欧洲部分国家城市大气污染研究进展

第六个合作项目是COST715——气象在城市污染 问题中的应用。这个项目始于1998年，要到2003 年才结束。城市污染问题的预报和研究，对气象 有很大的依赖性。所需的气象信息是否合适和充 分、气象“预处理”的质量，及与化学模式相配 套的中尺度气象模式的预报效果，都与城市大气 污染预报和研究的水平密切相关。COST设计这 个合作项目的目的，是让参加国进行关于气象资 料与污染物浓度资料、气象与化学模式以及其它 相关信息的交换，对什么样气象条件下污染物浓 度会超标进行充分的学术交流。
欧洲有一些国家，如丹麦和挪威，已将部分的气象资料和 空气质量监测资料在因特网上发布。当然，总的来说，欧 洲各国对待资料公开化的态度是很不相同的，如意大利的 天气站和探空站是归空军气象局管的，取用气象资料要按 合同或征得地方政府的许可。但是资料公开化是大势所趋， 很多欧洲国家资料虽未公开，但他们都对资料的收集、整 理及保存做了大量的工作，建立了资料库。可以预见，这 些资料一旦上网公开，使用是非常方便的。
欧洲一些国家在进行城市大气污染的预报和研究时，分别 引进了这2个模式。引进这2个模式需有较好的气象科研 基础。挪威的气象科研水平比较高，著名的卑尔根学派又 叫挪威学派，正是他们将锋面和气团的学说引入天气学， 奠定了天气分析的基础。挪威气象学家引进了MM5，把 它嵌套在欧洲七国（丹麦、芬兰、法国、荷兰、挪威、西 班牙和瑞典）联合研制的水平分辨率为10km的高分辨率 有限区域模式系统（HIRLAM10）上。MM5本身也有两 重嵌套，粗网格分辨率为3km，细网格分辨率为1km，这 个分辨率在欧洲是最高的，同时也已达到了MM5的极限 能力。挪威空气研究所（NILU）将MM5联到前述的空气 质量信息系统（AirQUIS）的排放模式和城市尺度数值扩 散模式上进行空气质量的预报。意大利和西班牙则分别引 进了RAMS。意大利气象研究所将RAMS联到一个大气污 染物扩散模式上进行城市大气污染预报。西班牙的地中海 环境研究中心,则是将RAMS联到一个变格点的城市污染 物浓度预报模式UAM-V上来作预报。
Hale Waihona Puke Baidu
2.中尺度气象模式的研制与引进 2.中尺度气象模式的研制与引进
一个高质量和高分辨率的中尺度气象预报模式，是城市大 气污染预报的基础。在美国环保局（EPA）研制的第3代 空气质量预报模式（Models-3）中，就有2个可供选择的 十分先进的中尺度气象模式。一个是NCAR/PENN第5代 中 尺 度 模 式 MM5 ， 它 是 由 美 国 国 家 大 气 研 究 中 心 （NCAR）和宾州大学大气科学系（PENN）的一批气象 学家经过20多年的努力联合研制成功的。另一个是美国 科罗拉多州立大学Pielke教授等研制的区域中尺度大气模 式系统RAMS。这2个模式都是非静力的。
20世纪90年代开始，在欧洲科学与技术研究合作组织 (COST)的领导下，欧洲又开展了城市大气污染研究方面 的合作。合作项目一共有6个，其中有4个（COST615、 COST616、COST617、COST618）起始于1993年5月。 开始时参加国只有5个（英国、法国、瑞士、丹麦和希 腊），后来参加国越来越多，到1998年6月召开最后一次 会议时参加国已达18个。这4个项目的总名称叫做：“为 使欧洲城市有良好的空气质量而研究”（CITAIR），4个 项目分别为：
气象资料和空气质量监测资料的公开化 目前美国科学家已经可以利用卫星遥感资料，画出某 些空气污染物长距离输送的四维（三维空间加时间）图象。 显然，气象资料和空气质量监测资料的保密将越来越没有 意义。美国国家环境预报中心（NCEP）率先在网上向用 户提供1日4个时次全球2.5°× 2.5°的大尺度气象资料， 垂直层次为17层。这些资料也包括许多“预处理”物理 量，如各种地面通量。前述的欧洲中期天气预报中心 ECMWF，由于它是由100多个国家和组织组成的，如要 将资料公开，需征得全体成员国和组织的同意，所以对气 象资料公开化的步子，就不如美国那么快，目前很多气象 资料主要还是对它的成员公开。
第3类是空气质量信息系统。简言之，所谓空气质量信息 系统，是将与空气质量有关的资料系统、预报模式、预报 系统、决策系统和评估系统等有机地结合在一起。如系统 中可以包括各种尺度的气象资料和“预处理”模式，及将 “预处理”结果输入各种空气质量预报模式的系统模块。 系统可以按用户的需求将“预处理”的结果输入用户所需 用的模式，得到用户所需的结果。不难看出，建立空气质 量信息系统是一个方向，它是多选择多用途的，而且使用 方便。EPA的空气质量预报模式Models-3，就是空气质 量信息系统的典范。在欧洲已有很多国家建立了空气质量 信息系统，如挪威建立的称作AirQUIS的系统。此外，丹 麦建立的系统称作丹麦大气化学预报系统DACFOS；芬 兰建立的系统称作空气污染信息系统API-FMI；而意大利 则加了“控制”二字，称作空气质量控制信息系统 ATMOSFERA,主要为罗马服务。
欧洲部分国家城市大气污染 研究进展
20世纪五、六十年代美国借助于人才、资金和技 术的优势，对数值天气预报的研究进展很快、遥 遥领先。而欧洲则由于人才、资金的分散，落后 很多。 20世纪70年代，以英法德三国为首的欧洲各国将 分散的人才和资金集中起来建立了欧洲中期天气 预报中心(ECMWF)，并在1979年第一次成功地 发布了中期数值预报。到了20世纪80年代，欧洲 中期预报中心的预报准确率便赶上和超过了美国， 这种优势一直维持到现在。
观测项目 为适应城市大气污染预报和研究的需要，天气站、探 空站、自动气象站都增加了许多观测项目。如前述的葡萄 牙所建的自动气象站，其观测项目除了常规的地面气压、 1.5m处的气温、相对湿度、降水和10 m处的风向风速外， 还增加了2m处的辐射、5cm处的温度、－10、－20、－ 50、－100cm处的土壤温度。显然，这些增加的项目对 于计算边界层的参数都是十分有用的。在欧洲天气站和探 空站没有明显的增加，但是在一些国家气象站的观测项目 有所增加，这些项目和城市大气污染预报与研究关系十分 密切。如法国气象站增加了在10m和35m 2个高度上进行 湍流通量和湍流脉动量标准差的观测。在挪威的2个最大 城市奥斯陆和卑尔根的气象站,增加了地面长波和短波辐 射通量观测，在夏天还加上了地面潜热通量的观测。这些 观测对“预处理”都是十分需要的。此外在农田和森林区 有10个气象站也增加了地面通量的观测，这些观测对于 城市污染物长距离输送的研究是很有价值的。
1.气象和空气质量观测网点和观测项目迅速增多 1.气象和空气质量观测网点和观测项目迅速增多
观测网点 近一、二十年在欧洲许多国家气象和空气质量观测网 点迅速增多。以芬兰为例，芬兰是一个空气污染并不严重 的人口小国（全国人口仅500万左右）。按欧共体的标准， 它只有1个监测站测得了总悬浮颗粒物（TSP）超标，但 截止1993年它在所有5万居民以上级城市都建立了空气质 量观测网，共建立了31个城市监测网，112个监测站。 基本天气站和探空站的数目没有很大的变化，气象观 测站的增加主要表现在自动气象站（AMS）的增加上。如 葡萄牙是一个经济不算发达的国家，面积不大 （ 90000km2 左 右 ） ， 人 口 也 不 多 （ 1 千 万 左 右 ） 。 从 1994年至今在非城市区建立了93 个自动气象站，其中78 个在大陆上，其余在海岛上。自动气象站每10min收集1 次资料，并与计算机相联，用户随时可以获取和使用资料。 2000年葡萄牙在城市中建立自动气象站(指5万居民以上的 城市)，共17个站，其中首都里斯本5个，波尔多3个，其 它城市都是1个。
3.城市空气质量预报模式的研制 3.城市空气质量预报模式的研制
欧洲国家没有联合研制中尺度气象模式，也没有联合研制 城市空气质量预报模式，因此,在这2个领域的进展赶不上 美国EPA。EPA研制的第3代空气质量预报模式水平很高。 欧洲各国的空气质量预报模式是比较多样化的，这在一定 程度上也跟各国对空气质量预报的要求不同有关，也许这 也是欧洲没有在城市空气质量预报模式上进行联合研制的 原因之一。如比利时空气质量很好，它只有一个污染预报 模式，即臭氧浓度预报模式。而意大利的空气质量就不如 比利时那么好，相应地污染预报模式就比较多，主要的有 10多种，且种类齐全，扩散模式、化学模式和空气质量 信息系统都有。
需要指出的是,欧洲国家之间人口面积相差很大，工农业 布局以及经济发展水平也很不一样，所以各国的空气质量 观测项目很不相同。例如挪威空气质量良好，所以空气质 量监测站只有少数进行常规观测，大多数只在冬季对 NOX/NO2进行监测。葡萄牙的空气污染问题主要是汽车 的尾气排放问题，所以葡萄牙空气质量监测站主要对SO2、 NOX、TSP和O3进行监测，在某些大城市增加铅的监测， 在２个炼油厂旁则增加碳氢化合物的观测。
第2类是既考虑气象场的影响又考虑污染物化学反应的化 学预报模式。意大利和西班牙有许多化学预报模式。例如， 用于意大利Bologna区的光化学欧拉模式和光化学箱式模 式，考虑了云雾化学过程的大气化学模式STEM-Ⅱ；西 班牙变格点的城市空气污染预报模式UAM-V和西班牙的 三维光化学扩散模式MARS等。一般来说只有在大工业区 才研制化学预报模式。如意大利的化学模式基本上只用于 它的北部地区，其北部地区的工业占了意大利工业的80% 以上。
COST615——城市空气污染的资料库、监测和模拟； COST616——城区汽车产生的空气污染源； COST617——城区中常定的空气污染源； COST618——城市和田野上空大气污染治理中的规章制度制定和情 报交流的方法。
第5个合作项目是：COST710——用于污染物扩散 模式的气象资料预处理中的调试问题。将气象资料 输入空气质量预报模式进行城市大气污染预报时， 需要输入一些大气边界层参数，这些参数的计算被 称为“预处理”。为了提高“预处理”的质量， COST710 COST710召开过4次会议，使大家对计算地面通量、 4 摩擦速度和混合层高度的方法与能力，有了更深层 次的认识。COST710活动始于1994年，于1998年 秋结束。
在气象模式方面，欧洲联合设计了欧洲中期数值预报模式， 后来又联合设计了高分辨率的有限区域模式系统并都获得 了成功，但他们好像就此止步了，并没有联合设计中尺度 的气象模式。欧洲一些国家独立设计了中尺度气象模式， 其中比较成功的是法国气象学家Aladin设计的ALADIN中 尺度气象模式，它每天都发布中尺度预报，1日2次，每 次预报36h，为各种空气质量模式提供气象资料。葡萄牙 也在用ALADIN模式，主要用于计算与边界层密切相关的 一些气象场及气象参数，如海风以及里斯本地区每日混合 层高度和通风指数的最大值等。无论法国还是葡萄牙都没 有直接将ALADIN模式联到空气质量预报模式上去。有些 国家既没有引进也没有研制中尺度气象模式，但它们设计 了一些模式专门计算“预处理”的物理量，供空气质量预 报模式使用。例如英国环境科学部的大气科学研究组 （ASRG）,就设计了一个这类模式。
现时的欧洲空气质量预报模式大致分3类。 第1类是无化学反应的预报模式，它主要由扩散模式和统 计模式组成。扩散模式是根据污染物在大气中的扩散来作 预报，最简单的是挪威用的高斯扩散模式，此外还有丹麦 用的三维拉格朗日输送模式、意大利用的城市尺度大气扩 散模式和丹麦用的高分辨有限区域示踪物模式等。统计模 式是利用气象场参数，主要是大气边界层一些气象参数与 污染物时空变化的统计关系来作预报。统计模式类型很多， 如法国的神经网络模式，意大利预报NO2污染的SMAARPA业务统计模式，及匈牙利的化学质量平衡模式等， 其中神经网络模式很有创意，发展很快。一般来说，在欧 洲空气质量较好的国家（如芬兰、比利时和英国），基本 上用的都是无化学反应的预报模式。