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水路运输排放的大气污染物数值模拟

摘要

世界海运近年来大幅增加，全球贸易增加，水路运输和化石燃料需求也随之增加，造成空气污染物排放。因此，运输排放对气候变化的影响列为优先事项。由于连续使用主机用于推进，电力和热力生产，燃料需求量较大。在港口及其附近，发现空气污染的最高暴露水平，因为世界上大部分舰队都位于这些地区。位于巴西东南沿海的里约热内卢市被插入在瓜纳拉巴湾（GB），里约热内卢地铁政治区（MRRJ）的微风再循环。因此，本研究的目的是利用巴西区域大气建模系统（BRAMS）在里约热内卢地铁政治区中产生风场，并使用3D运动轨迹模型计算与水路运输有关的瓜纳拉巴湾排放的污染物的轨迹。结果表明，在分析期间，里约热内卢沿海地区的中西部地区夏季受影响最大。在冬天，轨道到达里约热内卢和杜克德卡西亚斯的城市。在冬季轨迹达成的里约热内卢和杜克卡西亚斯的城市。无论是在夏季和冬季，随后在上午对南大西洋的轨迹。关于这项研究的结论表明，需要决策过程，更好地管理航道运输部门，改善沿海地区城市对空气质量的有害影响。

关键词：海上运输，船舶排放，空气污染，气象模型，瓜纳巴拉湾

第1章　简介

运输部门的排放量起着关键作用，因为运输业在全球范围内快速增长。[1] - [4]，运输是许多不同气体和气溶胶全球排放的重要因素，可能会直接或间接影响气候[1] - [4]。海运领域尤其对沿海地区的空气污染贡献巨大。然而，在减排方面，这个运输部门在过去[5] - [7]中的关注较少。如今，通过应用一致的方法，可以并行研究海事，航空和公路运输的气候影响，从而直接比较其对全球气候的影响[8]。因此，运输排放对气候变化的影响列入优先事项[6]。近年来世界海运贸易正在大幅增长，结果导致了水路运输和化石燃料需求的增加，造成大气污染物排放。由于全球规模的贸易增加，航运排放量在不断增加，未来可能会持续下去。这种模式有可能主要在沿海地区和全球空气污染方面造成空气质量下降[9]。

海运通过氮氧化物和二氧化硫的排放对空气污染做出了重大贡献。由于在港口连续使用主机用于推进，电力和热力生产，燃料需求量很大。因此，港口及其附近的空气污染暴露水平最高，因为世界上80％的舰队位于港口或沿海地区。许多人生活在港口城市或沿海地区，生态系统脆弱，容易受船舶空气污染影响[10]。用于海上平台后勤支援的船舶还需要高密度的油耗来推动主机和辅机 锅炉，造成污染物持续排放。这些船今天被认为是最大的污染者之一。

船舶排放的气体和颗粒物对水路运输部门的总排放量的影响显着增加，造成人类健康和气候变化退化。调节船舶排放需要了解当前的燃料消耗，了解其对大气成分的影响。近70％的船舶排放发生在海岸线400公里内，通过在沿海地区和港口形成对流层臭氧，硫和颗粒物，造成空气质量问题[11]。排放的主要化合物是二氧化碳（CO ₂），氮氧化物（NO _x），一氧化碳（CO），挥发性有机化合物（VOC），二氧化硫（SO₂），黑碳（BC）和颗粒有机物）[3]。研究表明，船舶消耗大约200 - 2.9亿吨（1 Mt = 1 Tg = 10 12 g）燃料，排放约600 - 900 Tg CO 2 [3] [12] - [14]。这些研究估计约占全球人为NO x排放量的15％，归因于船舶的二氧化硫排放量的4％至9％。这些排放物对沿海社区的污染贡献很大。

颗粒也可以通过改变云的性质的能力对气候产生间接影响[11]。不仅对全球范围的影响，还影响了沿海地区和港口的地方和区域空气质量。要提高对水路运输对大气构成和气候的影响的认识，并提出减缓选择的建议。

为减少船舶对环境和健康造成的空气污染物排放的影响，国际，国家和地方立法者采取了若干措施。1973年，国际海事组织（国际海事组织）通过了“国际防止船舶造成污染公约”，现已普遍被称为“防污公约”，经“1978年和1997年通过的议定书”修正，并通过其他相关修正案进一步修订。“MARPOL公约”涉及船舶污染物质，污水，垃圾，防止空气污染。1997年首次通过的“防污公约”附则VI限制了船舶废气中包含的主要空气污染物，包括SO x和NO x，并禁止蓄意排放臭氧消耗物质。关于NO x和SO x排放的实际立法载于MARPOL附则VI [15] [16]。

除了社会面对减少温室气体排放（特别是二氧化碳）的挑战。M.F. de Oliveira等人[125]另一个挑战是减少全球人为的NO x和SO 2排放，可以远离其来源运输，具有健康和生态系统的后果。随着大多数船用发动机在高温和高压下运行，船舶排放的NO x和SO 2（平均硫含量为2.4％ - 2.7％）相对较高[17] [18]。随着远洋船对NO x，SO 2和POM的全球排放贡献显着，据估计到2020年，对欧盟（EU）的船舶排放贡献将超过所有陆上移动，固定的总排放量 和二十五个国家的其他来源[19]。海运目前负责全球二氧化碳排放量的3％以上，该行业的总排放量继续增加，到2050年达到5％[20]。

经济预测显示，集装箱运输预计将在全球范围内增长，并响应这一增长; 航运业预计将继续向较大的集装箱船发展趋势[21]。陆军，内政部，商务部和美国环境保护局的目标是批准开发的项目，作为缓解计划，以适应较大类型的集装箱船，并评估与项目实施前后港口运行有关的空气排放。

国家环境研究所（INEA）是自1967年第一个测量站安装以来，负责监测里约热内卢州空气质量的机构。人力资源开发区是人口，车辆，行业和排放源污染物排放量第二高的地区，造成严重的空气污染问题。

国家环境委员会的决议（CONAMA 03/1990）表明，在给定的时间和地区不能超过对外界空气污染物质量的空气质量模式。这些参数必须考虑到人，建筑物和环境资源的健康保护。本局根据曝光时间，短期或长时间对这些模式进行分类，具体取决于损坏情况。表1显示了INEA根据CONAMA决议使用的空气质量指数。在CONAMA上确定的与主要和次要模式有关的空气质量模式如表2所示。

近年来，对巴西造船和对海上石油勘探投资的激励推动了巴西舰队的海上支援和港口扩张。荷兰政府的航空运输国家机构（ANTAQ）概述了该运输部门的环境监管目标[22]。2006年至2011年间，巴西供应船队从56艘增加到121艘[23]。根据[24]，流动资源（空气，海洋和陆地），固定/固定（工业过程，电厂等）和自然（植被，土壤，海洋生态系统，火山， 闪电等）。

参考文献[25]以瓜纳拉巴湾为单位的船舶，NO 2和SO 2的排放量估计值。从排放量的计算出发，从四十四小时开始，在湾周围的污染物羽流中进行所有季节的模拟。最差的是7月（冬季）在圣地亚哥市的里约热内卢地铁政治区。

表1. INEA根据CONAMA决议使用的空气质量指数

表2.根据CONAMA(03/90)决议确定的空气质量模式

污染物羽流遵循大气流场，可以使用欧拉和拉格朗日方法进行研究[26]。欧拉方法允许快速概览流动的许多颗粒的运动。在该方法中，以流速观察的速度跟踪切线，称为当前行。否则，拉格朗日方法允许查看相同粒子随时间的连续位置。给定空气包裹在一段时间内平衡流动的路径称为轨迹。根据[27]，研究区域的风的知识不足以确定空气质量的来源，因为速度矢量是由于旋转运动，而不是空气质量的平移。只有通过对气氛的了解，才知道他们所遵循的道路。空气质量轨迹的计算非常重要，因为它能够了解在大气中运输的污染物排放源。

以上是对航道运输部门排放量增加及沿海城市空气质量影响的综述。本研究的范围是模拟使用大气和污染物轨迹模型对与水路运输相关的移动和固定源产生的污染物的轨迹。考虑到潮湿（夏季）和干旱（冬季），分析了这种模式对里约热内卢地铁政治区中污染物排放的贡献。

第2章　研究区域

研究区位于里约热内卢的瓜纳拉巴湾（22°47#39;26#39;，43˚09#39;20#39;#39;W）。由里约热内卢，杜卡斯卡西亚，圣戈萨洛，尼特罗等小城市所包围（图1）。

国土规划局在约400平方公里的面积估计为18亿立方米，南北轴线长28公里，最宽处20公里。其入口连接通道与内部架架的深度从内部区域的距离不等于1米，靠近边缘。这个湾是一个海上交通的地点，位于里约热内卢港内的里约热内卢地铁政治区内。巴西海上支援舰队正在增加，并向石油平台提供后勤支援船只，使用高密度石油。这些船舶被认为是主要污染物质之一，排放了若干立法污染物。

图1.研究区域与国际化的地图 资料来源：摘自[25]

有组织的港口地区，如里约热内卢的情况，有集装箱码头，钢铁产品，车辆（滚装滚降），货物和船只[29]。因此，空气污染物的排放主要来自船舶造成的流动资源和车辆的流动[30]。

在海上交通网站可以查看几类船只作为乘客，货物，油轮，拖船，渔船等。访问该网站的国际标准化组织显示了几艘船，在里约热内卢有组织的港口锚定，移动和停泊（图2）。

研究区大气大气循环模式是指南大西洋的大气环流，存在着一个半固定气象系统的亚热带反气旋，呈现明确的季节性运动。夏季，非洲大陆亚热带反气旋比冬季弱，向南移动。在西部，风吹向南美南部东南海岸东北风，而且它们在瓜纳拉巴湾所在的巴西东南沿海更加紧密。由于西班牙在巴西东南沿海东北移动的反气旋运动引起的正面系统通过，这种循环周期性地受到干扰。

瓜纳拉巴湾与大陆之间的差热会产生称为微风的中尺度气象现象，里约热内卢地铁政治区中的再循环污染物。陆地风（夜间）沿着北方方向，向海域的密集城市化区域（白天）携带污染物进入大都市区。具有与海岸线平行的山丘的里约热内卢地铁政治区地形作为来自海面的风的物理障碍，阻碍了进一步内陆地区的通风[31] [32]。在区域规模（100公里），由海面与大陆之间的温差引起的海风或微风的流通可能会通过再循环污染物限制通风[33]。

人口密集，工业化的城市地区空气质量降低。通过将西侧污染物（来源）运送到里约热内卢地铁政治区的东侧（接收区域），验证了海风的效果。要了解气象，地理和社会经济变数以及对流层的化学性质，管理空气污染指数的空气质量是必要的。参考文献[25]使用[34]软件将NO x和SO 2的排放值与INEA执行的瓜纳拉巴湾周围每日公告监测空气质量的数据进行比较。笔者在2013 - 2014年期间实时使用当地气象变量，区域地貌，船舶的确切位置和海上交通量的船只数量。在处理数据库后，证实船舶排放的这些污染物排放在瓜纳拉巴湾上有必要考虑到对里约热内卢地铁政治区空气质量恶化的影响。

图2. 瓜纳拉巴湾中几种类型船只和里约热内卢地铁政治区部分船舶的海上交通图。资料来源：改编自2016年5月10日下载的http://www.marinetraffic.com

第3章　研究方法

3.1　气象数据集

在这项研究中，巴西区域大气建模系统（BRAMS）用于生成里约热内卢地铁政治区区域的风场，并分析气象流量。这个模型是一套模拟气候和气候研究和数值天气预报的计算机程序[35]。国家环境预测中心 - NCEP和国家大气研究中心 - NCAR [36]的再分析被用于2015年2月和8月初始化这一模

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