项目名称：兰州市大气污染及对策研究

主持单位：

中科院兰州分院

甘肃省环保局

主持人：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 魏宝文 院士 研究员

田炳申 研究员

吕世华 研究员

联系人： 卫晓雪 王福来

联系电话：8825939 8884812

项目起止时间：1999年11月至2001年12月

　　  为保证本项目顺利实施，出色完成研究任务，达到预期目的，建议设立项目协调领导小组和专家领导小组。项目协调领导小组主要负责对实施过程中各个部门、专题及人员之间的配合和协调，理顺实施过程中各部门和单位的关系，从行政上保证各子课题任务的完成和资料的提供；专家领导小组主要负责指导论证课题实施过程中主要技术路线、理论原则、创新方向及实用性等理论和技术问题，督促、检查项目的实施进度，审查观测实验和理论研究结果。项目办公室主要承担协调领导小组与专家小组拟定事项的落实，对项目实施过程中出现的重大问题及时提交协调领导小组和专家小组决定。

协调领导小组 组 长：甘肃省副省长 郭 琨

副组长：甘肃省计委主任 王 军

甘肃省科委主任 刘长缨

兰州市副市长 宋乃娴

成 员：甘肃省环保局局长 田炳申

甘肃省气象局局长 谢金南

中科院兰州分院党组书记 何 易

专家小组 首 席：中科院院士 魏宝文 研究员

中科院院士 程国栋 研究员

成 员：甘肃省环保局局长 田炳申 研究员

中科院兰州大气所 董文杰 研究员

中科院兰州地质所 王先彬 研究员

兰州大学 陈长和 教 授

甘肃省环保局 王新中 高 工

甘肃省气象局 邓振镛 高 工

兰州市环保局 余雄厚 高 工

中科院高原大气所 吕世华 研究员

中科院高原大气所 王介民 研究员

项目办公室由兰州分院和甘肃省环保局联合组成

研究目标：

在研制新一代高分辨率、高精度大气污染环境动力学模式和大气化学动力学模式的基础上：

l、为兰州州市大气污染防治提供直观、新颖、定量化优化的方案评估和咨询。

2、建立兰州市空气环境质量预测预报试验系统，为污染防治方案评估提供工具。

研究内容

1、在分析历史资料的基础上，增加重点地区污染浓度监测和微气象条件观测，掌握兰州市目前污染源的强度和分布，进一步研究各污染源对市区污染的贡献和自然条件对污染物传输、扩散的影响，为发展兰州市大气污染的高分辨率、高精度大气环境动力学模式和大气化学动力模式系统提供观测分析资料。

2、建立明确针对兰州市这一特殊地理环境和复杂下垫面条件下人类活动与环境相互作用的，包含有污染物物理输送过程、陆面过程和化学转化过程等的新一代高分辨率、高精度大气污染环境动力学模式和大气化学动力学模式系统，研究大气污染的传输、转化和沉降机制。

环境与发展是当今国际社会普遍关注的重大问题。保护生态环境，实现持续发展，已成为全世界紧迫而艰巨的任务。随着人类日益增长的经济发展需求，不仅要求在能源技术和资源蕴藏量上能够得到满足，而且要满足人类与大自然协调发展对环境的要求。经济——能源——环境已成为一个不可分割的整体。

当前，人类正面临有史以来最严峻的环境危机，这种环境危机将对未来人类生存与发展产生深刻的影响。众多环境灾害、如硫酸烟雾、酸雨、光化学烟雾等都与大气中的有害微量成份——总悬浮颗粒物、硫氧化物、氮氧化物、过氧化物和碳氢化合物等有关，如伦敦烟雾事件主要由大气S0₂所至，而洛杉矶的光化学烟雾事件与碳氢化合物及NO_x的光化学反应直接相关。

兰州市是全国大气污染严重城市之一，特别是在冬季大气污染相当严重，其污染类型赴典型的复杂地形城市的颗粒物和煤烟型污染，不仅直接影响和威胁当地人们的健康生存，而且影响当地的经济发展。为保护兰州的环境、加速兰州现代化建设，科技界曾开展了一些兰州大气污染规律的研究并提出了一些治理对策，但由于大气污染问题十分复杂，是科学问题与社会、经济发展紧密相联的矛盾统一体。就科学问题本身而言，它既涉及到物理学、化学、生物学、地学等多种自然科学还涉及到人口、经济等多种社会科学，再加之兰州特殊的地理环境和复杂的地形条件使得这一问题更为复杂。迄今为止，无论是解决这一问题的科学积累，还是认识深度和广度还远不够。本研究的目的是就是要建立兰州市环境空气质量预报系统，提出最优化的大气污染综合治理对策。为实现这一应用目标，我们拟以现有的中尺度模式为基础，发展新一代、高精度、高分辨率大气环境动力学模式及大气化学动力学模式系统。

从本项目的研究内容来看，它不但是当前我国城市(特别是山区城市)大气污染所亟待解决的问题，同时也将是下个世纪初大气科学与环境科学的研究热点问题。

近30年来，兰州市的大气污染问题一直受到省、市各级政府的高度重视和全市人民的强烈关注。省市环保界的科技工作者和管理工作者为此而付出了巨大的努力，取得了显著成绩。甘肃省及中国科学院对本研究非常关心，已下决心为解决兰州市的大气污染问题共同努力，这是我们提出和完成这项研究的基础。

二、兰州市大气污染概况

1996年的监测结果表明，兰州市的二氧化硫的日均值全年均有出现超标的可能，最高的出现在一季度，超标率为45.8％，最高日均值超标倍数为4.4。氮氧化物全年均有出现超标的可能，一、四季度的日均浓度的超标率分别为65.0％和33.3％，最高日均值超标倍数为2.11。总悬浮微粒全年每个季度的超标率均在80.0％以上，四季度最为严重，超标率为97.0％，几乎天天超标。

兰州市的大气污染有明显的年变化，图1、图2是兰州市全城区S0₂和飘尘(PM₁₀)的年变化图，S0₂和飘尘的高浓度值出现在11月至次年2月，即冬季污染严重。而飘尘高浓度在4-5月，可能与外来沙尘有关。

1991年至1992年东亚大气监测网获取的TSP监测资料表明，兰州大气中TSP含量居10个被监测市之首，且悬浮微粒中的有害成份、铅的含量也较高。

1998年全世界大气污染最严重的十个城市中，中国独占8个，其中兰州位居第四。据1995年中国北方的37城市污染排名结果，兰州的S0₂日均值为第19位，氮氧化物的年日均值为第3位，总悬浮微粒的年日均值为第4位，降尘年月均值为第11位。

三、兰州市大气污染源

兰州市大气污染主要由沙尘自然污染源和煤烟人为污染源两类。其中工业源占总耗煤量的77.0％，各类生活污染源耗煤量占23.0％；交通车辆耗油总量为39.97万吨，排放大量颗粒物、CO、NOx，S0₂等污染物。汽车排气中有150种以上的化合物，其中对人体有危害的主要有CO、NOx、H_nC_m、Pb。

兰州市地处青藏高原东北侧，市区位于黄河河谷之中，海拔高度为1530m，市区周围群山环抱，河谷盆地分东、西两部分，中间是狭窄的连接地段。东部城关区为居民区和果树蔬菜种植区。城关区内人口密度自东向西增加，果园和菜地分布在该区东北部，该区面积为60km²。它的南侧山相对高度为300-600m，北侧山相对高度为200--300m。位于盆地最西端的西固区为工业区，该区面积为31km²。工业区以石化、电力、炼铝为主。该区周围山高度为300-400m。

河谷盆地内气流闭塞，兰州市的年均风速为0.76m/s，主导风向为ENE和NE，其频率分别为37.0％和31.2％，特别在冬季，大气边界层内静风频率高，各种工业、生活污染源排放的大量污染物不易扩散出去。在盆地中形成昼夜不消散的烟雾，烟雾层顶高度为500-800m，平均高度为600m。

兰州市干旱少雨，年降水量为333mm,由于河西走廊平流来的沙尘影响，大气污染物中总悬浮微粒(TSP)和大气飘尘(PM₁₀)常年超标，TSP成份中有50％以上为壤土，这也就说明兰州的TSP中自然贡献及人类活动的二次扬尖贡献率很大，它是兰州市特定自然地理及气象条件的综合产物。

兰州市属山区河谷城市，其大气污染形成原因具有河谷城市的一般特点，如图8，当城市处于较稳定天气系统控制之下，一方面由于河谷地形的存在，在地形高度附近形成一逆温层，不利于大气污染物扩散；另一方面，大气污染物吸收太阳辐射，使上层大气加热，增加了逆温层的温度梯度，不利于逆温层消失；同时由于大气污染物吸收太阳辐射，使到达地面的太阳辐射量减少，不利于热力湍流的形成，抑制了混合层的发展，也不利于大气污染物扩散。

1、研究目标：

在研制新一代高分辨率、高精度大气污染环境动力学模式和大气化学动力模式的基础上：

①建立兰州市环境空气质量预测预报的研究系统。使该模式系统在现有污染物排放监测和气象部门可提供资料的基础上，着眼于研究TSP、S0₂利NOx等几种主要污染物的时空分布特征。主要以大气总悬浮颗粒物(TSP)、二氧化硫和氮氧化物为主，按国家环保总局颁布的空气质量分级标准对兰州市各区的空气质量作出24—48小时污染物分布模拟，为进一步的污染防治对策研究提供可靠工具。

②为兰州市大气污染综合防治优化方案、提供决策咨询和评估系统。应用高精度、高分辨率环境动力学模式，提出现有各类污染源对市区空气质量影响的定量评估，提出经济、合理的治理方案；对未来可能的各种能源结构调整方案，通过数值模拟评估相应的空气质量作为决策依据：例如，利用清洁能源(天然气)代替燃煤可以多大程度地改善城市空气质量，可以利用模式得到其经济效益的具体参数，衡量投入产出比，作为政府决策的依据。用环境动力学模式进行市区及周边地区工业、农业、绿化、建筑对环境质量的敏感性试验，提出相应的改善大气环境质量的有效措施，作为参考。这是本研究的主要目标。

2、研究内容：

(1)以历史资分析为主，辅以在重点地区污染浓度和微气象条件的监测和观测，进一步分析各污染源对市区污染的贡献和自然条件对污染物传输、扩散的影响，为发展适合研究兰州市大气污染的高分辨率、高精度大气污染环境动力学模式和大气化学动力学模式系统提供观测分析事实。

(2)建立明确针对兰州这一特殊地理环境和复杂下垫面条件下包含有陆面过程、化学转化过程的新一代高分辨率、高精度大气污染环境动力学模式，研究大气污染的传输、转化和沉降过程。

(3)在模拟试验的基础上，建立兰州市空气环境质量预测研究的客观有效方法，为兰州市市大气污染综合防治对策及优化方案提供论证和评估。通过敏感性试验，确立一种治理措施在环境质量改善幅度当量下的经济效益，从而提供直观、定量的对策效果描述。

1、兰州市大气污染的监测和数据库

主持单位:甘肃省环保局 负责人：候喜福，祁国伟

兰州大气所 负责人：

1．1兰州市大气污染排放源调查

主持单位：兰州市环境监测站 负责人：候喜福

调查内容：兰州市大气污染源排放强度情况

提交内容：1999年10月一2001年4月兰州市四城区的工业、流动和生活污染源强度及分布情况，包括固定污染源的位置和污染物(TSP、S0₂、NOx)排放量分类资料、流动污染源排放量、两个冬季采暖期的生活污染源的污染物排放量、以及相应的报告。排放源资料力求详细、准确，可以代表兰州市90％以上的污染物来源。

要求提供：原有兰州市污染源排放情况调查数据和试验期间的调查数据。保证资料的连续性。

研究经费：25万(监测调查费20万，资料整理2万，其它3万)

预期进度：2001年5月完成，逐月提供资料

1．2兰州市大气污染物监测

主持单位：兰州市环境监测站 负责人：候喜福

监测内容：TSP、S0₂、NOx

提交内容：(1)1999年10月一2001年4月本项目新增3个污染物监测站的污染物浓度(或含量)的观测结果、甘省及兰州市环境监测站过去历年来的5个监测站污染物浓度监测资料，及污染物时空分布的分析报告。

(2)提供每次采样的部分样品用于分析大气污染物的化学组份。

要求提供：历年及观测期间的所有污染物浓度监测资料，保证资料的连续性。

研究经费：20万(仪器费0.8×5=4万，观测及人工费9万、研究分析和资料整理费2万，其它5万)

预期进度：2001年5月完成，逐月提供资料

1．3大气污染物化学组份及颗粒物来源分析

主持单位：甘肃省环保局环保所 负责人：魏群

分析内容：分析颗粒物的化学组份，研究分析大气污染颗粒物的来源、比例，确定污染源的贡献，注重区分自然源、工业源(包括化工、钢铁、石油等)、汽车尾气、生活源(包括取暖锅炉)、城建、环卫污染源的贡献。

要求提供：污染物化学组份分析数据和报告，保证资料的可靠性。

要求对兰州市的城关、七里河、西固、安宁分区、四季采样分析，资料只有可靠的代表性。提供兰州市颗粒物来源的分析报告，给出城区(城关、七里河、西固、安宁)的颗粒物分布(浓度)水平及主要来源的结论性意见。

研究经费：20万

预期进度：2001年5月全部完成，试验每进行—个月提供前月的分析结果。

1.4微气象观测

主持单位：兰州高原大气物理研究所 负责人：

研究内容:(1)如果经费到位，1999年建成市区地面微气象观测网并开始运行，测站总数为10个(分布见附图，并请省气象局观测站、皋兰、榆中和中川民航气象台配合，提供地面和高空气象观测资料)。其中6个站左右观测地面风向、风速(启动风速为0.6m/s以下)、气温，观测记录每小时一次。在盘旋路附近进行近地层风、温度梯度观测、系留气球(至500-800米高度)风。观测记录每小时一次。

(2)选择其中的两个站(七里河、西固)增加大气无线电探空,观测时间选在大气转型时期或具有代表意义的天气型期内。选污染严重期增加3个左右的大气无线电探空。

要求提供：所有观测时段的地面、高空探测资料。保证资料的连续性，供模式同化资料使用。

研究经费：55万(自动气象站设备及维护费4万X6＝24万、观测埸地及人工费5万、机动系留气球等观测2.5万、地面观测费7万，探空观测9万，业务费7.5万）

预期进度：人工观测2001年4月前结束，自动气象站2001年9月结束

1.5资料信息库

主持单位：省环保局信息中心 负责人：祁国伟

研究内容：按项目设计书的要求建立ASCII码的兰州市大气污染资料信息库，以便用户可以根据自己的需求读取所需资料，可在微机系统使用。

要求提供：所有规范化的污染物、微气象条件观测资料数据库。

研究经费：14万

预期进度：观测资料获得后—个月内补充进资料库，并供各参加单位使用。

2、大气污染化学作用过程及动力模式研究

主持单位：兰州地质研究所 负责人：张平中

研究内容：大气污染物的运动过程中存在各种物质之间的相互作用和反应转化过程、光解转化过程等，这里注重考虑含硫、含氮、含碳等无机物及部分有机物的光解过程，以及它们之间的相互作川转化过程，建立大气污染化学动力学模式。

要求提供：(1)兰州市污染物成分之间的化学作用过程，给出化学反应方程式。

(2)提供针对兰州各种污染物分布的化学动力数值模预报原有污染物和新生污染物的浓度变化，只有单独运行的能力。

研究经费：20万(模式研制、调试计算及材料费16万、业务费4万)

预期进度：2001年6月完成

3、大气污染环境动力学研究

主持单位：兰州大气所 负责人：彭新东

3.1大气中尺度动力框架和数值模式

主持单位：兰州高原大气物理研究所 负责人：吕世华

研究内容：针对兰州市地形和下垫而类型的复杂性及城市大气污染的局地性等特点，建立一套具有地形追随坐标的非静力原始方程动力学框架；并以此动力框架为基础，建立兰州地区的大气中尺度动力学模式系统。模式设计在UNIX系统上运行，采用高精度的物理量平流计算方案，使模式具有较高的性能，并具有较强的实际业务预报能力和较强的实用性。为使模式只有较高的可靠性，选用已经被广泛应用、且有较好模拟能力的RAMS模式进行改造。利用嵌套网格技术，使最小网格模式分辨率在5km左右，近地层的垂直分辨率最高15m，以保证高质量、高分辨的大气运动过程的预报描述。模式采用Z^*地形追随坐标，有利于观测资料的(同化)嵌入利模式结果与观测值的对比。首先利用历史资料(网格点客观分析资料和探空资料）检验模式的运行和模拟能力。在数值试验的基础上，确定大气动力模式的分层，并固定下来，形成兰州市特定区域的大气动力描述系统。

要求提供：可以在UNIX系统卜运行的大气动力学模式运行模块

研究经费：20万(软件购置费8万、模式改造4万、调试运行费4万、材料2万、业务费2万)

预期进度：2000年12月完成

3.2 大气物理过程及陆面过程参数化

主持单位：兰州高原大气物理研究所 负责人：张 强

研究内容：详细刻划大气边界层内的物理过程(如对流利湍流输送、能量收支、物理量的垂直混合等)、水汽循环过程、 辐射输过程、地气相互作用过程、人类活动及生态过程对大气运动作用的参数化等。在兰州市微气象观测结果的基础上验证和修改物理过程的参数化方案和参数，确定适合兰州这一特殊地区的物理过程参数化描述。这部分中牵涉到的内容较多、过程复杂，而且针对性强，必须根据兰州市的地形、地表状况、植被类型及其分布客观确定参数。这里注重考虑的是大气边界层物理过程的描述，因为这是与大气污染物扩散过程关系最直接、最密切的部分，在模式中抓住湍流对风、温、湿垂直分布作用，及地表感热利潜热的通量计算，为大气动力模式捉供较为细致的边界层物理过程和结构。利用现有研究成果，对兰州地区的地表物理特性及其相关的过程、人类活动影响等进行针对性优化，使模式能够在这一特定地理环境下对边界层、特别是近地层的大气物理特性和变化有较好的预报效果。

要求提供：UNIX系统下的上述模式系统

研究经费：12万(模式开发调试费6万、材料费3万、业务费：3万)

预期进度：2001年6月完成

3.3兰州市大气气溶胶辐射特性研究

主持单位：兰州高原大气物理研究所 负责人：沈志宝

研究内容：兰州市大气气溶胶的季节特征和特性；气溶胶对长、短波辐射传输的影响；冬季稳定边界层与气溶胶辐射特性的相互作用；不同气溶胶对辐射传输影响的理论模型建立及数值模式计算。

要求提供：兰州市不同季节大气气溶胶的辐射特性及其对边界层

结构的影响；气溶胶辐射传输的理论模式及计算结果分析。

研究经费：10万(研究费5万，材料及资料3万、接口实施2万)

预期进度：2001年6月完成

3.4大气污染物扩散数值模式

主持单位：兰州高原大气物理研究所 负责人：彭新东

研究内容：在大气动力学模式和物理过程参数化的基础上，建立污染物的物理扩散过程模式系统，采用Euler-Lagrange混合方案，求解大气污染源扩散方程计算污染物的平流、湍流扩散。采用混合求解方案的主要原因是考虑了污染物从污染源排放以后的运动几何特性决定的。当污染物排放出来以后，由于其运动距离较短，湍流扩散相对较小，污染物烟团的直径较小，在常规的欧拉运动系内很难精确描述其运动，所以这段时间主要采川拉格朗日运动系描述；当污染物经过一段时间运动之后，湍流扩散已经达到模式网格可分辨的空间尺度，此时则改用欧拉系计算。由于兰州市冬季静风情况较多，污染物的湍流扩散过程将是更为重要的物理过程。

要求提供：兰州市大气污染物平流、扩散模拟预测系统，

研究经费：20万(气象资料费3万、模式研制5万、运行费2万、

计算及材料6万、业务费4万

预期进度：2001年6月完成

3.5兰州市大气环境容量研究

主持单位：兰州大气所 主持人：董文杰

研究内容：利用开发的大气动力学模式，研究在不同的大气污染水平条件下，兰州城区的污染物容量，供管理部门掌握各类污染物的最大排放限度，制定污染物排放限制标准。

要求提供：兰州市城区大气环境总容量

研究经费：9万

预期进度：2001年8月完成

4、空气环境质量预测试验

4.1空气质量数值模拟研究

主持单位：省气象局 负责人：张华

研究内容：以中尺度大气动力学模式、高分辨边界层模式、辐射传输模式、大气扩散模式、大气化学过程模式为基础，有机地合并为一个空气质量数值模拟系统，利用实测大气污染物分布和大气数值预报产品作初值和边界条件，进行大气环境质量的数值模拟。大气环境动力学模式的使用是建立在较大范围数值大气预报(如中国气象局气象中心的T106模式)基础上的，首先必须有可靠的大范围天气数值预报网格点资料作为保障，其次要求天气预报网格点资料尽量准确，以保证用于大气污染预报的大气动力模式的精度。通过敏感性试验确定影响兰州市污染物分布的物理因子。

要求提交：UNlX操作系统下的空气质量数值模式系统；对2和 3中研制的模式系统进行组装，达到整体运行的目的。

研究经费：10万(业务费3万、模式运行费3万、资料费2万、其它2万)

预期进度：2001年12月完成

4.2预报产品的可视化技术

．主持单位：兰州高原大气物理研究所 负责人：彭新东

研究内容：数字化的数值预报产品不易被普通市民理解，而可视化一图形化的预报产品则具有直观的特点，更易于接受。这一子专题采用形象五维(即立体动画效果)显示、NCARG图形软件系统和GRADS数据分析显示系统，实现顶报结果的可视化直观表示，同时满足不同使用者的要求。

要求提供：模式预报结果可视化处理系统

研究经费：8万(软件开发3万、计算及材料费2万、业务费3万)

预期进度：200l年12月完成

4.3大气环境质量中长期预测

主持单位：兰州大学 负责人：王式功

研究内容：开发经验、半经验的大气污染预测方法，统计与动力模式结合的方法等，使之可应用于10—15天、或一个月之内的预报。

要求提供：兰州市大气污染预测的中长期方法，可提供10—15天左右的预报。

研究经费：8万

预期进度：2001年6月完成

5、大气污染治理对策评估

主持单位： 兰州分院、环保局

负责人：魏宝文、田炳申、吕世华

参加单位：城建、大型企业、及政府主管部门

研究内容：首先应用高分辨大气环境动力学模式进行敏感性试验,检验减轻兰州市大气污染的关键因子，包括污染源的限制、局地气象条件的改变、地形及地表状况的改变等。这些试验不仅可以检验现有治理方案的有效性，同时为提供新的综合治理方案寻求依据。然后，根据这些单项敏感性试验的结果，提出新的可能的综合治理方案。利用不同的敏感性试验的单项结果进行组合，得出几种综合治理方案。这结方案将回到模式进行检验，得出其相应的治理效果，作为兰州市大气污染治理的参考方案。我们也可以利用新一代环境动力学模式对一些新方案进行试验，比如：对城市规划做一点改进----市区不同区域的建筑物采用不同的颜色(为方便起见称之为“增色工程”)，以此改变地表反照率并进一步改变下垫面热力状况，加剧下垫面热力非均匀性，刺激局地热力环流的形成，并且通过模拟研究，确立有利于这一热力环流与兰州山谷风、城市热岛效应及盛行风场之间正反馈的“增色工程”方案，使得热力驱动下的动力扰动进—步发展，增加大气对污染物的扩散能力。再如设法增加市区内的湿度(可以简称为“增湿工程”)，在锅炉湿法除尘的同时加大水汽的排放量；水汽的凝结可产生大量的潜热，使逆温层削弱从而增强热力不稳定的发展，从而也有利于大气污染物的扩散。当然还可以提出一些方案，但这只是定性的科学想象，要验证这些想象方案的可行性和效果如何，必须用新一代高精度、高分辨率环境动力学模式系统来验证。应该指出，这一专题的主要任务将是从试验角度检验某一治理方案的治理效果，并非包揽制定最佳的大气环境治理方案。事实上，只要我们对要付诸实施的治理方案的有效性进行实验论证，就可以避免大量人力物力的浪费，达到节约的目的。

要求提供：某个（些）治理方案的效果评价、提出新的治理方案

研究经费：35万(数值试验设计及运行费15万、理论及可行性论证4万、业务费3万、材料费3万，调查费、交流费及人工费10万)

预期进度：2001年12月完成

项目办公费用4万

说明：各专题的实际拨款额为上列研究经费的94％，抽取5％作为不可预测费，1％作为项目鉴定等总支出预留。

附页1

附页2

项目结构图

附页3