第23卷第3期2007年06月热带气象学报,No.3Jun.,2007文章编号：1004-4965(2007)03-0229-08华南地区网格化在路机动车污染排放量估算与分析冯业荣1,2，王安宇1，吴兑3,1，樊琦1(1.中山大学环境科学与工程学院大气科学系，广东广州；2.广东省气象台，广东广州；3.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州)摘要:在机动车数据的基础上，利用SMOKE模式估算了华南地区在路机动车污染物排放量，得到了用于空气质量数值模拟的网格化机动车排放源数据。估算结果显示机动车排放源主要分布在珠江三角洲和华南沿海地区，其中珠江三角洲排放量最大，且在深圳香港、广州、珠海澳门三个中心城市区分别出现了三个机动车排放中心，这三个中心与区域经济发达程度有较好的对应。分析还表明，快速增长的摩托车和小汽车数量对机动车排放总量的影响很大，是造成华南城市空气质量恶化的重要因素。关键词：SMOKE模式；华南；珠江三角洲；机动车排放中图分类号：P456.7文献标识码：A达的地区之一。随着经济持续高速发展，珠江三角洲地区交通流量逐年增大，汽车尾气污染已经成为该地1引言区面临的重大环境问题。估算华南地区在路机动车的排放源是开展华南城市化进程加速和机动车数量的快速增长使汽空气质量数值预报的前提条件。可以通过现场采样获车尾气成为我国许多城市的头号空气污染源[1-2]。机取汽车排放数据[13-14]，但采样工艺和分析方法相当复动车主要排放一氧化碳CO、颗粒物PM10、氮氧化物NOx和挥发性有机化合物VOCs等物质，在对流层中杂。而且现场采样通常得到的只是被测车辆在静止状后两者在太阳光照射下通过一系列光化学反应产生况下的单车排放量，不易测得机动车行驶状况下的排臭氧和OH自由基[3-4]等物质。NO2与OH自由基可放量。对于区域空气质量数值预报，重要的是获得研生成硝酸蒸汽，或与水反应生成硝酸液滴，再经过一究区域每个网格内各种车辆运行的总排放量。用现场[4]系列物理化学过程产生硝酸盐气溶胶。此外，OH取样方式获取区域机动车在路排放数据是不实际的。自由基也可与VOCs经过化学反应生成各种有机自比较可取的办法是利用各种机动车排放模式[15-18]估由基，包括烷基、烷氧基和过氧烷基等物质，这些自算机动车排放量。在这类模式中，往往已经根据机动由基与O2和NOx等反应最终可生成各种醛、酮和过车的各种排放因子和大量车辆测试数据建立了机动氧乙酰硝酸酯(PAN)等，进而通过核化过程生成二次车气态污染物和颗粒物的排放算法。有机气溶胶粒子[5-6]。汽车尾气的光化学产物臭氧、美国北卡罗莱纳大学(UniversityofNorthCaro-气溶胶粒子和其它反应物、生成物一起，可形成城市linaatChapelHill)环境模拟中心开发的SMOKE光化学烟雾[2]和灰霾天气[7-9]。灰霾可导致能见度恶化[10]，并与人体各种疾病有联系[11-12]。(SparseMatrixOperatorKernelEmissions)模式[18]是一华南是我国经济活跃地区，该地区国民生产总值个先进的排放源模式。该模式可提供机动车排放源的约占全国40%，其中珠江三角洲又是全国经济最发计算模块。本文利用这个模式对华南(范围：18～28收稿日期:2006-02-13;修订日期：2006-07-08基金项目：国家973计划资助项目(2002cb)；国家自然科学基金项目(，)共同资助作者简介:冯业荣(1963－)，广东人，男，博士/正研高工，现从事空气质量数值模式和灾害性天气临近预报研究。E-mail:热带气象学报23卷°N，105～121°E)内机动车在路排放源进行估算，得上，比2002年增长17.7％。汽车保有量为2421万辆，2002年增长13％。比近年来私人汽车增长迅猛，到了该地区的机动车网格排放数据。根据估算的结果1990年全国私人汽车只有81.62万辆，到了2003年讨论了华南机动车排放源的空间分布特征，以及机动已经达到1242.76万辆，而2005年更多达2365万车数目变化对尾气排放总量的影响。辆。私人汽车中增长最快的是私人轿车，2003年全国私人轿车达489万辆，比2002年增长42.6%。图2机动车资料分析1显示了1990～2003年全国摩托车、汽车、私人汽车保有量增长情况。其中摩托车的增长速度相当惊2.1资料来源人，从1990年的421万辆增加到2003年的5929万本文各种机动车的数量、种类取自国家统计局中辆，增加了13倍。可以预计，随着居民收入的增加国统计年鉴()，华南各省、地市政府和汽车价格的下降，我国私人汽车拥有量将继续保持有关部门发布的国民经济和社会发展报告、统计公报加速增长的势头。等。越南的机动车数据主要来自互联网。SMOKE模2.3研究区域式将机动车分为轻型汽油车(LDGV)、轻型汽油货车机动车排放估算区域分别是36km分辨率的(LDGT1)、小型汽油货车(LDGT2)、重型汽油车DOM1和12km分辨率的嵌套区域DOM2。DOM1(HDGV)、轻型柴油车(LDDV)、轻型柴油货车包括广东、海南、广西、香港、澳门，福建大部分地(LDDT)、重型柴油车(HDDV)和摩托车(MC)等，各区，贵州、湖南、江西和邻国越南的部分地区。DOM2种车型的定义见表1。上述机动车各车型的数目有的涵盖整个广东省，如图2所示。图中灰色区域为珠江地方(如广州市)可得到具体统计数字，但一些地方只三角洲(PRD)。能得到机动车总数和个别车型(如摩托车)的数目，其它车型则根据与已有数据的比例推算得到。人口资料取自美国哥伦比亚大学地球研究所的国际地球科学信息网络中心CIESIN(CenterforInternationalEarthScienceInformationNetwork,ColumbiaUni-versity：http:///gpw/)。各种数据统计到2003年，为2003年11月的空气质量数值模拟个例估算机动车排放源。表1车型信息车型日均行驶简称中文名里程/km说明图1我国机动车数目增长情况LDGV轻型汽油车65以轿车、面包车为主LDGT1轻型汽油货车60总重量在2.7吨以下LDGT2小型汽油货车80总重量在2.7～3.8吨总重量在3.8吨以上的大客HDGV重型汽油车200车、公共汽车等以柴油为燃料的轿车、面包LDDV轻型柴油车100车等，数量很少可忽略[21]LDDT轻型柴油货车100总重量在3.8吨以下总重量在3.8吨以上，包括各HDDV重型柴油车150种柴油大客车、大货车MC摩托车302.2机动车增长趋势1980年代以来我国汽车拥有量以超过10%的年增长率增长[19]。截至2003年底全国机动车保有量已图2研究区域达9650万辆，与2002年相比，增长了21％。其中摩托车为5929万辆，占全国机动车保有量的61%以3期冯业荣等：华南地区网格化在路机动车污染排放量估算与分析231将DOM1分成64个基本区域(主要以市级行政公式(1)算得的VMT按照一定的道路比例分配区区划为主)，其中广东21个，广西13个，福建、到多种道路类型上。表2给出所使用的10种道路类贵州、湖南各8个，江西3个，香港、海南和越南各型。SMOKE模式的道路类型包括城间高速、城内高1个。计算时各车型均按基本区域统计。根据所收集速、城市主干道、城市次干道、城市支线、城市街道、的资料，DOM1内2003年的机动车总数分别是广东乡村次干道、乡村主支线、乡村次支线、村道等。我1285万辆，江西101.8万辆，广西362.7万辆，福建国公路分国家公路(国道)、省级公路(省道)、县级公292.7万辆、贵州65.9万辆、湖南106.9万辆，香港路(县道)、乡村道路和专用公路五个等级。国道和省57.9万辆，澳门16.4万辆，海南90.9万辆和越南117道称为干线，县道和乡村道路称为支线。由于分类方万辆。图3给出DOM1区域内各类机动车数分布比法不同，很难将我国的公路类型与SMOKE模式的公例。其中摩托车占比例最大，达75%，其次是轻型路类型进行一一对应，所以本文通过表2中模式道路汽油车占11%，其它车型比例较小。类型的比例分配VMT。10种道路类型的比例参考这了美国国家排放源清单NEI(NationalEmissionInventory)中相应的道路数据，并按照华南各地经济发达程度差异进行调整得到。车速是SMOKE模式的另一类重要参数。表2给出在各种类型道路上的平均车速(轻型汽油车)。这些车速基本上是按照车辆的安全车速来设置的，并参考了交通部“黄金周”公路交通信息网(http:///jtl/gzjl/)上部分观测站点对我国交通主干线的实时车速监测数据，以及一些文献的现场调查结果[20]。将高速公路平均车速取为100km/h，城市干线为60km/h，城市拥挤街道车速取为13km/h。表2道路类型、平均车速和路型分配比例路型平均车速路型道路类型英文名称中文说明图3/(km·h1)-华南机动车车型比例代码比例150RuralMinorArterial乡村次干计算方法乡村主支线190Ruralminorcollector乡村次支线村估算机动车行驶总里程230Urbaninterstate省际高速公路模式可根据机动车行驶英里数VMT250Urbanfreeway城市快速(VehicleMilesTraveled)和平均车速计算机动车排放270Urbanprincipalarterial城市主干量。因此需要以基本区域为单位，估算各类机动车的290Urbanminorarterial城市次干年行驶总里程数(总VMT)。每个基本区域总VMT按310Urbancollector城市支线城市街公式(1)计算。VMT=某车型的车辆总数×365天×该类车日均行驶公里数÷1.609(1)3.2移动排放源计算流程上述公式算出某类车辆在基本区域内一年的总机动车排放是根据SMOKE模式的移动源模块行驶里程数(英里)，其中除数1.609将计量单位从公计算的，图4给出该模块的计算流程。SMOKE模式里转换成英里。每类车的日均行驶里程见表1。日均调用MOBILE6[22]机动车排放程序，模拟机动车各种行驶里程的设置参考了以下数据：私家车每年行驶排放过程(行驶排放、起动排放、停车时热吸蒸发、1～2万公里，单位用车2～4万公里，运营车辆5～白天气温上升导致燃油蒸发、停车漏油、行驶时蒸发10万公里。泄漏、曲轴箱蒸发泄漏、加油过程蒸发、制动件磨损232热带气象学报23卷产生颗粒物和轮胎磨损产生颗粒物)产生的尾气排放合并过程将逐时排放、物种生成因子、空间分配因子量。图中网格化过程利用空间替代物(spatialsurrogate)相结合，最终形成空气质量模式可用的排放源。计算将区域总排放分配到网格点上。时间分配步骤将需要考虑气象因素对机动车排放的影响。本文计算所VMT和排放因子结合，进行时间调整以获得逐时排需的气象网格数据由中尺度气象模式MM5模拟产放数据。化学物种生成步骤对区域内每种道路、车型、生。关于利用MM5模式的数值模拟已有大量研究论排放过程和污染物计算化学物种产生因子。最后一步文涉及，读者也可参阅MM5模式手册[23]。MOBILE6预处理网格化气象预处理合并MOBILE6驱动程序处理VMT数据时间分配化学物种生成图4SMOKE在路移动排放源处理流程3.3空间替代物能不一样。本文计算了2003年10月31日的机动车排人口密集的地方往往也是车辆最集中、活动频繁放。这一天华南地区高空受稳定冷高压脊和菲律宾东的地方，故采用人口密度作为机动车排放源的空间替部强热带风暴“茉莉”环流共同影响，强的下沉气流代物(即空间分配因子)。利用分辨率2.5′(约4.5km)控制着华南，机动车尾气不易扩散，两天后广州空气的第三版全球网格人口数据GPW(Gridded污染指数(API)出现了303的历史最高?为两个区域DOM1和根据SMOKE模式机动车排放源的估算结果，统DOM2构造空间替代物。空间替代物决定如何将计了华南(DOM1的陆地部分)、粤港澳和珠江三角洲VMT分配到基本区域内各个网格当中。人口空间替(指广州、佛山、江门、中山、珠海、深圳、东莞、代物的值由以下公式决定肇庆、惠州等市和香港、澳门地区)的机动车日排放Pj,kAj,k(2)总量(表3)。Sj,k=m∑k=1Pj,kAj,k表3SMOKE计算的机动车日排放总量单位：t/d。Sj,k为替代物的值，即空间分配比例因子。代表j地区CONOxPM10第j个基本区域，k代表该基本区域内第k个网格。澳门广州.93m为基本区域网格点的个数。Pj,k为人口数。Aj,k为珠江三角洲面积百分率。若一个网格包含在基本区域内部，则粤港澳Aj,k=1；若一个网格只有部分落在基本区域内，则Aj,华南k代表该部分面积占一个网格面积的百分比，0≤Aj,k≤1。Aj,k的值由地理信息系统计算得到。4结果4.1无机污染物排放总量机动车排放与气象条件有关系，受冬夏季节差异和昼夜温度变化的影响，因此不同的日期计算结果可计算结果显示，在路机动车最大的排放是CO，其次是NOx，PM10排放很小。就CO和NOx日排放总量而言，粤港澳地区对华南的贡献率分别为56%和54%，而珠江三角洲排放量则分别占粤港澳的58%和63%。对于颗粒物PM10来说，粤港澳对华南的贡献率为50％，珠江三角洲对粤港澳的贡献率为3期冯业荣等：华南地区网格化在路机动车污染排放量估算与分析.5%。上述排放比值显然与地区经济发展程度关系动车有机物排放集中于珠江三角洲地区，增加了该地区发生光化学烟雾和灰霾天气的潜在危险。很大。虽然粤港澳三地面积总和只占华南陆地面积的表6模式计算的部分挥发性有机物组分的排放量1/4左右，但各种机动车污染物排放量的贡献率均超单位：×105mol/d。过50%。在粤港澳地区，珠江三角洲面积只占30%地区华南粤港澳珠三角左右，各种机动车污染物排放量均超过半数。ALD2乙醛本文估算的结果与其它研究结果进行了比较(表ETH乙烯)。由于区域、年代和算法不同，本文的估算数据与FORM甲醛其它研究结果有一定差异，但从数量级来看，本文的ISOP异戊二烯估算结果与其它计算结果相当。OLE烯烃链烷烃.00SO2和NH3的机动车日排放较小，接近PM10的TOL甲苯量级(表5)。这两者在粤港澳的排放总量分别占华南XYL二甲苯陆地排放的52.5%和60％，而两者在珠江三角洲的日排放量则分别占粤港澳的65%和68.8%。通过化学4.3摩托车和轻型汽油车对排放量的影响氧化过程SO2可形成硫酸蒸汽，硫酸蒸汽在大气中很前面提到摩托车和私人汽车的增长速度相当惊容易核化形成细颗粒，也能很快地与其它物质反应生人，这两种车未来的数目变化最大。以下通过人为NH成硫酸盐。3与大气化学反应生成的硫酸或硝酸反改变摩托车和轻型汽油车的数目(主要取决于私人应可生成铵盐，硫酸盐和铵盐可核化形成小粒径的气汽车的数目)来讨论这两类机动车数目变化对机动溶胶颗粒物[5,8-9]，加重城市灰霾。车排放量的影响。表4其它研究结果日排放量，单位：t/d。表7第1行是按2003年实际机动车数量计算的地区CONOxPM10日排放量。若全面“禁摩”(第2行)，其它车辆数目澳门(1999年)[15]不变，则CO、NOx、PM10和TOG(总有机气体)排放广州(1997年)[24].8量均减少。若无摩托车，轻型汽油车增加一倍(第3全国(1990年)[25]-全国(1995年)[21]-行)，排放量仍低于2003年实际排放水平。若摩托车全国(2000年)[26]-数目维持不变，轻型汽油车增加三倍(第4行)，则CO排放量将增加60％，NOx增加40％，PM10增加表5SO2和NH3的日排放量单位：t/d。42%。如果摩托车数目增加50％，同时轻型汽油车地区SO2NH3增加三倍(第5行)，则CO、NOx、PM10和TOG排华南放量将比2003年增加50%以上。粤港澳珠江三角洲表7华南机动车尾气排放总量随机动车数量变化单位：t/挥发性有机物排放总量序号机动车数量变化情况TOGCONOxPM10表6是模式对部分机动车气体有机物种排放量的年实际车辆数估算值。表中有机物种的化学基础是基于第四代碳键2无摩托车，其它车辆数不变化学机制CB-4。和无机污染物类似，粤港澳(珠江三3无摩托车，轻型汽油车增一倍角洲)仍然是华南地区各种机动车有机化合物组分的摩托车数目不变，.轻型汽油车增三倍主要源地。华南机动车有机物超过50％的排放量来自摩托车增一半，..4粤港澳，而粤港澳机动车有机物排放量中有50％以上轻型汽油车增三倍来自珠江三角洲。由于摩托车数目很大，限制摩托车可以有效地减汽车排放的有机化合物具有很强的挥发性，很容少排放量，还能适度腾出私人小轿车的增长空间。易以气态形式存在于大气中，并且在紫外线照射与氮4.4机动车排放源水平分布氧化物的参与下，容易通过光氧化反应产生臭氧，导图5是模式计算的DOM2内一些机动车污染物致光化学烟雾和二次有机气溶胶颗粒的形成。因此机的排放强度水平分布图。可见机动车排放相对集中在234热带气象学报23卷华南沿海交通和经济较发达地区，其中珠江三角洲机动车排放最突出，与珠江三角洲地区高度城市化，交通发达有极大关系。图中也显示珠江三角洲的三个机动车排放中心分别在广州、香港深圳和珠海澳门三个中心城市区，以深港地区排放量最大。上述机动车在路排放源分布特征与高速公路的分布比较相似(图6)，说明估算的机动车排放源分布较合理。图7是2003年11月2日5时20分(UTC)MODIS卫星反演的气溶胶光学厚度(AOD)图。可以看出，气溶胶浓度在珠江口两侧最大，显示出与图5非常相似的分布形态，可能反映在路机动车排放量对大气气溶胶分布的重要影响。图5DOM2机动车排放空间分布图分辨率为12km。图6广东省内高速公路分布图取自。图7MODIS卫星气溶胶光学厚度图3期冯业荣等：华南地区网格化在路机动车污染排放量估算与分析235(3)计算也表明，快速增长的摩托车和私人轿车珠江三角洲平原的地理特征是“三面环山，一可产生很大的排放量，特别是摩托车产生的排放量相面向海”。特殊的地形和华南机动车移动排放源集当惊人，禁止或限制摩托车能有效减少各种污染物的中分布的特征，使得在一定的气象条件下[27-29]，大排放量，改善城市空气质量。气污染物容易在珠江三角洲聚集，导致严重空气污(4)各种机动车统计数字的不确定性可能给本染。文估算结果带来一定程度的误差。此外，由于一些与模式有关的计算参数，如日均里程数、路型比例和平5总结均车速等较难做到完全准确，另外SMOKE模式内设的机动车排放因子也可能与我国的情况有差异，因此(1)通过本文的工作获得了可用于空气质量数今后的研究将在进一步改善数据精度方面做工作。另值模拟的机动车逐时网格排放数据。一方面，需要寻求一种对估算的机动车排放源的合理(2)计算表明，华南机动车尾气排放主要集中华性和可靠性进行评估的办法，当然由于精确的排放源南沿海地区，其中珠江三角洲是主要的机动车排放源实际是无法得到的，这方面的工作目前仍然是一个难地，并表现为有三个排放中心分别出现在广州、深圳题。香港和珠海澳门。这三个中心的形成与交通活动量和经济发达程度密切相关。参考文献:[1]吴忠标，李伟，王莉红.城市大气环境概论[M].北京：化学工业出版社,2003：429.[2]—Managingurbanairquality,EarthscanPublicationLtd,London,1996.中译本:田学文，朱志辉等译.烟雾警报－城市空气质量管理[M].北京：科学出版社，1999:242.[3]秦瑜，赵春生.大气化学基础[M].北京：气象出版社,2003:202.[4]王明星.大气化学[M].北京：气象出版社,1999:467.[5]王振亚，郝立庆，张为俊.二次有机气溶胶形成的化学过程[J].化学进展，17(4):732-739.[6][J].AtmosphericEnvironment,2000,34:2063-2101.[7]吴兑.关于霾与雾的区别和灰霾天气预警的讨论[J].气象，2005，31(4)：3-7.[8]汪安璞.我国大气污染化学研究进展[J].环境科学进展，1994，2(3):1-18.[9]章澄昌,周文贤.大气气溶胶教程[M].北京:气象出版社,1995:328.[10]WUD,TIEX,LIC,:ACaseStudy[J].AtmosphericEnvironment,2005,39:6568-6577.[11]王慧文，林刚，潘秀丹.沈阳市大气悬浮颗粒物与心血管疾病死亡率[J].环境与健康杂志.2003,20(1):13-15.[12]冯业荣，朱科伦，纪忠萍，等.广州大气环境因素与SARS疫情短期变化关系的研究[J].热带气象学报，2005,21(2)：191-198.[13]陆思华,白郁华,张广山,等.机动车排放及汽油中VOCs成分谱特征的研究[J].北京大学学报(自然科学版),2003,39(4):507-511.[14]王玮,刘红杰,刘文涛,等.机动车排放颗粒物采集系统参数的研究和测试[J].环境科学研究,2001,14(4):51-53.[15]吴烨,郝吉明,傅立新,等.澳门机动车排放清单[J].清华大学学报(自然科学版),2002,42(12):1601-1604.[16]吴烨,郝吉明,李伟,等.应用PART5模式计算机动车尾气管的颗粒物排放[J].环境科学,2002,23(1):7-12.[17]何东全,郝吉明,贺克斌,等.应用模式计算机动车排放因子[J].环境科学,1998,19(3):7-10.[18]’sManual,CapelHill,UniversityofNorthCarolina[M],2003.[19]范秀英，张微，韩圣慧.我国汽车尾气污染状况及其控制对策分析[J].环境科学,1999,20(5):102-108.[20]王建华,姚小军,荆炜.107国道新乡段服务水平调查分析[J].长安大学学报(自然科学版),2002,22(5):29-31.[21]郝吉明,傅立信，贺克斌，等.城市机动车污染控制[M].北京:中国环境科学出版社，2001:551.236热带气象学报23卷[22],User’[M],2003:261.[23]MMMD/NCAR.PSU/NCARMesoscaleModelingSystemTutorialClassNotesandUser’sGuide:[M].2001.[24]林晓东,陆小安.广州市机动车尾气污染状况与控制对策[J].广州环境科学，1998，13(4):43－45.[25]贺克斌,郝吉明,傅立新,等.我国汽车排气污染现状与发展[J]..环境科学,1996,17(4):80－83[26]李伟,傅立新,郝吉明,等.中国道路机动车10种污染物的排放量[J].城市环境与城市生态,2003,16(2):36-38.[27]范绍佳,王安宇,樊琦,等.珠江三角洲大气边界层概念模型的建立及其应用[J].热带气象学报，2005，21(3):286－292.[28]李琼,李福娇,叶燕翔,等.珠江三角洲地区天气类型与污染潜势及污染浓度的关系[J].热带气象学报,1999，15(4):363-369.[29]周亚军，熊亚丽，肖伟军，等.广州空气污染指数特征及其与地面气压型的关系[J].热带气象学报，2005,21(1):HERNCHINAFENGYe-rong1,2WANGAn-yu1WUDui3,1FANQi1(,SchoolofEnvironmentalSciencesandEngineering,ZhongshanUniversity,Guangzhou,China;,Guangzhou,China;,ChinaMeteorologicalAdministration,Guangzhou,China)Abstract:Basedonvehicledata,emissionprocessingmodelSMOKEwasusedtocalculateon-roadvehicleemissionsovertheregionofsouthernChina,rlRiverDelta(PRD)sformedinthreemajorurbanizedregionssuchasShenzhen-Hongkong,ycleandlightdutygasolinevehiclehavegreatimpactonmobileemissions,whichcouldleadtoremarkabled:SMOKEmodel,southernChina,PearRiverDelta,vehicleemissions

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