trong tháng 1 năm 2004
Việc chỉ dựa vào các dữ liệu quan trắc của trạm giám sát liên tục ở thành phố Dhaka nên q trình mơ phỏng chƣa đảm bảo tính chính xác về quỹ đạo di chuyển của các chất gây ô nhiễm (nhƣ thiếu đầu vào, thông tin thời gian phát thải, thống kê phát thải từ hoạt động đốt sinh khối, đốt lò gạch, các hoạt động xây dựng,…). Nhóm nghiên cứu cũng đã tiến hành so sánh kết quả từ mơ hình CMAQ với số liệu NO2 tổng cột tầng đối lƣu quan trắc từ vệ tinh SCIAMACHY.
Hình 19. Phân bố khơng gian Cột NO2 tầng đối lƣu trong tháng 1 năm 2004. SCIAMACHY (trái) và CMAQ (phải)
Lƣợng thải CO, O3 PM2,5 trung bình hàng tháng, ƣớc tính từ kết quả mơ hình CMAQ tại Bangladesh cho thấy có sự đóng góp đáng kể từ các nƣớc lân cận. Cụ thể là 11% CO từ Tây vịnh Bengal và 10% CO từ Bắc Ấn Độ đƣợc vận chuyển tới Bangladesh; ở phía Tây Bangladesh, đóng góp này có thể đạt đến tƣơng ứng 34% và 18%. Đối với O3 ít bị ảnh hƣởng bởi vận chuyển xuyên biên giới, trung bình 7% từ Tây Bengal và 8% từ Bắc Ấn Độ có thể đóng góp vào nồng độ của O3 ở Bangladesh. Riêng từ Tây vịnh Bengal có thể ảnh hƣởng trung bình 18% và tối đa 43% PM2,5 tới Bangladesh nhƣ bảng sau:
Bảng 1. Tỷ lệ đóng góp phát thải tại Bangladesh
Các chất nghiên
cứu
% Đóng góp Khu vực 2
(Phía tây Bengal)
Khu vực 3 (Bắc Ấn Độ) Khu vực 2 + Khu vực 3 Trung bình Lớn nhất Trung bình Lớn nhất Trung bình Lớn nhất CO 11 34 10 18 21 53 O3 7 16 8 15 15 31 PM2,5 18 43 19 28 35 67
Bán đảo Triều Tiên tiếp giáp với các nguồn có thể gây ơ nhiễm khơng khí ở các thành phố lớn và các khu cơng nghiệp ở Trung Quốc, sa mạc ở Miền Bắc Trung Quốc và Mơng Cổ, và cháy rừng ở Nga. Ơ nhiễm khơng khí nghiêm trọng thƣờng xuyên xảy ra tại Seoul, Hàn Quốc, mặc dù có nhiều nỗ lực để hạn chế các chất ô nhiễm phát ra tại địa phƣơng. Điều này có nghĩa là chất lƣợng khơng khí ở Seoul bị ảnh hƣởng đáng kể bởi dòng hạt vật chất từ các nguồn bên ngoài, bên cạnh các nguồn phát thải địa phƣơng.
Hình 20. Phân tích quỹ đạo các các khối khơng khí từ 16-20/10/2008 giữa seoul và Trung Quốc
Theo nghiên cứu của Seungmin Lee và cộng sự đƣợc công bố vào tháng 5 năm 2013, đã sử dụng các phƣơng pháp quan trắc, vệ tinh, và mơ hình FLEXTRA để đánh giá và khẳng định sự cao tập trung PM10 vào tháng 10 /2008 tại Seoul có nguồn gốc từ ơ nhiễm khơng khí xun biên giới từ phía Trung Quốc. Ảnh hƣởng ơ nhiễm có nguồn gốc từ Trung Quốc là do điều kiện khí tƣợng là phổ biến nhất. Ở độ cao khoảng 3 km, ô nhiễm không khí đƣợc vận chuyển đến Seoul, Hà Quốc, bởi nguồn gió Tây thổi mạnh.
Hình 21. Sơ đồ của sự xuất hiện PM10 cao tại Seoul, Hàn Quốc trong tháng 10 năm 2008
Theo nghiên cứu của Gerry Bagtasa, công bố tháng 10 năm 2011 đã cho thấy khả năng ảnh hƣởng của ơ nhiễm khơng khí xun biên giới từ Trung Quốc đến các hòn đảo của Philippin. Nghiên cứu này sử dụng một mơ hình dự báo chất lƣợng khơng khí thế hệ mới (WRF-CHEM) để mơ phỏng qt trình lan truyền ơ nhiễm xuyên biên giới từ các nƣớc Đơng Á có sự tăng trƣởng kinh tế mạnh đến Philippin. Các mô phỏng cho thấy nồng độ của một số chất gây ơ nhiễm chính (NO và NO2)
tiêu tan trên vùng biển Đông Việt Nam trong khi các chất ơ nhiễm nhƣ O3 có thể lan truyền rất xa và ảnh hƣởng đến hầu hết các hòn đảo của Philippin trong một điều kiện thời tiết cụ thể (bão Parma).
Các mơ phỏng từ mơ hình cho thấy các khí ơ nhiễm NO và NO2 chủ yếu chỉ đƣợc vận chuyển vài trăm km trong khu vực lục địa châu Á và phát thải chủ yếu từ miền Nam Trung Quốc và Đài Loan lan truyền nhanh vào khu vực biển Đơng Việt Nam, và có thể tới Philippin. Phát thải NO và NO2 duy trì trong khí quyển dƣới 9 giờ và 22 giờ tƣơng ứng Hình 1 - 39 (a) và (b) chỉ ra nồng độ NO2 tƣơng ứng vào 12 giờ và 24 giờ UTC 4/10/2009.
Hình 22. Mô phỏng nồng độ NO2 vào (a) 12 giờ và (b) 14 giờ ngày 4/10/2009 Chất tiền thân của O3 là NOx, đƣợc vận chuyển chủ yếu từ Trung Quốc đến khu vực Tây Bắc Philippin; O3 bắt đầu hình thành chủ yếu từ các phản ứng quang hóa của NOx với các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi VOC trong khí quyển.
Hình 23. Mơ phỏng nồng độ O3 vào (a) 6 giờ và (b) 12giờ, (c) 6 giờ và (d) 12 giờ UTC ngày 4/10/2009
Mơ phỏng q trình quang hóa O3 cho thấy O3 cực đại xấp xỉ từ 4 đến 6h UTC (12h đến 14h địa phƣơng) và chủ yếu tập trung ở đông bắc Trung Quốc. Điều này trùng hợp với thời gian ánh sáng mặt trời cực đại tạo điều kiện hình thành O3 trong tầng đối lƣu. Thời gian để O3 di chuyển từ Trung Quốc đến các hịn đảo phía
Bắc Philippin mất khoảng 15 giờ trong suốt thời gian xảy ra trận bão Parma, làm gia tăng khoảng 40 ppbV tại các địa phƣơng.
1.2.2 Các nghiên cứu ở trong nước
Đề tài “Áp dụng mơ hình tốn nghiên cứu chất lƣợng khơng khí vùng Đồng bằng sông Hồng” (PGS.TS.Trần Thục, 1999, Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng). Đã đƣa ra đƣợc bức tranh tổng quan cũng nhƣ cơ chế lan truyền ô nhiễm của các chất ơ nhiễm thốt ra từ ống khói của các nhà máy trong vùng Đồng bằng sông Hồng cho hai mùa khô và mùa mƣa.
Dự án nâng cao chất lƣợng khơng khí tại các nƣớc đang phát triển Châu Á (AIRPET)" do trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên chủ trì. Đề tài này đã nghiên cứa đến việc xác định mức độ đóng góp ơ nhiễm của các nguồn thải nhƣng chƣa làm rõ đƣợc cơ chế lan truyền.
Đề tài nghiên cứu độc lập cấp Nhà nƣớc, 2000 - 2002 của TS. Nguyễn Hồng Khánh "Nghiên cứu, đánh giá hiện trạng dự báo xu thế diễn biến và đề xuất các giải pháp kiểm soát mƣa axit ở Miền Bắc Việt Nam". Cơng trình nghiên cứu khoa học này đã đi sâu tìm hiểu nguyên nhân, nguồn gốc gây mƣa axit. Chƣa đi sâu vào việc đánh giá mức độ ảnh hƣởng và tần suất do ô nhiễm xuyên biên giới gây ra;
Viện Khoa học Kỹ thuật Hạt nhân sử dụng Mơ hình tiếp nhận PMF để nghiên cứu phân bố bụi mịn và thô trong khối khơng khí ảnh hƣởng đến các điều kiện gió mùa ở Hà Nội, Bắc Việt Nam. Kết quả nghiên cứu đã đề cập đến các vấn đề các mẫu bụi ô nhiễm trong mơi trƣờng khơng khí. Các mẫu PM10 mịn và thô thu thập ở Hà Nội từ năm 1991 đến 2001 đƣợc phân tích về bụi than (BC) và ion hoà tan trong nƣớc (WSI) và dữ liệu đo không đƣợc tổng hợp theo 3 loại hƣớng đi ngƣợc lại là (1) về phía Bắc, bao trùm nội địa Trung Quốc, (2) Đơng Bắc, bao trùm Biển Đông, (3) Tây Nam, bao trùm bán đảo Đông Dƣơng. Hƣớng thứ nhất phổ biến trong tháng 9/10 đến tháng 12, Hƣớng 2 phổ biến trong tháng 2, 3 đến tháng 4 và hƣớng 3 phổ biến vào tháng 5 đến tháng 8. Mô hình tiếp nhận nguồn đƣợc thực hiện cho mỗi loại hƣớng đi riêng lẻ mà đang sử dụng phƣơng pháp kỹ thuật PMF ( Positive Matrix Factorization). Sáu hoặc bảy nguồn đƣợc phát tán từ mỗi loại
hƣớng đi bao gồm bụi đất, nguồn phát thải sơ cấp và thứ cấp từ các nguồn đốt cháy cục bộ (LB), bụi đƣờng, muối biển và bụi do các phƣơng tiện vận chuyển đƣờng dài.
Đề tài "Nghiên cứu thử nghiệm dự báo thời hạn ngắn CLKK vùng Đồng Bằng Bắc Bộ” do Viện Khí tƣợng Thuỷ văn thực hiện trong giai đoạn 2002-2005 kết hợp mơ hình dự báo thời tiết với mơ hình lan truyền ơ nhiễm. Kết quả của để tài nghiên cứu cho thấy: Việc xây dựng quy trình DBCLKH cho tồn Việt Nam là khả thi (đã áp dụng cho vùng Đồng Bằng Bắc Bộ); Sai số giữa các kết quả dự báo và số liệu thu thập từ các trạm tự động (hệ số tƣơng quan khoảng 0,5) lớn hơn so với các nghiên cứu tƣơng tự tại Mỹ (hệ số tƣơng quan khoảng 0,62); Các CSDL kiểm kê phát thải cho châu Á hoặc Đông Á chỉ phù hợp cho các nghiên cứu lan truyền ô nhiễm quy mơ khu vực hoặc tồn cầu; Việc xây dựng bản tin dự báo cho các độ thị của Việt Nam cần có CSDL kiểm kê phát thải khơng khí từ các nguồn nhân tạo và tự nhiên. Tuy nhiên, nghiên cứu này chƣa xem xét tới ảnh hƣởng của các quá trình lan truyền xuyên biên giới tới kết quả dự báo (đây là điều kiện biên giúp cho các mơ hình dự báo chất lƣợng khơng khí có đƣợc kết quả tốt hơn).
Đề tài Khoa học và Công nghệ cấp thành phố, Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội do PGS. TS. Hoàng Xuân Cơ làm chủ nhiệm, 2004 “ Nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm bụi ở thành phố Hà Nội và dề xuất các giải pháp khắc phục” đã khái quát tƣơng đối đầy đủ các kết quả nghiên cứu bụi ở Hà Nội, từ đó khẳng định ơ nhiễm bụi đã xẩy ra ở mức độ nghiêm trọng trên diện rộng thuộc địa bàn Hà Nội, Kết quả của đề tài cũng đã nêu ra các kế hoạch giảm thiều bụi đến năm 2010, trên cơ sở xem xét đến các dự án trƣớc mắt mang tính cục bộ và các dự án mang tính chiến lƣợc và lâu dài.
Đề tài "Nghiên cứu thử nghiệm dự báo thời hạn ngắn CLKK vùng Đồng Bằng Bắc Bộ” do Viện Khí tƣợng Thuỷ văn thực hiện trong giai đoạn 2002-2005 kết hợp mơ hình dự báo thời tiết với mơ hình lan truyền ơ nhiễm. Nghiên cứu này chƣa xem xét tới ảnh hƣởng của các quá trình lan truyền xuyên biên giới tới kết quả
dự báo nhƣng giúp cho các mơ hình dự báo chất lƣợng khơng khí có đƣợc kết quả tốt hơn.
Dự án “Xây dựng phần mền cơ sở dữ liệu kiểm kê phát thải khí cho Sở Tài
ngun Mơi trường và Nhà đất Hà Nội” do Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mơ
hình hóa Mơi trƣờng, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội thực hiện. Dự án hợp tác với chƣơng trình khơng khí sạch Việt Nam – Thụy Sỹ (SVCAP), 2007
Dự án “Kiểm kê phát thải giao thông đường bộ trên thành phố Hà Nội” do Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mơ hình hóa Mơi trƣờng, Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội thực hiện, trong khuôn khổ Dự án hợp tác Quốc tế Việt Nam – JICA Nhật Bản, 2010.
Trong nghiên cứu “Cấp độ và thành phần của hạt vật chất trong mơi trường
khơng khí xung quanh tại một trạm nơng thơn thuộc Miền núi phía Bắc Việt Nam”
của PGS.TS Hoàng Xuân Cơ và nnk (2014), đăng trên tạp chí quốc tế Sol khí và Chất lƣợng Khơng khí đã đánh giá tổng thể cấp độ hạt, mức độ và nguồn gốc lắng đọng các hạt vật chất tại trạm Tam Đảo, Vĩnh Phúc. Ngồi ra, nghiên cứu cịn sử dụng mơ hình HYSPLIT để mơ phỏng quỹ đạo vận chuyển các khối khơng khí từ khu vực phía Đơng Lục địa Châu Á tới Miền Bắc Việt Nam.
1.3 Tổng quan về mơ hình chất lƣợng khơng khí CMAQ
Mơ hình chất lƣợng khơng khí đa quy mơ CMAQ do cục Khí quyển và Đại dƣơng Quốc gia (NOAA) kết hợp với Cục bảo vệ môi trƣờng (EPA) của Mĩ xây dựng và phát triển từ những năm 1990 tới nay. CMAQ có khả năng mơ phỏng các q trình khí quyển phức tạp ảnh hƣởng tới sự biến đổi hóa học, lan truyền và lắng đọng của các chất ô nhiễm nhƣ: ơ zơn, NOx, SO2, CO, bụi, a xít v.v.
1.3.1 Các phương trình cơ bản của mơ hình
* Phƣơng trình liên tục:
(1.1) Trong đó:
là nồng độ chất trong một đơn vị thể tích. la Jacobi theo chiều thẳng đứng.
và là thành phần của gió theo chiều ngang và chiều dọc. là lƣu lƣợng đơn vị.
* Phƣơng trình khuếch tán khí quyển cơ bản theo thuyết khuếch tán rối đƣợc viết nhƣ sau:
(1.2) Trong đó:
: là số Jacobi
: là tenso khuếch tán rối
:là hệ số xáo trộn về khối lƣợng : là khối lƣợng riêng
Các thành phần của phương trình được giải thích như sau:
Thành phần biến đổi nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian. Bình lƣu hƣớng ngang.
Bình lƣu hƣớng dọc.
Khuếch tán rối hƣớng ngang. Khuếch tán rối hƣớng dọc. Khuếch tán hƣớng ngang. Khuếch tán hƣớng dọc.
Thành phần đƣợc sinh ra hoặc mất đi do các phản ứng hoá học. Thành phần phát thải.
Thành phần hơi nƣớc. Thành phần bụi khí.
Thành phần phát thải trong lƣới tính.
Để giải các phƣơng trình trên, mơ hình sử dụng phƣơng pháp giải số trị kết hợp với các giả thiết của mơ hình (Srivastava và cộng sự, 1995):
Giả thiết 1: Nồng độ chất ô nhiễm đủ nhỏ để khơng đủ gây ảnh hƣởng đến khí quyển. Do đó, phƣơng trình bảo tồn có thể đƣợc giải bằng hệ phƣơng trình Navier-Stock và phƣơng trình năng lƣợng.
Giả thiết 2: Vận tốc và nồng độ của các chất biến đổi trong khí quyển là khuếch tán rối. Bởi khuếch tán rối chiếm ƣu thế so với khuếch tán phân tử.
Giả thiết 3: Xáo trộn là trạng thái không chuyển động của khí quyển trong một chu kì trung bình thời gian.
Giả thiết 4: Hàm ban đầu (phát thải chất ơ nhiễm) khơng tính đến thành phần rối.
Giả thiết 5: Ảnh hƣởng của sự biến đổi nồng độ lên tốc độ phản ứng hố học là khơng đáng kể.
Giả thiết 6: Các q trình diễn tốn có thể đƣợc biểu thị riêng biệt theo chiều ngang và chiều thẳng đứng.
Mơ hình CMAQ bao gồm mơ hình chính là lan truyền các chất hóa học (CCTM – CMAQ chemical transport model) và một loạt các chƣơng trình con khác làm nhiệm vụ cung cấp số liệu đầu vào cho CCTM.
DRIVER: quản lý số liệu mơ hình.
HADV: Tính tốn các ảnh hƣởng của bình lƣu hƣớng ngang. VADV: Tính tốn các ảnh hƣởng của bình lƣu hƣớng dọc. ADJCON: Điều chỉnh hệ số xáo trộn của các quá trình bình lƣu. HDIFF: Tính tốn các ảnh hƣởng của khuếch tán hƣớng ngang.
VDIFF: Tính tốn các ảnh hƣởng của khuếch tán hƣớng dọc và lắng đọng. CHEM: Tính tốn các ảnh hƣởng của các phản ứng hóa học.
CLOUD: Tính tốn các ảnh hƣởng của bụi khí và xáo trộn mây. AERO: Tính tốn quy mơ lan truyền và động lực học.
PING: Tính tốn các ảnh hƣởng của hóa học phát xạ.
Hệ thống CMAQ được mô tả theo sơ đồ sau:
Hình 24. Hệ thống CMAQ
Các chương trình con trong hệ thống mơ hình CMAQ:
+ ICON: Cung cấp cho mơ hình trƣờng số liệu nồng độ ban đầu 3 chiều. + BCON: Cung cấp nồng độ tại các biên.
+ ECIP: Tổng hợp sự phát thải từ các khu vực riêng biệt thành một nguồn điểm lớn để tạo thành dữ liệu đầu vào
+ MCIP: Xử lý dữ liệu đầu ra của mơ hình khí tƣợng để cung cấp số liệu cần thiết về khí tƣợng cho mơ hình CMAQ.
+ JPROC: Tính tốn tỷ lệ quang phân theo kinh, vĩ độ. + PDM: Đƣa thông tin phát thải vào lƣới tính.
1.3.2 Các mơ đun khoa học
Hình 25 cho thấy mối quan hệ giữa hệ thống mô hình CMAQ với các thành phần khác của các mơ hình thế hệ 3: khí tƣợng, phát thải và phân tích trực quan. Mơ hình lan truyền – hóa học (CCTM) của CMAQ sử dụng các thơng tin khí tƣợng và phát thải cùng với các kỹ thuật hiện đại, mà sẽ đƣợc trình bày dƣới đây, để mơ phỏng các q trình khí quyển ảnh hƣởng tới vận chuyển, biến đổi, loại ô zôn, bụi và các chất ô nhiễm khác. Hệ thơng Mơ hình Khí tượng Hố học Mây Sol khí Khuyếch tán Đối lưu
Mơ hình lan truyền – hố học
Plume-in-Grid Mơ hình phát thải
(số liệu phát thải) Phân tích trực quan
Sol khí Lý thuyết K TKE Khép kín bậc 2 RADM2 Liên kết Carbon IV SAPRC 99
Hình 25. Quan hệ giữa hệ thống mơ hình CMAQ với các mơ hình phát thải và khí tƣợng và khí tƣợng
CCTM tính tốn hố học của các pha khí, sol khí (rắn hoặc lỏng) và lỏng trong các mơ đun QSSA và SMVGEAR. Hố khí có thể đƣợc mơ phỏng các cơ chế Liên kết Các bon IV (CB-IV) hay Mơ hình Lắng đọng A xít Khu vực phiên bản 2