东北亚地区地表 PM2.5模拟：多模型对比评估及其对监管与科研的关键意义

为解决东北亚地区 PM2.5污染及相关问题，研究人员开展三种化学传输模型（CTMs）模拟地表 PM2.5及其化学成分的对比评估研究。结果显示各模型模拟有差异，CMAQ 表现较平衡。该研究为相关科研和政策制定提供依据。

　　

研究背景

在过去的几十年里，东北亚地区深受 PM_2.5污染的困扰。想象一下，城市的天空常常被一层灰蒙蒙的雾霾笼罩，人们出行时不得不戴上口罩来抵御这看不见的 “健康杀手”。在中国的京津冀地区以及韩国的首尔都市圈等人口密集区域，PM_2.5超标现象屡见不鲜。尽管中国和韩国都积极采取了严格的空气污染控制政策，像是中国大力整治工业排放、推广清洁能源，韩国也在交通污染治理等方面下功夫，可 PM_2.5浓度依旧高于发达国家水平和国际标准。这不仅严重影响了人们的日常生活，降低了生活质量，更对公众健康构成了巨大威胁，增加了呼吸道疾病、心血管疾病等患病风险。

为了更深入了解 PM_2.5的来源、形成机制，找到更有效的治理策略，全面的观测和先进的数值模拟必不可少。化学传输模型（CTMs）作为研究空气质量的重要工具，能模拟 PM_2.5的各种情况。然而，之前在东北亚地区开展的多 CTM 研究较少，已有的研究也存在局限，比如只关注特定季节或年度平均情况，没有充分考虑季节变化等因素。所以，开展一项全面的、涵盖多个季节的多 CTM 评估研究迫在眉睫，这对于提升对 PM_2.5的认知、助力空气政策制定意义重大。

研究概况

为了攻克上述难题，相关研究人员开展了一项针对东北亚地区的研究。该研究选取了三种在东亚地区广泛应用于模拟 PM_2.5及其前体物的化学传输模型：社区多尺度空气质量模型（Community Multiscale Air Quality，CMAQ）、气象研究与预报化学耦合模型（Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry，WRF-Chem）和戈达德地球观测系统化学耦合模型（Goddard Earth Observing System coupled with Chemistry，GEOS-Chem）。研究人员利用这三种模型，对 2019 年 1 月（代表冬季）、4 月（代表春季）、7 月（代表夏季）和 10 月（代表秋季）东北亚地区的 PM_2.5及其主要化学成分进行模拟。研究成果发表在《Environmental Pollution》上，为后续研究和政策制定提供了关键参考。

研究人员采用的主要技术方法包括：运用 CMAQ、WRF-Chem 和 GEOS-Chem 三种模型进行模拟研究。CMAQ 版本为 5.2，采用 9 km×9 km 的网格分辨率，在 91°W–149°E、19°N–54°N 的区域内运行，初始和边界条件使用模型默认配置；WRF-Chem 版本为 3.9.1，设置与 CMAQ 相近。通过这些模型模拟不同季节的 PM_2.5及其化学成分，对比分析模拟结果。

研究结果

1. 颗粒物浓度的季节和空间分布：通过对三种 CTMs 模拟结果的分析，发现 PM_2.5及其主要化学成分呈现出明显的季节和空间分布差异。CMAQ 模型在冬季模拟出中国内陆地区的 PM_2.5和二次有机气溶胶（Secondary Organic Aerosol，SOA）浓度显著高于其他模型，这主要归因于 CMAQ v5.2 中的 pcSOA 模块。不同模型在其他季节和地区的模拟结果也存在差异，反映出模型在化学和物理过程以及排放数据上的不同。
2. 模型性能对比：综合评估，CMAQ 在模拟 PM_2.5质量和化学成分方面表现最为平衡，尤其在韩国地区，能准确模拟 PM_2.5质量和化学成分，并且能较好地反映二次气溶胶的季节变化。WRF-Chem 虽然能有效模拟时间变化，但在夏季对 PM_2.5浓度存在异常高估的情况。GEOS-Chem 则能较好地捕捉与生物质燃烧和沙尘相关的 PM_2.5长距离传输和背景浓度，但在解析城市尺度的变化和详细沙尘过程方面存在局限性。

研究结论与讨论

该研究对东北亚地区三种 CTMs 模拟地表 PM_2.5及其化学成分进行了全面的对比评估。研究表明，虽然各模型在模拟 PM_2.5的时空分布上有一定合理性，这得益于共享的人为排放输入和一致的气象条件，但在某些季节和地区仍存在显著差异。这些差异主要源于化学机制的不同、碳质、硫和含氮化合物排放清单可能存在的过时或不一致，以及像 CMAQ 中的 pcSOA 模块、WRF-Chem 中的湿清除等过程模块的有无。

这项研究意义重大。一方面，研究结果明确了不同模型的特点和性能差异，为科研人员根据具体研究目的选择合适的模型提供了重要参考，有助于提高 PM_2.5模拟的准确性；另一方面，也为政策制定者制定更科学有效的空气污染治理政策提供了有力的科学依据，推动东北亚地区空气质量的改善。此外，研究还指出了未来模型改进的方向，如完善排放清单、优化化学和物理过程的表述、推进多模型方法的应用等，为后续相关研究奠定了基础，对东北亚地区乃至全球的空气质量研究和治理都具有重要的借鉴意义。