本書結合我國顆粒物污染防治工作的需求，系統總結了我國大氣顆粒物源解析技術理論與應用領域的創新性研究成果。全書共分八章：第一章主要介紹我國大氣顆粒物污染問題的演變及大氣顆粒物源解析技術的發展歷程；第二章介紹化學質量平衡受體模型的基本原理；第三章介紹二重源解析技術方法；第四章介紹大氣顆粒物源及受體樣品的采集和化學成分譜的建立；第五章介紹降低二次碳顆粒影響的大氣顆粒物源解析技術方法；第六章介紹復合受體模型原理及方法；第七章介紹大氣顆粒物源解析模型軟件的開發與應用實例；第八章介紹幾個受體模型的應用實例。
本書適合高等院校、科研院所大氣環境相關專業的研究生、教師及科研人員，環境保護部門從事大氣污染防治工作的技術人員及管理人員閱讀和參考。
朱坦 南開大學教授，現任南開大學環境與社會發展研究中心主任、國家環境咨詢委員會委員、環境保護部戰略環評專家咨詢委員會委員、科技部“973”綜合交叉領域咨詢專家。
主要研究領域為大氣顆粒物污染防治、環境評價與管理、循環經濟、低碳發展和城市生態等。在國際上最早提出城市顆粒物源解析中“揚塵”的概念，建立了具有我國特色的大氣污染源解析技術，為改善城市大氣污染做出了重要貢獻。
共主持或參加國家自然科學基金項目、國家社會科學重大項目、“863”項目、國家科技支撐項目、國家科技攻關計劃課題等科研項目70余項。發表學術論文200余篇，獲得省部級獎20多項，2002年獲第六屆“地球獎”。
馮銀廠 理學博士，南開大學環境科學與工程學院教授，博士研究生導師，國家環境保護城市空氣環境顆粒物污染防治重點實驗室主任。
主要從事大氣顆粒物來源解析及污染防治技術研究，建立了大氣顆粒物二重源解析技術。構建了大氣顆粒物復合受體模型，提出了顆粒物目標容量總量控制技術方法。共發表論文110余篇，獲得省部級科技進步獎7項。
前言
第一章 大氣顆粒物源解析技術進展
引言
第一節 大氣顆粒物源模型的發展
第二節 大氣顆粒物受體模型的發展
第三節 大氣顆粒物受體模型源解析的主要特點
參考文獻
第二章 化學質量平衡受體模型的基本原理
引言
第一節 化學質量平衡受體模型的基本原理及算法
第二節 化學質量平衡受體模型擬合優度的診斷體系
第三節 化學質量平衡受體模型的產生與發展
參考文獻
第三章 二重源解析技術方法
引言
第一節 二重源解析技術的提出背景
第二節 二重源解析技術的原理及解法
第三節 二重源解析技術的診斷技術及解析條件
參考文獻
第四章 顆粒物樣品的采集與成分譜
引言
第一節 源樣品的采集
第二節 受體樣品的采集
第三節 成分譜
第四節 源成分譜的組成與特征
參考文獻
第五章 大氣二次顆粒物源解析方法
引言
第一節 二次顆粒物是大氣顆粒物的重要組成部分
第二節 二次顆粒物對CMB模型的影響
第三節 二次顆粒物源解析的意義
第四節 硫酸鹽、硝酸鹽的源解析方法
第五節 SOC的源解析方法
參考文獻
第六章 復合受體模型方法
引言
第一節 受體模型面臨的難題
第二節 PCA/MLR-CMB復合受體模型
第三節 NCPCRCMB復合受體模型
參考文獻
第七章 模型軟件及其應用實例
引言
第一節 大氣顆粒物源解析技術應用示范——以無錫市為例
第二節 多環芳烴源解析應用實例
第八章 受體模型應用實例
引言
第一節 PCA/MLR-CMB復合受體模型
第二節 NCPCRCMB復合受體模型
第三節 EPA-CMB8.2受體模型
附錄A 南開CMB2.0受體模型計算軟件NKCMB2.0用戶手冊
附錄B 因子分析化學質量平衡復合受體模型計算軟件PCA/MLR-CMB用戶手冊
附錄C 非負主成分回歸化學質量平衡受體模型計算軟件NCPCRCMB用戶手冊
附錄D 化學質量平衡嵌套迭代模型計算軟件CMB-Iteration用戶手冊
附錄E 源解析研究平臺——化學質量平衡二重源解析計算軟件SALAB-NCMB用戶手冊
第一章 大氣顆粒物源解析技術進展
引 言
隨著源解析研究的發展，大氣顆粒物來源解析技術先后出現了三種方法：排放源清單方法、源模型（擴散模型）法和受體模型法。
排放源清單法是最早應用的大氣顆粒物來源解析方法。排放源清單法是根據排放因子，估算區域內各種排放源的排放量，根據排放量，識別對受體有貢獻的主要排放源。這種方法對于顆粒物來說，主要存在兩方面的缺陷：一是顆粒物開放源眾多，其排放量難以準確得到；二是排放源的排放量與其對受體的貢獻通常不是線性關系。因此，隨著污染源類型越來越多，環境管理的要求越來越高，排放源清單法已經無法滿足大氣顆粒物源解析技術的要求。
源模型法從污染源出發，根據各種污染源源強資料和氣象資料，估算污染源對受體的貢獻。但是，對于量大面廣的顆粒物開放源來說，由于無法得到可靠的源強資料，難以估算該污染源類對受體的貢獻值。因此，可以說，難以建立全面的顆粒物污染源類與受體之間的關系是源模型法在顆粒物源解析應用中的最大障礙。
為了解決上述兩種方法存在的問題，受體模型法應運而生。它從受體出發，根據環境空氣顆粒物的化學、物理特征等信息估算各類污染源對受體的貢獻。受體模型的種類很多，但主要分為兩大類：源已知類受體模型和源未知類受體模型。這兩類模型的算法不盡相同，有著各自的優缺點。受體模型是目前在世界上應用最為廣泛的顆粒物源解析技術。
大氣顆粒物來源解析技術在應用過程中也主要經歷了三個階段（圖1-1） 。第一階段：主要以源模型為主；第二階段：隨著源模型遇到的問題日益突出，受體模型和源模型開始混合使用；第三階段：由于環境問題日益復雜，單獨使用某一種模型已無法滿足需求，復合模型得到了發展和應用。
第一節 大氣顆粒物源模型的發展
源模型用數學方法定量描述大氣顆粒物從排放源到受體所經歷的全過程。其核心部分是大氣擴散模型，用以模擬大氣對顆粒物的輸送、擴散和稀釋作用以及大氣顆粒物在擴散過程中所經歷的干、濕沉積和化學轉化等過程。
空氣質量模型的發展一般分為如下三個階段：第一代模型主要包括高斯模型和拉格朗日煙團軌跡模型，基于高斯煙流擴散及煙團擴散理論，代表性的模型有ISC3 、AERMOD 、ADMS 、CALPUFF 等。這類模型模擬的物理過程較為簡單，無法完整地描述大氣運動狀況。對沉積和化學過程的處理粗略，僅可用于模擬原生性污染物的擴散及簡易的反應性軌跡模擬，對于顆粒物，僅可模擬一次污染源排放的顆粒物的擴散和干濕沉積。
第二代模型為歐拉網格模型，國外具代表性的模型有城市尺度光化學氧化模型（ UAM） 、區域酸沉降模型（RADM） 、區域尺度光化學氧化模型（ROM） 。國內具代表性的模型主要有：城市尺度的空氣質量預報模型（如中國科學院大氣物理研究所HRDM）及區域尺度污染物歐拉輸送模式（如中國科學院大氣物理研究所RAQM 、南京大學區域酸沉降模型RegADM 等） 。與第一代模型相比，第二代模型的大氣動力模塊較為復雜，以使模擬的大氣運動與實際較為吻合。這類模型加入了較為復雜的化學反應機制，分別針對光化學反應的氣態污染物或顆粒物，但由于這些模型只是單獨為解決某一個空氣污染問題而設計的，其模擬結果通常僅為單一介質（氣相或固相）的輸出濃度。然而，大氣中各污染物間具有相當復雜的反應行為，氣、固相之間也有轉化作用。例如，對氮氧化物的控制不僅會影響臭氧的濃度，還會對酸沉降、顆粒物、大氣能見度產生影響。為更好地利用一個模型來反映大氣污染物形成機制間的相互關聯性，即所謂一個大氣的觀念，第三代空氣質量模型應運而生。
國外典型的第三代空氣質量模型有Models-3 、WRF-chem 等。目前國內模型的發展也進入第三代，以一個大氣的概念，建構了從全球尺度、區域尺度到嵌套網格的大氣環境模式系列，比較成熟的有南京大學的區域大氣環境模型系統（RegAEMS） 、中國科學院大氣物理研究所的嵌套網格空氣質量預報系統（NAQPMS） 、中國科學院大氣物理研究所全球環境大氣輸送模型（GEATM）等。
以Models-3 為例，該模型可通過一次模擬工作即得到多種污染物（包括臭氧、顆粒物、氮氧化物等）的濃度分布以及酸度、能見度等。在空間范圍上，可選擇局地、城市、地區和大陸等多種尺度范圍。模型可對80 多種大氣污染物的濃度分布進行模擬和預測。Models-3 的通用多尺度空氣質量模型（CMAQ）是空氣質量預報和分析系統的核心部分。圖1-2 為CMAQ 模型的模塊及考慮的主要過程。其中，最主要的是化學輸送模塊（CCTM） 。
CCTM 包括的過程可分為以下三類：
（1） 純粹與化學有關的反應過程 模型提供了三種可供選擇的化學機制CB4 、RADM2 及SAPRC99 。其中，CB4 包括33 種化學反應物、81 種化學反應；RADM2 包括63 種化學反應物、156 種化學反應；SAPRC99 包括72 種化學反應物、198 種化學反應。用戶也可以根據實際需要對這些機制進行修改或引入新的化學機制。
（2） 大氣擴散和平流過程 污染物的輸送過程包括平流以及次網格尺度的湍流擴散。
（3） 既與化學又與氣象有關的一些過程 包括：與輻射有關的光分解過程，通過一個先進的光分解模塊（JPROC）來模擬；污染物的煙羽擴散過程；云在液相化學反應、垂直混合、氣溶膠的濕清除方面的作用及云對太陽輻射的吸收和散射對污染物的光化學過程的影響。
CMAQ 模型的氣溶膠化學物種包括硫酸鹽、銨鹽、硝酸鹽、有機碳、元素碳、沙塵、海鹽。CCTM 氣溶膠模塊可以模擬：① 干沉降清除；② 氣溶膠云滴相互作用和降水清除；③ 硫酸/水汽系統中的二元勻質核化過程生成的新粒子；④ 從氣相前體物產生的有機氣溶膠組分；⑤ 粒子凝結和凝固增長。其中，二次有機氣溶膠（SOA）采用有機氣溶膠產出率的方法進行估算［2］ 。
CMAQ 模型的氣溶膠粒度分布采用對數正態三模態表示，即艾特肯核（ Ait-ken nucleus）模態、積聚態和粗模態。模式將氣溶膠分為兩類：細顆粒物（粒徑小于2.5 μ m ，PM2.5 ）和粗顆粒物（粗模態，粒徑介于2.5 μ m 與10 μ m 之間） 。PM2.5 包含兩個模態：粒徑0.1 ～ 2.5 μ m 的積聚態和粒徑小于0.1 μ m 的艾特肯核模態。
假設i 模態代表新生粒子，j 模態代表已存在的粒徑更大一些的積聚態粒子，兩模態間可通過凝結發生相互作用。每個模態均可由氣態前體物凝結增長，或由細模態增長為粗模態，通過干濕沉降清除［3］ 。
一、源模型在顆粒物源解析中的應用及局限性
利用源模型對大氣顆粒物來源進行解析的總體路線如圖1-3 所示。研究區域的下墊面特征、大氣顆粒物（或前體物）排放狀況、氣象要素特征是源模型必要的輸入參數。源模型可以定量模擬顆粒物在大氣中的傳輸擴散、干濕沉積及化學轉化等過程，理論上可以計算出各排放源對受體的環境濃度貢獻。
利用源模型進行顆粒物來源解析的主要優勢在于：在各污染源排放量（或排放強度）確定的前提下，可以較精細地模擬顆粒物在大氣中的擴散、清除、生成及轉化等過程，建立污染源排放與受體之間的輸入相應關系，得出各污染源排放對受體環境濃度的貢獻。
源模型在顆粒物來源解析應用中的局限性主要表現為：
（1） 各顆粒物污染源的排放量（或排放強度）是源模型必需的輸入參數，源排放清單是影響源模型適用性及模擬精度的重要因素。根據近年來我國20 多個顆粒物污染較重的城市大氣顆粒物（PM1 0 ）源解析結果分析，其環境空氣中顆粒物的主要來源是開放源（主要包括城市揚塵、土壤塵、建筑水泥塵等） ，分擔率達到50 %左右。而顆粒物開放源具有排放隨機、源強不確定等特點，因此，利用源模型進行顆粒物來源解析存在很大的不確定性。目前，源模型模擬顆粒物環境濃度時，開放源一般作為背景濃度考慮。
（2） 氣象模式的誤差會引起源模型結果的不確定性，特別是在模擬大氣化學過程和氣溶膠動力過程中。因此，若要精細模擬顆粒物在大氣中的生消、遷移擴散等過程，需要輸入高分辨率的氣象要素場，在一定程度上影響了模型的可操作性。
二、源模型與受體模型的聯用
大氣擴散模型（源模型）從顆粒物排放源出發，在各污染源排放量（或排放強度）確定的前提下，可以模擬或預測不同氣象條件下顆粒物濃度的時空分布，較好地建立固定源和流動源排放與顆粒物環境濃度之間的定量關系，但難以應用于源強不確定性大的開放源。而受體模型通過對顆粒物受體及源樣品的化學分析或顯微分析確定各類污染源對受體顆粒物的濃度貢獻。受體模型不需要精確了解每個污染源的源強，不依賴詳細的氣象資料，能夠很好地解析擴散模型難以模擬的開放源類對受體顆粒物濃度的貢獻。兩種模型各有優勢，聯合應用可互補短長，使解析結果更為合理，并可預測。
1985 年，Chow 提出了將這兩類模型結合起來的設想，通過實例對比了擴散模型和受體模型的解析結果負荷和差異的程度，解釋了引起原因，指出了協調和相互補充解析結果的方法，為擴散模型和受體模型在顆粒物源解析中的聯用提供了基本思路［4］ 。
未來我國顆粒物污染防治將朝向綜合化、精細化發展。擴散模型與受體模型的耦合將是顆粒物源解析技術的發展趨勢之一。兩種模型的耦合在解析成分譜相似的某些特定污染源的環境貢獻、在解析二次顆粒物的貢獻方面具有突出的優勢。
第二節 大氣顆粒物受體模型的發展
一、受體模型的發展
受體模型是通過受體和污染源樣品的化學組分分析來確定污染源對受體的貢獻值。其不需要知道源強，不依賴于氣象資料，解決了擴散模型難以解決的問題。
因此，受體模型自20 世紀70 年代問世以后，得到了迅速的發展，已逐步形成了系統的大氣顆粒物源解析技術體系。
受體模型的種類很多，如化學質量平衡法、主成分分析多元線性回歸法、正定矩陣因子分解法、偏最小二乘法、神經網絡法等。歸納起來，這些受體模型主要分為兩大類：一類受體模型不需要知道詳細的源類信息，稱為源未知類受體模型；另一類受體模型需要知道詳細的源類及其組成特征的信息，稱為源已知類受體模型［5］ 。
源已知類受體模型需要同時將源類和受體的信息納入模型，通過在受體和源類之間建立平衡關系，估算源類對受體的貢獻值。源未知類受體模型只需要將受體信息納入模型，通過對受體分析，提取出多個因子，將這些因子一一對應識別為
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