【研究单位】清华大学地球系统科学研究中心
【课题来源】公益性行业科研专项
【成果说明】
灰霾天气，尤其是大气重污染过程随着经济社会的不断发展愈演愈烈，严重影响环境空气质量，危害人民群众身体健康，增加交通安全隐患。从广义讲，灰霾天气的本质是细粒子气溶胶污染，造成灰霾天气的气溶胶粒子包括硫酸盐、硝酸盐、黑碳和有机碳等，其中黑碳气溶胶是我国区域大气灰霾形成的重要原因之一，其对影响空气质量、降低大气能见度有重要贡献。黑碳是由富含碳物质不完全燃烧后的产物,是大气气溶胶的重要组成部分，代表了一个从部分焦化物质到石墨和煤烟颗粒的连续统一体。就全球来说，大约有54%-57%的黑碳来自于化石燃料的燃烧，其他的大部分来自于生物质的燃烧。鉴于黑碳在灰霾天气过程中的重要作用，迫切需要开展黑碳气溶胶对灰霾天气影响的定量研究。本项目从观测分析、模型模拟以及清单核算三个层面，通过能见度、散射和吸收系数以及排放量多种指标分析研究，定量评估黑碳气溶胶排放对灰霾天气的影响。
在活动水平数据库和排放因子数据集的基础上，建立了1990-2013年中国黑碳排放清单。总体而言，1990-2013年间中国黑碳排放总量呈现出稳定上升的趋势，排放量由1990年的118.5万吨增长到2013年的177.2万吨，增长了49%。从行业来看，由于电力、供热部门能源燃烧过程温度较高，燃烧较为充分，导致黑碳排放强度较低，年均排放贡献不足1%；对于工业源、民用源和交通源，其能源使用过程的燃烧温度相对较低，燃烧较不充分，是我国黑碳排放的主要污染源，工业源、民用源和交通源平均分担率分别为31%、54%和15%。其中，工业源与交通源排放的变化主导了黑碳排放总量的变化趋势，1990-2013年间分别增长了1.4和2.4倍；民用能源活动相对稳定，排放量变化较少，但是随着其他排放源排放水平的增加，贡献量逐渐下降。
图1 1990-2013年中国人为源黑碳排放的变化趋势和行业贡献
图2以1990和2013年为例展示了我国黑碳排放的网格化空间分布图。从图中可以看出，1990-2013年我国黑碳排放的区域特征日益显著，农村人口密度较高或经济发达、能源消耗量大的东部沿海地区东部地区、中部地区以及成渝区域呈现出明显的高值区，而农村人口密度和经济发展水平较低的西部地区和内蒙古则较低。
图2 1990年、2013年黑碳排放空间分布图
根据本研究的网格化排放清单模拟的黑碳气溶胶地面浓度分布（图3）与排放源分布（图2）基本一致。年平均看，中国黑碳气溶胶地面浓度的高值区主要分布在华北、华中、长三角、珠三角和成渝地区。黑碳平均浓度为2.1μg/m3，人口暴露浓度则达到4.2μg/m3，说明黑碳排放分布和人口分布有较高的一致性。由于冬季黑碳排放量大，冬季的黑碳地面浓度明显高于其他季节。
图3 2013年中国黑碳模拟浓度和各部门分担的年均及各季节分布（右下角的数字表示中国平均浓度和人口暴露浓度）
分行业看，黑碳地面浓度的分担率由大到小排序为民用>工业>交通，且三者的冬季造成的黑碳地面浓度明显高于其他季节。另外，工业源和交通源导致的黑碳地面浓度也呈现出秋冬高、春夏低的季节性，鉴于二者的排放没有明显的季节变化，这样的季节特征主要是由于秋冬边界层较低等气象因素所致。
【用户使用】
城市空气质量模拟建立在大气物理、化学方程快速积分求解的基础上，对计算的时效性有很高的要求，且涉及大量三维气象、排放、浓度数据的存储。高性能计算平台为快速模拟三维气象场、污染物浓度场，数据同化等过程提供了必备条件。
因本课题研究中空气质量模拟采用数值计算实现且计算量大，课题进展高度依赖并行计算系统，如果计算资源不足就无法进行精细计算。高性能计算平台为本课题组的研究提供了每年360个核的计算资源，我们的主要算例计算都是在高性能计算平台上进行。高性能计算平台为我们的课题研究提供了诸多便利，使得本课题的方案得以实现。
由于该平台运行速率快，课题组其他项目中部分空气质量模拟和短时预报等工作均在平台上运算。如重大活动的空气质量保障活动：“阅兵蓝”河北空气质量保障、“G20峰会”杭州市空气质量动态模拟评估等。
【论文】
1. Li, X., Q. Zhang, Y. Zhang, B. Zheng, K. Wang, Y. Chen, T. J. Wallington, W. J. Han, W. Shen, X. Y. Zhang, and K. B. He, (2015), Source Contributions of Urban PM2.5 in the Beijing–Tianjin–Hebei Region: Changes between 2006 and 2013 and Relative Impacts of Emissions and Meteorology. Atmos. Environ. 10.1016/j.atmosenv.2015.10.048.
2. Xujia Jiang , Chaopeng Hong , Yixuan Zheng , Bo Zheng , Dabo Guan, Andy Gouldson,
Qiang Zhang , and Kebin He (2015). To what extent can China’s near-term air pollution control policy protect air quality and human health? A case study of the Pearl River Delta region.
