城市大气污染预报模式的研究进展

第23卷　第4期

西安科技学院学报Vol.23　No.4　2003年12月　JOURNAL OF XI ’AN UN IV ERSIT Y OF SCIENCE AND TECHNOLO GY Dec.2003

文章编号:1671-1912(2003)04-0411-04城市大气污染预报模式的研究进展

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陈　柳1,2,马广大1,纪海维2(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安　710055;2.西安科技大学能源学院,陕西西安　710054)摘　要:介绍了城市大气污染预报模式的国内外研究现状,并对它们采用的预报系统及结果作了简要阐述。美国目前已发展到第三代Momdel -3CMAQ 模式系统,中国已开发了3套较成熟的模式系统。文中指出中国城市大气污染预报模式存在的问题,并对发展方向进行了探讨。

关键词:大气污染;预报模式;数值预报

中图分类号:X 32 文献标识码:A

大气污染预报是人们在对大气污染物排入大气环境后扩散、迁移和清除规律认识的基础上,利用科学的方法预测预报未来不同空间尺度上空气污染物浓度变化状况及趋势的过程。它对城市环境管理、污染控制、环境规划、城市建设及公共卫生事业均有重要的实际应用价值,并能促进公众参与及提高城市居住环境意识。

大气污染预报的主要方法有潜势预报、统计预报和数值模式预报3种:潜势预报采用的基本方法是从已发生的多个污染事件着手,归纳总结发生污染事件时所有的气象条件、天气形势及气象指标;统计预报是在不了解事物变化机理的情况下,通过分析事物规律来进行预测的方法;数值预报可以定量描述空气中大气污染物的浓度,预报它们的变化。数值预报需要掌握大气污染物在空气中的演变规律,即需了解污染物在空气中所经历的物理、化学和生物过程。用于描述这些过程的定量数学方法系统被称为模式。城市大气污染预报模式是大气污染数值预报的基础和核心。城市大气污染预报模式实用性强,应用面广,其模式的好坏和精度高低对预报结果图1　Models -3CMAQ 模式流程图Fig.1　Flow chart of models -3CMAQ pattern

有着直接的关系,因此,对大气污染预报模式的研究是极其重要

的[1]。

下面介绍国内外大气污染预报模式的发展现状。

1　国外大气污染预报模式

1.1　美国的预报模式

美国大气污染预报模式研究已经从第一代Lagrange 模式进

化成为第二代Euler 模式,现在又开发出第三代模式系统,命名为

Models -3CMAQ 模式。第一代Lagrange 模式主要采用的是高斯扩散模型。最广泛使用的是第二代Euler 模式。它主要包括城市大气质量模式(UAM )[2]、区域酸沉降模式(RADM1和RADM2)及区域氧化物模式(ROM )[3]。第三代Models -3CMAQ 模式是由美国环保局(EPA )1998年完成的,并于1999～2000年作了进一步完善。

下面对Models -3CMAQ 模式作以简单介绍[4]。

Models -3CMAQ 模式区别于上两代模式的最大特点是它可以实现多种污染物、多范围的大气污染预报。它由4大部分组成:污染源模式化模型,气象模式,输入、输出模式,浓度计算模式。其流程图如图1。

浓度计算模式的基础是大气扩散方程,采用Byun (1999)提出的空气质量模型[6]。浓度控制方程如下

Ξ收稿日期:2002-11-06

基金项目:西安市科技计划项目(SF200346)

作者简介:陈　柳(1975-),女,新疆伊犁人,助教,在读博士,主要从事大气污染预报的研究.

5φi 5t + ξ・[φi V ξ]+5(φi v 3)5x 3+ ξ[ργF qi ]+5(ργF 3qi )5x

3=　(a ) (b ) (c ) (d ) (e )γR φi (φ1,Λ,φN )+γS φi +5(φi )5t cld +5(φi )5t ping +5(φi )5t aero

(1) (f ) (g ) (h ) (i ) (j )

上式各项表示以下过程:(a )浓度变化过程;(b )水平对流过程;(c )垂直对流过程;(d )水平涡旋扩散过程;(e )垂直涡旋扩散过程;(f )气相化学变化引起浓度增长或减少过程;(g )污染源排放过程;(h )云雨及湿沉积过程;(i )烟羽过程;(j )气溶胶过程。需注意,干沉积过程包括在垂直扩散过程中,作为边界条件引入。

以上各过程均对应有各自的程序计算模块,从方程(1)出发运用数值分析技术,求其数值解,就可以得到浓度场。

美国的Models -3CMAQ 模式利用最先进的计算机和通讯技术,实现由超级用户到一般用户多达9个层面的GU I 结构,利用地理信息系统(GIS )作为数据库的可视化载体。Models -3CMAQ 模式可以在网络上运行并采用分布式平行计算技术。总之,与第二代相比,Models -3CMAQ 模式功能更全面、性能更先进、控制方程更复杂、使用更方便、结构更合理、更开放。

1.2　其他国家

加拿大国家研究委员会的污染预报模式MC 2-CAL GRID 模式[5],是由一个非静力平衡的半显示半拉格朗日中尺度气象模式和一个综合光化学模式结合而成的模式系统。它综合了大气污染物的传输、沉降和化学转化的先进技术,有包括54个有机和无机物种的129个化学反应方程式。

挪威气象研究所的污染预报模式[6],是由EMEP MSC -W NO X 预报模式和Norwegian 轨迹模式组成的,其中考虑了污染物的扩散传输、干湿沉降和包括45个物种的100个化学反应方程式。

其他国家也多是从基于质量守恒大气扩散方程出发,求其数值解,但预报控制方程要比Models -3CMAQ 模式简单,预报污染物的种类要比Models -3CMAQ 模式系统少。限于篇幅,其他国家的污染预报模式不再详细介绍。

图2　HRCM 模式流程图

Fig.2　Flow chart of HRCN pattern 2　中国的预报模式

中国目前已开发较成功的城市大气污染预报模式有3种:第一,中国

科学院大气物理研究所开发的HRCM 模式系统;第二,中国科学院大气

物理研究所开发的Monte -Carlo 模式系统;第三,中国气象科学研究院开

发的CAPPS 模式系统。

2.1　HRCM 模式[7]HRCM 是Euler 型模式。整个预报系统由以下几个部分组成:中尺度气象模式、PBL (行星边界层)湍流统计量参数化模式(PBLM )、污染源模

式(SM )、干湿沉积模式(DSDM )、浓度计算模式(HRCM )。其流程图如图2所示。

前4个模式提供输入参数、初始场和边界条件。HRCM 模式是这个模式系统的核心。

HRCM 从求解以下化学物质守恒方程组出发5c 5t =-5(uc )5x -5(vc )5y -5(wc )5σ+55x (k x 5c 5y )+55y (k y 5c 5y )+g P L 255σ(ρ2k z 5c 5σ

)+P c -L c +W t +D y +E s o (2)式中　c =c i P L ,c i 为化学物质体积混合比,P L =P s -P t ;w =d σd t

;P c 和L c 是由化学反应引起的生成和消耗率;W t 是由于云的影响引起的物质浓度变化率;D y 是干沉积引起的浓度变化率;E s o 是污染源的排放源;σ=P -P z P s -P t

,P 为气压,P t 为模式顶气压,P t =100hPa ,P s 为地面气压。需输入到模式中的资料有逐时三维风场、温度场和湿度场、湍流扩散场、下垫面型、每小时地面降水量及污染源排放清单。

HRCM 已被用于预报重庆市32种污染物逐时浓度分布,预测结果与实测资料有较好的一致性。如果以平均比值的大小作为预报的准确率,平均可达90%以上。

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