国内外常用的空气质量模式介绍

国内外常用的空气质量模式介绍

聂邦胜

(海军大连舰艇学院军事海洋系,辽宁大连　116018)

摘　要:人们对空气污染问题的关注促进了空气质量数值模式的发展。至今,空气质量模式已经发展了三代。目前,国内外常用的模式有ISC3,ADM S,A ERM OD,M odels23,CA PPS等。应该根据实际问题的需求选择合适的模式。

关键词:空气质量;数值模式;ISC3;ADM S;A ERM OD;M odels23;CA PPS

中图分类号:X51 文献标识码:B 文章编号:100322029(2008)0120118205

1　引言

空气污染已经成为世界上许多城市面临的最严重的环境问题之一,强化大气环境管理,防治空气污染及优化空气污染防治措施是城市环境保护的一项紧迫任务。随着我国工业、交通和建筑业的蓬勃发展,以二氧化碳、氮氧化物和悬浮颗粒物为主的大气污染问题也日趋严重,已经成为我国政府和社会共同面临的严峻问题[1]。

空气污染问题的日益严峻导致了对空气质量预测的需求日益迫切。

目前国际上空气质量预报的方法有两种,一种是以统计学方法为基础,利用现有数据,基于统计分析,研究大气环境的变化规律,建立大气污染浓度与气象参数间的统计预报模型,来预测大气污染物浓度,称之为统计预报;另一种则是以大气动力学理论为基础,基于对大气物理和化学过程的理解,建立大气污染浓度在空气中的输送扩散数值模型,借助计算机来预报大气污染物浓度在空气中的动态分布,称之为数值预报[2]。

在计算机技术和数值计算技术飞速发展的今天,空气质量数值预报以其完善的理论基础、合理的模式设计、定时定量的预报结果成为空气污染预报的主要发展趋势[3]。

2　空气质量模式的发展[4]

自20世纪70年代起,经过30多a的发展,空气质量模式基本可分为三代:

收稿日期:2007211212

作者简介:聂邦胜(1975-),男,博士研究生,讲师,主要研究方向为环境影响评价。 第一代模式模拟系统主要考虑个别污染物,在估算下风向的环境浓度时,用的是物理输送算法,这些模式广泛地应用于一次污染物的影响预测和控制措施的优化,代表模式有ISC3与EK M A模式(高斯)等。

第一代空气质量模式,不论是点源模式,还是以点源模式为基础,通过积分方法得到的线源模式、面源模式、体源模式等,都具有如下2个特点:(1)浓度计算在水平方向和垂直方向上都采用高斯分布假定;(2)湍流分类和扩散参数采用离散化的经验分类方法。

第二代模式则加入较为复杂的气象参数与反应机制,考虑了光化学反应机理,能够模拟臭氧、SO x,NO x的化学过程和酸雨的形成,此类模式广泛地应用于二次污染物的影响分析和控制措施的改善,代表模式有ADM S, A ERM OD,CAM x,UAM等。

第二代空气质量模式,其共同特点通常包括如下几点: (1)气象模块均基于常规气象资料。所必需的气象数据有10 m高度上的风速,115m(或2m)高度上的温度以及云量等。烟羽抬升和扩散计算所需要的特征参数,如摩擦速度u, M onin2O bukhov长度L,混合层厚度z,以及湍流参数,均可通过常规气象数据计算得到。(2)新一代空气质量模式彻底抛弃了Pasqill2Giffo rd扩散参数体系,因此,已没有必要再将大气边界层的稳定度分成6类或7类,而只要根据热通量的正负,将其分成不稳定和稳定两类即可。

第三代空气质量模式是由美国国家环保局(EPA)于1998年开发成功的,通称为M odels23。为了将所有的大气问题均考虑到模式之中,提出了所谓的一个大气的概念(one2atmo sphere),模式将各种模拟分析复杂的大气物理、化学程序的模式系统化,可在一次模拟工作中,完成臭气、悬浮微粒(P M)及沉降作用的模拟,有效的进行较为全面的空气质量环境影响评估及决策分析。

第27卷　第1期2008年3月

海　洋　技　术

OCEAN T ECHNOLO GY

V o l127,N o11

M arch,2008

3　常用的空气质量模式

空气质量数值模式已经有数十年的发展历史,在世界范围内产生了大概数百个不同的模式,但应用较为广泛的主要是以下几个模式。

311　国外常用模式

(1)ISC3模式

ISC3(Industrial Source Comp lex3)模式是美国环保局开发的一个为环境管理提供支持的复合工业源空气质量扩散模式,是基于统计理论的正态烟流模式,使用的公式为目前广泛应用的稳态封闭型高斯扩散方程。ISC3模式的模拟范围小于50km,模拟物质为一次污染物,模式采用逐时的气象观测数据,来确定气象条件对烟流抬升、传输和扩散的影响。

模式可处理各种烟气抬升和扩散过程,如:静风条件、风廓线指数、城 乡扩散、烟囱顶端尾流、城市建筑对点源排放的尾流效应、污染物转化、沉积和沉降等。可同时 分别对点源、面源、线源、体源、开放源等多种污染源进行模拟,还可以根据需要对排放源进行分组,以便对各源的贡献进行定量分析;可选择多套规则和 或不规则极坐标、直角坐标下受点网格或离散受点进行计算,网格距和模拟范围可变;可输出多种污染物的浓度以及颗粒物的沉积和干、湿沉降量等计算结果;污染物可选取SO2,T SP,P M10,NO x 和CO等种类;可选择逐小时、数小时、日、月及年等多种平均模拟时段。

ISC3模式在国内外的城市尺度上的空气质量管理工作中得到的广泛的应用。

(2)ADM S模式[5,6]

ADM S大气扩散模型是由英国剑桥环境研究中心(CERC)开发的一套先进的大气扩散模型,属新一代大气扩散模型。该模型已在英国及其他地区建立起来,包括伦敦、布达佩斯、罗马等地区正在使用,世界范围内用户已达300多家。

ADM S模型耦合了大气边界层研究的最新进展,利用常规气象要素来定义边界层结构,在模式计算中只需要输入常规气象参数,使得污染物浓度计算结果更准确、更可信,因而能更好地描述大气扩散过程。ADM S模型与其它大气扩散模型的一个显著区别是:使用了M oniu2O bukhov长度和边界结构的最新理论,精确地定义边界层特征参数。ADM S模型摒弃了Pasqill稳定度分类法,将大气边界层分为稳定、近中性和不稳定三大类;同时摒弃了跃变式Pasqill 曲线或幂指数形式的扩散参数体系,采用连续性普适函数或无量纲表达式的形式;在不稳定条件下摒弃了高斯模式体系,采用PD F模式及小风对流模式,可以模拟计算点源、线源、面源、体源所产生的浓度,ADM S模型特别适用于对高架点源的大气扩散模拟。

(3)A ERM OD模式[7]

A ERM OD由美国国家环保局联合美国气象学会组建法规模式改善委员会(A ERM I C)开发。A ERM I C的目标是开发一个能完全替代ISC3的法规模型,新的法规模型将采用ISC3的输入与输出结构、应用最新的扩散理论和计算机技术更新ISC3计算机程序、必须保证能够模拟目前ISC3能模拟的大气过程与排放源。20世纪90年代中后期,法规模式改善委员会在美国国家环保局的财政支持下,成功开发出A ERM OD扩散模型,目前版本为2002年8月推出的V ersi on02222w ith PR I M E版。

该系统以扩散统计理论为出发点,假设污染物的浓度分布在一定程度上服从高斯分布。模式系统可用于多种排放源(包括点源、面源和体源)的排放,也适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等多种排放扩散情形的模拟和预测。A ERM OD具有下述特点:・以行星边界层(PBL)湍流结构及理论为基础。按空气湍流结构和尺度概念,湍流扩散由参数化方程给出,稳定度用连续参数表示;

・中等浮力通量对流条件采用非正态的PD F模式;

・考虑了对流条件下浮力烟羽和混合层顶的相互作用;

・对简单地形和复杂地形进行了一体化的处理;

・包括处理夜间城市边界层的算法。

A ERM OD模式系统包括A ERM OD(大气扩散模型)、A ERM ET(气象数据预处理器)和A ERM A P(地形数据预处理器)。A ERM ET的尺度参数和边界层廓线数据可以直接由输入的现场观测数据确定,也可以由输入的NW S(国家气象局)的常规气象资料生成。尺度参数和边界层廓线数据经过设于A ERM OD中的界面进入A ERM OD后,给出相似参数,同时对边界层廓线数据进行内差。最后,将平均风速u、湍流量、温度梯度d T d z及边界层廓线等数据输入扩散模式,并计算出浓度。

(4)M odels23模式[8,9]

美国环保局研制的第三代空气质量预报和评估系统(M odels23)是由美国环保局野外研究实验室大气模式研制组研制的。该模式系统可用于多尺度、多污染物的空气质量的预报、评估和决策研究等多种用途。美国环保局第一代系统主要用于预报局地范围内对流层空气中的少数污染物,并且采用高斯烟流公式作为预报的基础。第二代模式系统在空间范围以及污染物种类上都有所增加,空间范围发展到局地、城市和地区三种尺度。但在每一种空间范围内,只能采用一种预报方法处理某一种特定的污染物。第三代模式系统(M odels23)在空间范围上已经扩展到大陆尺度,并且可以同时预报多种污染物,在预报方法上则加入了化学物和气象要素之间的反馈作用。

911

　第1期 聂邦胜:国内外常用的空气质量模式介绍