延误的报道屡见不鲜。能见度的下 降还易引发交通事故，高速公路甚至经常为之封闭1 1 7 1 。 ( 4 ) 破坏农田生态系统：焚烧产生的高温会降低土壤肥力，致使土壤贫瘠化；蒸 发土壤水分，破坏土壤墒情协1 9 l ；烧死大量微生物，致使农田板结化：破坏农田生 物群落，减少生物多样性；影响后茬作物生长，降低作物产量【2 0 】；还可能使某些病 虫害更加严重【z 。 3 1 1 4 本文的研究意义 华北及华东地区是我国秸秆焚烧活动较为密集的地区，河南、江苏、安徽、山 东、河北五省为我国秸秆焚烧最多的五钭2 2 1 。由于其特殊地形和气候条件，郑州地 区属于秸秆焚烧污染重灾区田l ，2 0 0 7 年6 月1 0 日和2 0 0 9 年6 月1 4 日，曾分别发 生了由秸秆焚烧引起的严重灰霾天气，对河南省秸秆焚烧的环境影响研究比较迫切。 为全面评价秸秆焚烧的环境影响，其所排污染物的传输扩散是一个很重要的方 面，进行这方面的研究有很重要的意义。首先，通过秸秆焚烧环境影响的数值模拟， 可以为区域大气质量评价提供基础数据，为禁烧措施的指定提供参考；其次，可以 对其影响进行量化，更加可观地评价其影响；再次，通过对于秸秆焚烧污染物传输 扩散的模拟，可以找出导致城市空气环境恶化的主要气象条件，当这种气象条件在 秸秆焚烧期间再次出现时，可以提前对空气质量恶化做出判断，提醒相关部门及人 员注意防范；最后，由于可以量化秸秆焚烧污染物的影响，对于秸秆焚烧期间空气 质量预报具有很大的参考价值，可以提高预报的准确度。 1 2 秸秆焚烧的研究现状 国内对于秸秆焚烧的研究近些年刚刚起步，国外对于生物质燃烧的研究起步很 早。国外研究的生物质燃烧包括草原大火、森林火灾、秸秆焚烧( 野外和家庭) 等 多个方面，其中约有4 2 来自于草原大火，2 3 来自于农作物秸秆，1 7 来自于森 林，1 8 来自于木材燃料【2 4 】。国外对于生物质燃烧和国内对于秸秆露天焚烧的研究 主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 焚烧火点的监测：目前对于秸秆露天焚烧的监测主要是基于卫星遥感数据， 1 9 8 1 年，j e f fd o z i e r 提出了卫星资料在亚像元精度上识别地面温度的算法 2 s l ，1 9 8 6 年，f l a n n i g a n 和h a r r 就提出了用a v h r r 监测森林火灾的算法，并指出了其在监测 偏远地区森林火灾的价值1 2 6 j 。s t e p h e nh b o l e s 等比较了几种基于a v h r r 资料的火 点探测算法，并指出地面覆盖的多样性对导致探测精度的影响【2 7 1 。杨丽萍等指出 m o d i s 数据除可进行简单秸秆焚烧监测外，还可以提供诸如火头分布、烟云走向、 火势强度和发展方向等信息1 2 引。目前精度比较高的自动探测算法为“背景对比火点 探测算法”( t h ec o n t e x t u a lf i r ed e t e c t i o na l g o r i t h m ) 2 9 1 ，河南、陕西等省级气象部 门专门开展了秸秆焚烧监测业务，为管理部门治理秸秆焚烧活动提供支持【3 1 1 。王 子峰等依据实际观测情况对“背景对比火点探测算法”中的关键参数和阈值进行了 4 适当调整，使其更好的适合中国地区火点【3 2 1 。方萌等提出了用g i s 辅助判别火点类 型和用g p s 技术对火点进行精确定位的方法，使火点位置误差小于1 0 m 1 3 3 1 。戎志国 等通过人工火情测量试验，发现虽然现有遥感卫星红外通道星下分辨率只有l k m ， e o s m o d i s 及f y - 1 d 等气象卫星的中波红外通道均可探测到小至2 0 0 m 2 甚至1 0 0 m 2 的完全燃烧的火场【3 4 l 。刘诚、冯蜀青等分析了基于火点像元辐射率的亚像元火点面 积和亮温的估算方法，并进行了实例比较，指出该方法可以较准确地估算火点面积 大小和温度的高低，是可行的【3 5 侧。 ( 2 ) 焚烧污染物排放因子的研究：在理想状态下，生物质的燃烧主要产生水蒸气 和c 0 2 ，但在多数情况下特别是焖火过程中，由于不完全燃烧，导致烟尘中含有c o ， n o x 、c i - h ，非甲烷烃、氨和v o c 等污染物。早在1 9 世纪8 0 年代，s e i l e r 和c r u t z e n 就指出了人为生物质燃烧在改变大气化学成分方面的重要作用 3 7 1 。目前常用的生物 质燃烧颗粒物排放因子的测定方法有两类：一是通过模拟燃烧实验测定燃烧消耗量 和颗粒物排放量获得排放因子，此方法的缺点在于实验室不能完全模拟野外的焚烧 条件；二是通过同步测定燃烧现场烟羽中颗粒物和c 0 2 的浓度来推算排放因子，此 方法的缺点在于秸秆c 0 2 排放因子也受诸多因素的影响。1 9 9 5 年，r d e l m a s 和j p l a c a u x 总结了从1 9 7 9 年到1 9 9 5 年，一些科学家做的包括美洲、非洲、澳大利亚等 地区在内的自然的和人为的生物质燃烧的研究，概括了各种燃烧类型下，各污染物 的排放因子和排放比例1 3 引，对后续研究起到了一定的指导作用。c h r i s t o p h e re s a a m a k 等研究了上风向和下风向点火状态下的燃烧效率，并指出了点火位置对排放 因子的影响【3 引。国内这方面开展的研究起步较晚，研究也较少，祝斌等利用实验室 模拟明火和焖火燃烧状态下不同地区玉米、小麦和水稻秸秆的p m 2 5 排放因子，指 出排放因子受秸秆燃烧状态影响显著，而随地区的变化比较小【柏j 。张鹤丰在实验室 测定了水稻、玉米和小麦秸秆气态污染物( c o ，c 0 2 ，n o x 、多环芳烃) 的排放因 子、排放比和燃烧效率，并测定了燃烧排放颗粒物的粒径分布特征和粒径成长特征 4 1 】。各种生物质燃烧p m 2 5 排放因子汇总见表1 1 。 ( 3 ) 焚烧量的估算及其污染物排放量的估算：由于秸秆焚烧活动时间短，除卫星 监测外，无其他有效监测手段，而卫星监测受到诸多因素的影响，不能监测到所有 焚烧火点，因此，秸秆焚烧的总量无法精确计算，只能通过各种方式估算。j a s s i m a 1 s a a d i 等比较了四种基于卫星监测的实时秸秆焚烧污染物排放量的估算方法，指 5 表1 1 农作物秸秆和草类燃烧时颗粒物排放因子汇总 出目前主要的估算方法都只能估算正在燃烧的火点的排放情况1 4 9 。vk r i s h n ap r a s a d 等估算了印度东北地区生物质燃烧痕量气体的排放量，并重点强调了遥感和g i s 技 术在估算方法中的应用价值【5 2 1 。j o e ls l e v i n e 估算了1 9 9 7 年印度尼西亚干旱引起的 森林火灾排放的c o s ，c o ，c h 4 ，n o x 和颗粒物的量，估算结果超过1 9 9 1 年海湾 战争伊拉克点燃的科威特油田燃烧的排放量【5 孔。h a o 等曾在1 9 9 4 年估算东亚地区小 麦秸秆有1 7 被焚烧1 5 0 1 ，这一数据被s t r e e t sd g 等引用【钉】。王书肖等通过问卷调 查和模型计算，确定了我国秸秆露天焚烧的比例为1 8 5 9 ，并以此为基础估算了我 国秸秆露天焚烧大气污染物排放清单及其时空分布【5 l 。曹国良等根据各省、市、自 治区粮食和经济作物的产量，结合谷草比，得到全国各省份的农业秸秆总产量，再 通过文献调查等方法，得出我国农业秸秆露天焚烧的比例约2 3 3 左右【6 】。曹国良等 6 还分别估算了我国生物质燃烧和秸秆露天焚烧排放的s 0 2 、n o x 、n h 3 、c i - h 、e c 、 o c 、v o c 、c o 、c 0 2 等污染物的排放量，其中秸秆露天焚烧的估算因子还有t s p 和p m l o ，并进一步细化到了县、区及行政区，分析了污染物排放的空间分布 5 4 - 5 6 1 。 ( 4 ) 焚烧的环境影响：燃烧所排的污染物包括气溶胶和各种气态污染物。气溶胶 一方面影响城市环境，一方面可以通过散射及反射太阳辐射改变地球能量平衡，从 而影响全球气候1 5 。气体污染物中，c 0 2 和c h 4 是温室气体，n o x 和s 0 2 等有利于 酸雨的形成，氮氧化物是生成光化学烟雾的重要一环【5 8 5 9 1 。r k o p p m a n n 等指出生 物质燃烧排放的c o ，c h 4 和v o c 通过与o h 自由基的反应，对对流层的氧化性影 响很大，而排放的v o c 和氮氧化合物会导致臭氧和其他光化学氧化物的形成嘲l 。 厉青等利用卫星遥感监测的全国秸秆焚烧状况，结合气象资料分析其对环境空气质 量的影响，发现7 0 0 、8 0 0 k m 范围内火点数变化趋势与空气污染指数有较好的一致 性【2 2 1 。李金香等于2 0 0 6 年6 月2 0 日通过颗粒物采样监测了西南风下北京南部农田 麦秸焚烧产生的污染物向北京传输的过程，发现气象条件对污染物浓度变化起主导 作用，而麦秸焚烧产生的外来污染源属于次要地位1 6 1 1 。伍德侠等通过对秸秆焚烧期 间合肥市黑炭气溶胶的连续实时监测分析，发现在秸秆焚烧期间，合肥市黑炭气溶 胶质量浓度增加了约7 3 6 2 1 。谢明捷等通过分析2 0 0 7 年夏秋季节灰霾天气和非灰 霾天气不同粒径颗粒物的样品，发现秸秆焚烧释放出大量低分子量多环芳烃 ( p a h s ) 6 3 1 。郑晓燕等利用大气颗粒物样品中有机炭( o c ) 与水溶性钾( k + ) 的质量浓 度变化，识别了春耕( 清明) 、麦收、秋收和秋季落叶等4 个生物质燃烧过程，在生 物质燃烧典型样品中，其贡献高达三至六成唧】。陶金花等通过秸秆焚烧遥感监测结 果和o m i 数据计算出华北地区同时期对流层n 0 2 垂直柱浓度总量变化的分析，发现 2 0 0 8 年华北地区秸秆禁烧措施对对流层n 0 2 柱浓度的降低起到一定的作用【6 5 1 。相关 研究还发现，生物质燃烧对对流层臭氧的增加有一定的贡献1 6 6 - 6 7 】。 为全面评价秸秆焚烧的环境影响，秸秆焚烧排放的污染物传输是一个重要方面， 而国内这方面的研究还鲜见报道，而国外关于生物质燃烧所排污染物的传输做了很 多研究。h e v a n g e l i s m 等通过全球传输模式g i s s ( g o d d a r di n s t i t u t ef o rs p a c es t u d i e s ) 和后向轨迹模式h y s p l i t 研究发现，南极洲半岛靠近西南大西洋地区的黑炭气溶胶 有一半来自于南美洲生物质燃烧旧。s a u l o rr f r e i t a s 等通过r a m s 模式模拟和卫星 监测，发现南美洲和非洲生物质燃烧污染物可以跨过大西洋在两大洲之间传输，最 高传输高度可达1 0 0 0 0 m 以上岬j 。m o a n d r e a e 等通过观测发现，南美苏里南地区 7 1 0 k m 以上对流层中增加的c o 、c 0 2 、乙腈、氯甲烷、烃类、n o 和0 3 有8 0 - - , 9 5 来自于地面生物质燃烧i t o l 。秦世广等通过a t s r 卫星火点资料，采用前向气流轨迹 模式及滞留时间分析方法，研究了欧亚大陆生物质燃烧的传输特征，并分析了其对 中国的影响1 7 1 1 。b a i n s l i e 和p l j a c k s o n 用c a l p u f f 模式模拟了加拿大英属哥伦 比亚省乔治王子城附近的野外废弃木料燃烧的环境影响，并提出了不同气象条件下 可以允许的距离城市的燃烧范围1 7 2 1 。y u - j i nc h o i 和h j s f e m a n d o 用c a l p u f f 模 式模拟科罗拉多州作物秸秆焚烧烟团在美国和墨西哥边境的传输，指出由于模式无 法模拟二次粒子的形成，导致模拟结果偏低1 7 3 1 。r a h u lj a i n 等介绍了基于c a l p u f f 和中尺度数值模式m m 5 的用于模拟农业秸秆燃烧污染物扩散的c l e a r s k y 系统，并 指出气象场预报结果和火点监测效率对模拟结果的影响很大【7 4 l 。 1 3 技术路线 本文基于河南省夏收季节秸秆焚烧活动的卫星遥感监测结果，结合精确到县一 级的小麦平均单产资料和谷草比，估算出各火点焚烧的秸秆量，再乘以一定的排放 因子，得到单个火点污染物( p m 2 5 ) 排放量。采用中尺度数值模式m m 5 预报结果 作为背景气象场，用c a l m e t 诊断模式进行分析并同化河南省部分地面气象观测站 观测资料得到进一步精细化的气象场，用c a l p u f f 扩散模式对各火点所排污染物 的扩散进行数值模拟。最后对模拟结果进行检验和分析。 8 第二章研究方法、模式介绍及资料来源 2 1 秸秆焚烧遥感监测原理 2 1 1 卫星遥感火点监测原理 极轨气象卫星a v h r r 有波长范围在可见光、近红外、中红外、热红外的五个 通道，其量化等级为l o 比特，星下点分辨率为1 1 k m 。地面观测和空中遥感证实， 3 51 1m 光谱对燃烧的火焰特别敏感，n o a a a v h r r ( 高分辨率辐射扫描计) 第三 通道正在此光谱范围内。 a v i - - i r r 中红外通道接受的目标辐射可由公式： 工( r ) 2j ：e u b ( 2 ，t ) c b ( t ) d 2 ( 2 _ 1 ) 描述。式中，三为仪器辐射值，为比辐射率，口为温度r 时的普朗克函数，五为 波长。 根据维恩定律： 厶t = 2 8 9 7 8 ( , u n 七) ( 2 - 2 ) 丸是温度为丁时黑体辐射量最大时的中心波长。温度越高，辐射能量峰值波长越往 短波方向移动。常温地球辐射能量最大峰值在l l p m 附近，秸秆焚烧温度一般在 6 0 0 , - , 8 0 0 k ，其辐射峰值波长在3 5 1 t m 左右，而a v h r r 第三通道正好在此范围，能 有效监测地面秸秆焚烧火点。 2 1 2 秸秆焚烧火点的识别及面积计算 由于a v h r r 通道3 对地面高温热源非常敏感，当地面有火灾发生时，将使该 点像元辐射温度比背景辐射温度( 即火点像元周围的像元平均辐射温度) 高。因此 火点的判定条件为： 落t c m 3 - t b g 呢 9 ( 2 3 ) 式中：t c h 3 为待判定像元的辐射温度：磁( 背景辐射温度) 可由混合像元周围非 火点像元获得近似值，龟为最小温差判定阈值，一般可根据经验取4 8 k ；z 孟为 火点像元的最低辐射温度判定阈值，可根据季节和时间的不同选取，一般在 2 9 0 3 2 0 k 之间。另外根据火点经纬度坐标，结合地表覆盖资料，将火点区分为森林 火点( 位于有林地或疏林地) 、秸秆焚烧火点( 位于旱田或水田) 及城市热点( 位于 城市中) 等类型，并建立常年高温点数据表，如炼钢厂、窑厂等，以免将常年高温 点误判为火点。 当地面出现火点时，含有火点像元( 以下称混合像元) 的辐射率可由公式 心- - e + ( 1 廿心卵嘉高+ ( 1 廿) 禹( 2 钔 表述。式中：i ，为混合像元辐射率：p 为混合像元中火点( 即明火区) 亚像元占该 像元面积百分比；“；为亚像元火点辐射率；为火点周围背景辐射率；为火 点亚像元温度：磁为背景温度：i = 3 、4 ，表示a v h r r 红外通道号：形为通道i 的中心波数；c l 、c 2 为常数。 根据上面的辐射率公式，可利用通道3 和通道4 建立二元线性方程组： v ，3 f2 ：3 一( 1 。卜麓培( 2 - 5 ) i 4 ，= 尸4 胁+ ( 1 一p ) o 4 6 譬 并建立有关p 和瓦。( f l g 亚像元火点温度) 方程组： 叭u ( p p 暑三二二笼：二三：笼二z g 呦 i，丁) = p 4 胁+ ( 1 一尸) 4 6 9 一4 厂 。 通过叠代法求解该方程组可求出火点亚像元面积比p ，再乘像元面积计算得到 亚像元火点面积，较大的多像元火点再对各像元求和即得到火点面积【2 3 州。经检验， 该算法可以较准确地确定焚烧火点的面积大小和温度高低【3 5 1 。 2 2 源强的确定 源强的确定基于秸秆焚烧火点的面积，结合精确到县一级的小麦单产资料，乘 以小麦谷草比得到该火点焚烧的秸秆量， 该火点的p m 2 5 排放量，可由公式 q = 4 z 。七。q 再乘以小麦秸秆的p m 2 5 排放因子，得到 ( 2 7 ) 表述。式中q 为火点i 的p m 2 5 排放量；z 为火点所在县的平均单产；k 为小麦谷草 比，采用中国农村能源行业协会数据( c a p e l ，2 0 0 0 ，p 2 4 ) ，取1 3 6 6 ；e ，为小麦秸秆 p m 2 5 排放因子。 排放因子的影响因素很多，包括秸秆湿度，点火方式，燃烧温度、空气湿度等 【7 5 一。根据祝斌等在实验室的测定结果，中国地区小麦秸秆在明火燃烧状态下p m 2 5 平均排放因子为3 1 2 圭8 6 9 k g ，焖火燃烧状态下a m 2 5 平均排放因子为 8 8 3 士1 6 3 9 k 9 1 4 0 1 。河南省小麦秸秆样本在明火和焖火燃烧状态下p m 2 5 平均排放因子 分别为3 9 o 士4 8 9 k g 和1 0 4 6 d ：5 4 9 k g 。考虑到实际燃烧过程，将明火和焖火秸秆焚 烧的质量比例设为8 0 ：2 0 。但在实际的秸秆焚烧过程中，存在顺风点火( 从焚烧区域 上风向点火) 和逆风点火( 从焚烧区域下风向点火) 的区别。研究发现，顺风点火 情况下秸秆粉尘排放因子大约为逆风点火的两倍【7 7 1 。由于无法确定各个秸秆焚烧火 点是顺风点火还是逆风点火，因此将实验室测试结果扩大1 5 倍作为排放因子。采 取河南省样品测试结果，考虑到顺风点火或逆风点火、明火燃烧和焖火燃烧的区别， 最后将p m 2 5 排放因子定为7 8 1 8 9 k g 。 2 3c a l p u f f 模式 2 3 1 模式简介 c a l p u f f 为美国e p a 推荐使用的一个用于区域大气质量数值预测评价的模式 系统，适用于模拟污染物传输行为的集成模式，由s i g m a 公司开发，核心是基于l f f o r t r a n 9 5 编译，调试的多层、多种类、非定常的高斯烟团扩散模型( c a l p u f ) 与 三维气象要素场诊断模型( c a l m e t ) 或c s u m m ( av e r s i o no fc o l o r a d os t a t e u n i v e r s i t ym e s o s c a l em o d e l ) 相耦合的空气质量数值预测评价模式系统。c a l p u f f 采用烟团函数分割方法，垂直坐标采用地形追随坐标，水平结构为等间距的网格， 空间分辨率为一至几百公里，垂直不等间距最多3 0 多层。污染物包括s 0 2 、n o x 、 c m h n 、0 3 、c o 、n i l 3 、尘、b c 等，包括污染物的排放、平流输送、扩散、干湿沉 降等物理与化学过程。c a l p u f f 模型系统可以处理连续排放源、间歇排放、突发排 放等情况，能够追踪质点在空间与时间上随流场的变化。 c a l p u f f 模式包括诊断风场模型c a l m e t 、高斯烟团扩散模型c a l p u f f 和 后处理软件c a l p o s t 三部分。 2 3 1 1c a l m e t 模块 c a l m e t 模块利用质量守衡原理对客观风场进行地形动力学、斜坡流、热动力 学诊断，是一个包括地形动力效应、地形阻塞效应参数化、差分最小化和一个用于 陆面和水面边界条件的，计算混合层厚度、稳定度、海陆风环流、山谷风环流等的 基于3 d 网格点的边界层气象学模型。c a l m e t 能够将由c s u m m 诊断风场模块或 m m 4 m m 5 生成的风场数据与观测数据结合起来，可直接使用中尺度气象模式 ( m m 4 、m m 5 、c s l 删m ) 模拟、预测输出的逐时、分、秒格点资料，或实测气象 资料，或中尺度气象模式输出资料和实测资料相结合作为输入资料，输出逐时、分、 秒风场、温度场、混合层高度、大气稳定度等3 d 格点气象数据1 7 9 - 7 9 。 在诊断风场模式中，c a l m e t 分两步模拟风场。第一步是生成初始猜测场，第 二步是在猜测场中加入观测数据，形成完整的诊断风场 s o l ： a ) 初始猜测场 初始猜测场的生成分三个步骤： ( 1 ) 地形动力学影响( k i n e m a t i ce f f e c t so f t e r r a i n ) ：c a l m e t 对地形的动力学 影响参数化是利用l i u 和y o e k e 提出的方法，对地形的动力学影响进行参数化，笛 卡尔坐标系中的垂直风分量的计算方程为： w = ( 矿v h t ) e x p ( - k z ) ( 2 8 ) 式中：y 为研究区域内的平均风速，籼为地形高度，j i 为稳定度指数衰减系数，z 为 垂直坐标。 ( 2 ) 斜坡气流：1 9 9 7 年s c i r e 和r o b e 采用的一种新的斜坡气流的参数化方案。 该方案是以m a h r 在1 9 8 2 年提出的射流参数化方案为基础的。射流是一种浮力控制 的气流，在斜坡气流层的顶部通过微动量的对流、地表拖曳和夹带保持平衡。在m a h r 的基础上，获取斜坡气流速度，假设气流是稳定的，其深度和地形坡度是常数。科 氏力作用和气流的穿越的影响被忽略。这样斜坡气流的速度表达式为： l s = s e 1 一e x p ( 一x t ) 】2 ( 2 9 ) 1 2 疋= h g ( a o l e ) s i n a l ( c d + 后) 】2 ( 2 - 1 0 ) l e = h i ( c d + 七) ( 2 - 1 1 ) 为斜坡流的平衡速度，厶为平衡状态下的长度尺度，x 为气流距离山顶的距离，a o 为气流与周围环境的位温差，p 为周围环境的位温，劬为地表的拖曳系数，h 为斜 坡气流的深度，a 为地形与水平面的夹角，k 为斜坡气流顶部的夹带系数，g 为重力 加速度。 ( 3 ) 阻塞作用( b l o c k i n ge f f e c t ) - 地形的热力动力学对风场阻塞作用的参数是 根据当地的弗洛德数定的： 丹：上( 2 - 1 2 ) n a h , 她= ( ) 矿一( z ) 驰 ( 2 - 1 3 ) b 为当地地弗洛德数，y 为格点处风速，为布伦特维塞拉( b r u n t - v a i s a l a ) 频率，4 啊为障碍物有效高度，一扩为格点) 影响半径内最大地形高度，p 独为格点) 的最大高度。 通过以上三个过程的处理，就生成了第一步风场。对于外部生成的第一步风场 ( 比如m m 5 预报场) ，不需要使用跟c a l m e t 模型相同的水平格点分辨率。第一 步风场生成后，便可利用可获得的