Ứng dụng mô hình dự báo chất lượng không khí cmaq trong việc mô phỏng phát thải của bụi và các hợp chất của bụi ở đông á

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA o0o KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN BỘ MÔN QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ CMAQ TRONG VIỆC MÔ PHỎNG PHÁT THẢI CỦA BỤI VÀ CÁC HỢP CHẤT CỦA BỤI Ở ĐÔNG Á LỚP L01 - NHÓM 06 - HK 231 NGÀY NỘP 29/11/2023 Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Châu Mỹ Duyên Thành phố Hồ Chí Minh, 2023 LỜI NÓI ĐẦU Vấn đề ô nhiễm không khí trở thành một thách thức lớn đối với con người và môi trường Trong số các yếu tố góp phần vào ô nhiễm không khí, bụi và các hợp chất của bụi đã thu hút sự quan tâm đặc biệt do tác động tiêu cực của chúng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái Đứng dưới góc nhìn nghiên cứu việc tiếp cận, giải đáp và nắm rõ cơ sở lý thuyết toán học, khai triển mô hình toán học để mô phỏng mức độ ô nhiễm, lan tỏa của bụi bằng những hình ảnh chi tiết và trực quan là điều cần thiết Đưa ra câu trả lời rằng tại thời điểm đó, khu vực đó có ô nhiễm không? Ô nhiễm với nồng độ bao nhiêu, với những mức thời gian khác nhau thì phát tán như thế nào? Nội dung báo cáo này chủ yếu nghiên cứu việc khảo sát, phân tích bụi và các hợp chất gắn với bụi trong quá trình phát tán bụi bằng việc thu thập dữ liệu từ các trạm quan trắc và sử dụng mô hình CMAQ để mô phỏng dự báo và phân tích dữ liệu từ những nghiên cứu trước đây tại khu vực Đông Á Trong quá trình thực hiện báo cáo khó tránh những sai sót Chúng tôi hy vọng quý thầy cô chỉnh sửa, đóng góp ý kiến để báo cáo này hoàn chỉnh hơn Chúng tôi xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH i DANH MỤC BẢNG ii DANH SÁCH BẢNG VIẾT TẮT iii I PHẦN MỞ ĐẦU 1 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1 II NỘI DUNG 2 1 Giới thiệu 2 2 Phương pháp 6 2.1 Cải thiện module phát thải bụi do gió của CMAQ 6 2.2 Thực hiện xác định hồ sơ về thành phần và tính chất hóa học của các ô nhiễm dựa trên nguồn gốc cụ thể 10 2.3 Thực hiện các phản ứng của hợp chất bụi 12 2.4 Đầu vào mô hình, cấu hình và kịch bản mô phỏng 13 2.5 Quan sát 16 3 Kết quả 17 3.1 Cải thiện hiệu suất mô hình với ngưỡng vận tốc ma sát được sửa đổi17 3.2 Tác động của việc áp dụng hồ sơ phụ thuộc nguồn 19 3.3 Tác động của hóa học dị thể 21 4 Thảo luận 24 4.1 Mô phỏng sự kiện bão bụi nghiêm trọng 24 4.2 Những điểm không chắc chắn còn tồn tại trong hệ thống mô hình 30 5 Tóm tắt 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 35 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 (a) Các loại môi trường đất (land cover), (b) loại đất (soil types), và (c) so sánh hằng số ngưỡng tốc độ ma sát ban đầu giữa các mô hình bụi mặc định (đánh dấu màu xanh) và mô hình bụi được sửa đổi (đánh dấu màu đen) cho vùng cây bụi (phía trên), vùng cây bụi và cỏ kết hợp (ở giữa), và vùng đất không có thực vật hoặc thực vật thưa thớt (phía dưới) 9 Hình 2 Vùng mô hình hóa và vị trí của các trạm quan sát 14 Hình 3 Chênh lệch nồng độ PM10 trong 5 năm 18 Hình 4 Đánh giá CMAQ so với PM10 từ API (hàng trên) và AOD (hàng dưới cùng) từ AERONET cho các kịch bản 19 Hình 5 Đánh giá mô hình của máy theo dõi kim loại mô phỏng CMAQ 20 Hình 6 Trung bình 5 năm trong tháng 3 và tháng 4 từ 2006 đến 2010 về tác động hóa học của các hợp chất bụi với hệ số hấp thụ dưới và trên 23 Hình 7 MODIS hàng ngày được quan sát và AOD mô phỏng CMAQ 26 Hình 8 Quỹ đạo chuyển tiếp từ (f) HYSPLIT và các biến đổi theo thời gian của PM10 và AOD trên quy mô hàng ngày 27 Hình 9 Dự đoán CMAQ về tốc độ phát thải bụi và độ lệch mô phỏng của PM10 so với quan sát từ API và EANET 30 Hình 10 Tỷ lệ độ ẩm trung bình trong 5 năm (trong tháng 3 và tháng 4) ở độ sâu đất 10 cm trên cùng từ (a) FNL và (b) GLDAS 33 DANH MỤC BẢNG Bảng 1 Gía trị giới hạn độ ẩm đất bão hòa (S1) 7 Bảng 2 Cấu hình đặc tính phát thải bụi từ CMAQ mặc định và cấu hình thu được trong nghiên cứu này đối với sa mạc Taklamakan và sa mạc Gobi 13 Bảng 3 Các phản ứng của hợp chất bụi và hệ số hấp thụ 15 Bảng 4 Thiết kế mô phỏng 15 Bảng 5 Các trạm quan sát được sử dụng ở nghiên cứu này 17 Bảng 6 Thống kê đánh giá kim loại vi lượng và PM2.5 20 Bảng 7 Đánh giá CMAQ dựa trên các quan sát EANET đối với các kịch bản Dust_ Profile, Dust_Chem và Dust_ChemHigh đối với các loài O3, SO2, SO42-, NOx, HNO3 và NO3- 24 DANH SÁCH BẢNG VIẾT TẮT Thuật ngữ Viết tắt Thuật ngữ Giải thích thuật ngữ Tiếng Anh Heterogeneous tiếng việt chemistry HC Hợp chất bụi Hóa học không đồng nhất, gọi Community Multiscale Air tắt là hợp chất bụi, đề cập đến Quality các quá trình hóa học xảy ra Aerosol optical trên các bề mặt không đồng detph nhất, thường là bề mặt của các Fine-mode particle hạt nhỏ, bụi, hay các pha rắn CMAQ Mô hình dự báo trong môi trường khí quyển Là một mô hình để mô phỏng chất lượng và dự đoán chất lượng không không khí khí tại các khu vực địa lý khác nhau, tác động của các nguồn ô nhiễm khác nhau như giao thông, công nghiệp, và hoạt động nhân tạo khác, giúp ước lượng nồng độ các chất gây ô nhiễm như ozone, hạt bụi, khí CO, NOx và các chất khác trong AOD Khả năng đo không khí Là một đại lượng để đo lường lường ánh sáng khả năng hấp thụ và phản xạ của bụi của bụi, hạt nhỏ và khí trong khí quyển đối với ánh sáng Nó đo lường mức độ giảm sáng khi ánh sáng từ mặt trời đi qua khí quyển và bị tương tác với các hạt nhỏ, bụi hay khí FMP Hạt bụi mịn Hạt bụi mịn trong không khí có kích thước nhỏ, dưới 2.5 micromet (PM2.5) Hạt bụi mịn thường bao gồm bụi vi khuẩn, The coarse mode CMP Hạt bụi thô hạt muối, hạt hữu cơ, hạt vô BC cơ xuất phát từ nguồn ô nhiễm Biogeochemical Chu kỳ biogeo khác nhau như khói từ đốt cháy, cycle hóa bụi từ giao thông, hoặc các hạt The presence of từ quá trình công nghiệp nonerodible Chỉ các hạt bụi, hạt có kích elements thước lớn hơn so với hạt fine- mode Thường bao gồm các hạt tro, hạt cát, hạt cỏ, hoặc các hạt có kích thước lớn trong không khí Chúng thường nặng và không dễ dàng bị duy trì trong không khí, do đó thường có xu hướng nhanh chóng lắng xuống mặt đất sau khi được phát thải Là quá trình tuần hoàn và chuyển hóa các yếu tố hóa học và nguyên tố từ môi trường không gian đến các sinh vật và ngược lại, qua các quá trình sinh học, địa hóa và hóa học trong môi trường tự nhiên Các yếu tố Là các yếu tố, vật liệu không bị không thể xói xói mòn, ăn mòn quá trình phát thải bụi Những yếu tố này có mòn thể bao gồm các cấu trúc địa lý, vật chất tự nhiên, nhân tạo không bị tác động bởi một mức năng lượng gió cụ thể nào đó không tạo ra bụi trong quá trình di chuyển không khí Các yếu tố này có thể ảnh hưởng đến sự Dust mineralogy Khoáng chất phân phối và tính toán của quá của hạt bụi trình phát thải bụi Initial Conditions Điều kiện ban Là mô tả về thành phần khoáng Boundary đầu học của các hạt bụi trong môi Conditions trường không khí Nó nói về Điều kiện biên loại các khoáng chất có thể tìm thấy trong bụi, bao gồm các thành phần như silicat, clays, oxides, sulfates, và các loại khoáng chất khác Đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu về bụi phát thải từ các nguồn khác nhau như sa mạc, đất đai, hoặc các hoạt động con người Là các thông số, trạng thái ban đầu của mô hình tại thời điểm bắt đầu mô phỏng, bao gồm các thông số như nồng độ bụi, vận tốc gió, độ ẩm không khí tại các vị trí không gian và thời gian ban đầu của mô hình Điều kiện này quyết định tình trạng ban đầu của mô phỏng và ảnh hưởng đến quá trình phát triển của mô hình theo thời gian Là các thông số được áp dụng tại ranh giới của vùng mô hình, quy định sự tương tác của mô hình với môi trường bên ngoài vùng mô phỏng Điều kiện này thường bao gồm thông tin về luồng không khí đầu vào, nồng độ bụi hoặc các điều kiện khí Air Pollution API Vùng mạng hậu từ vùng mô hình lân cận Index quan trắc chất hoặc từ các nguồn khác ngoài AERONE lượng không Aerosol Robotic T vùng mô hình Network khí Đây là một chỉ số được sử dụng The Acid EANET Deposition Mạng lưới quan để đo lường mức độ ô nhiễm TANQMN trắc không khí không khí tại một khu vực cụ Monitoring thể, thông thường bằng cách Network in East tự động đánh giá nồng độ của các chất Mạng lưới quan gây ô nhiễm trong không khí Asia như khí CO, SO2, NO2 và hạt Taiwan Air trắc Sự giảm thiểu axit ở bụi PM2.5 Quality Là một mạng lưới quốc tế thu Monitoring Đông Á thập dữ liệu về aerosol (dung Network Mạng lưới quan môi) trong không khí Dust_Off trắc chất lượng Đây là một hệ thống quốc tế không khí tại được tạo ra để giám sát sự giảm Dust_Default thiểu axit và các vấn đề môi Đài Loan trường liên quan tại khu vực Dust_Revised Đông Á Dust_Profile Đây là một hệ thống quốc gia để đo lường và giám sát chất lượng không khí tại Đài Loan Mô phỏng để xem hiệu suất của CMAQ khi không có phát thải bụi Mô phỏng để xem hiệu suất của CMAQ khi sử dụng mặc định cho cơ chế tạo đám bụi Mô phỏng để xem hiệu suất của CMAQ sau khi áp dụng các thay đổi và cải tiến trong tham số hóa độ ma sát ban đầu Mô phỏng để xem hiệu suất của CMAQ sau khi áp dụng các hồ Dust_Chem và FNL soil hệ thống FNL sơ hóa độ phức tạp và đa dạng Dust_ChemHigh moisture cung cấp dữ hơn về thành phần của bụi tùy fraction liệu về độ ẩm thuộc vào nguồn gốc của chúng Final Global Mô phỏng để xem hiệu suất của Land soil GLDAS đất CMAQ sau khi thực hiện các soil cải tiến về hóa học phức tạp hơn moisture fraction hệ thống trong quá trình tương tác của moisture GLDAS cung bụi với các phân tử khác trong Global Land Data fraction cấp dữ liệu về không khí "Dust_Chem" và Assimilation "Dust_ChemHigh" sử dụng các System soil HYSPLIT độ ẩm đất ước lượng khác nhau của hệ số tiếp nhận trong các phản ứng moisture fraction Mô hình mô phỏng di hóa học Hybrid Single- Đây là dữ liệu về tỷ lệ độ ẩm Particle chuyển của hạt trong đất được tính toán và cung bụi theo phương cấp bởi hệ thống FNL Nó thể Lagrangian hiện mức độ ẩm hiện tại trong Integrated đất tại các vị trí khác nhau trên toàn cầu Đây là dữ liệu về tỷ lệ độ ẩm trong đất được tính toán và cung cấp bởi hệ thống GLDAS Tương tự như FNL, nó cung cấp thông tin về mức độ ẩm hiện tại trong đất tại các điểm khác nhau trên toàn cầu, nhưng có thể được xây dựng từ các nguồn dữ liệu khác nhau và theo các phương pháp tính toán khác nhau Là một mô hình mô phỏng việc di chuyển của các hạt trong không khí, theo dõi sự lan truyền của khói, bụi, và các chất