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,ADMS,AER MOD,Models-3,CAPP S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;I SC3;ADMS;AERMOD;Models-3;CAPP S
中图分类号:X51 文献标识码:B 文章编号:1003-2029(2008)01-0118-05
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:2007-11-12
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EKM 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, AERM OD,CAMx,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, 1.5m(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 onin-Obukhov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P asqill-Gifford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 odels-3。

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(one-a tmosphere),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(PM)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 TECHNOLOGY
V ol.27,No.1
March,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。

3.1　国外常用模式
(1)ISC3模式
ISC3(Industr ial Source Complex3)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,TSP,P M10,NOx 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)ADMS模式[5,6]
ADMS大气扩散模型是由英国剑桥环境研究中心(CER C)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。

ADMS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。

ADMS模型与其它大气扩散模型的一个显著区别是:使用了M oniu-Obukhov长度和边界结构的最新理论,精确地定义边界层特征参数。

ADMS模型摒弃了P asqill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Pa sqill 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P DF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,ADMS模型特别适用于对高架点源的大气扩散模拟。

(3)AERM OD模式[7]
AERM 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(AER MIC)开发。

AERM IC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I SC3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AER MOD扩散模型,目前版本为2002年8月推出的Ver sion02222wit h PRIM 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。

AER MOD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P DF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。

AERM OD模式系统包括AERMOD(大气扩散模型)、AERM ET(气象数据预处理器)和AERM AP(地形数据预处理器)。

AERMET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NWS(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AERMOD中的界面进入AERMOD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 odels-3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(Models-3)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 odels-3)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。

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　第1期 聂邦胜:国内外常用的空气质量模式介绍
图1　AER MOD模型系统流程图
Models-3的设计目标是要将有关该系统各个方面的用途都集中在一个综合的模式系统中,使它便于环境工作者的使用。

该模式系统设计的特点主要是各种用途的多选择性。

Models-3不仅可以用于日常的空气质量预报,而且可用于帮助环境工作者进行环境评估以及做出环境控制决策;在空间范围上,用户可根据自己模式的要求选择局地、城市、地区和大陆等多种尺度范围;模式可预报多种污染物,其种类可达80多种;在M odels-3的化学输送模式中可选择两种化学机制:CB4和R ADM2。

其中CB4包括36种化学反应物、93种化学反应和11种光分解率,而R ADM2包括57种化学反应物、158种化学反应和21种光分解率。

模式系统可适用于多种计算机平台。

Models-3模式系统采用的是模块化的结构,十分灵活,这样的结构使得模式系统易于加入新的研究成果,这也是Models-3系统先进性的体现。

Models-3系统由中尺度气象模式、排放模式以及通用多尺度空气质量模式三大模式组成。

三大模式的核心是通用多尺度空气质量模式(CMAQ)。

中尺度气象模式为CMAQ提供气象场的数据;排放模式为CMAQ提供排放物的资料;CMAQ则利用上述的数据资料对污染物在空气中的物理和化学过程进行空气质量的数值预报。

3.2　国内常用模式[10,11,12]
我国从20世纪80年代开始城市空气污染潜势预报研究,2000年6月5日国内42个重点城市开展空气质量日报, 2001年6月5日47个重点城市向社会公众发布了预报结果。

随着预报工作的开展,污染预报由潜势预报、统计预报发展到气象模式、污染模式相结合的数值预报系统。

国内的数值预报研究近十几年逐步展开,发展速度很快,在引进国外模式的基础上,很多城市、很多研究单位结合地域特点和自己的创新成果开发建立了自己的模式,如中国科学院大气物理研究所研究建立的城市空气污染数值预报系统,中国气象科学研究院研究建立的CAPP S,南京大学城市空气质量数值预报系统(NJU-CAQP S)等等,这其中应用最广泛的是CAPPS系统。

CAP PS系统是用有限体积法对大气平流扩散方程积分得到的多尺度箱格预报模型与MM5或MM4中尺度数值预报模式嵌套形成的城市空气污染数值预报系统。

它不需要污染源强资料就可预报出城市空气污染潜势指数(P PI)和SO2、NO2、PM10、CO等主要污染物的污染指数(AP I),克服了由污染源调查本身具有的不确定性给城市空气污染的数值预报所带来的困难。

CAP PS有2个版本,第1版CAPP S1与中尺度模式模拟系统第4版(MM4)嵌套,而最新的第2版CAPPS2则与中尺度模式模拟系统第5版(MM5)嵌套。

由于CAPPS暂时不考虑污染物的源强资料和化学转化过程,便于我国在现有条件下开展业务应用,该模式在我国空气污染预报业务中得到了广泛应用。

在2001年6月中央电视台开始发布全国47个重点城市环境空气质量预报时,环发[2000]231号文件即将CAPP S1列为推荐使用模式,CAPP S1模式在国家气象中心和全国47个重点城市的环境空气污染预报业务中普遍使用;2002年徐大海、朱蓉等人推出CAP PS2数值模式,国家气象中心和全国各重点城市陆续以其取代了CAPP S1进行污染指数预报。

CAP PS系统由MOMS中尺度气象模式提供气象背景场(在国家气象中心CR AY机上使用MM5),再用大气平流扩散箱格模式预报污染潜势指数和污染指数。

CAPP S系统气象模式的水平网格为46×61,格距60km,模式网格中心点可以移动。

垂直方向分为10层,采用气压坐标系。

箱格模式的顶层为大气边界层顶,水平分辨率由箱体底面积输入参数自动确定。

模式系统所需的参数有:模式网格中心点的经纬度;所要预报的各城市或监测点所代表区域的经纬度、面积、所在区的地理区号。

地形特征值是由分辨率为10′的地形高度资料经客观分析到网格点上得到的。

地表特征只分两类:陆面和水面。

输入模式系统的实时资料:探空资料和初始时刻污染物浓度监测资料。

探空资料为每日08:00(北京时下同)或20:00探测的地面和850hPa到100hP a各规定等压面上温、压、湿和风。

初始时刻污染物浓度监测资料应为每日08: 00或20:00监测的污染浓度值,也可用前一日污染物平均浓度值代替。

CAP PS模式系统每3h输出一次所有网格点上的PP I 指数值,最后给出24h平均的格点上的PP I指数值,然后直接用绘图软件绘出预报范围内P PI指数等值线图。

模式系统也可以根据需要通过双线性内插给出固定点的P PI指数值。

同时,模式系统每3h还输出一次所需要的城市或地区SO2、NOx、T SP和CO的API指数和污染等级。

最后给出24h平均的SO2、NOx、TSP和CO的AP I指数和污染等级。

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海　洋　技　术 第27卷
图2　CAP PS 模式系统流程图
4　选择空气质量模式的建议
目前空气质量模式的种类繁多,应用时首先通过对关心的污染源和污染物、模拟的时空范围及分辨率、模拟区域的下垫面特征几个方面选择空气质量扩散模式。

对于小尺度的空气质量模拟,一般只需考虑大气的扩散稀释作用,而对于中、大尺度的空气污染,则还需考虑污染物的化学转化和干、湿沉积等其它物理化学过程。

空气质量模拟大部分是在城市尺度上,也有一部分在区域尺度上,主要是通过本地模拟或区域(外来和本地)模拟对城市
空气质量控制管理及发展规划提出合理化建议。

从城市尺度模拟来看,模拟范围在20～50km 之间,由于范围的局限,下垫面和地形相对不是十分复杂,气象场相对简单,在不考虑或简单参数化处理二次污染物问题的情况下,误差主要来源于模式输入参数(如污染源资料的准确程度),使得对模式本身的改进归于徒劳。

从应用的效果来看,复杂的数值模式并不优于高斯模式,同时,高斯模式对气象资料的需求低,运算效率高等特点使其目前仍为主要的使用模式。

比如I SC 3模式虽然是第一代模式,但是模拟城市尺度的空气质量仍然能取得令人满意的效果。

随着模拟范围的增大或因下垫面不均匀使气象流场比较复杂,或者污染物的沉积和化学转化不能忽略或简单处理时,高斯烟流模式的精度就难以满足要求。

为此,应该根据客观条件选取以欧拉型或欧拉、拉格朗日混合型K 模式的空气质量扩散模式,此类模式对污染源数据以及气象资
料的要求远高于高斯模式,且计算量较大。

对于不同的模型,它们在描述污染物扩散、迁移、转化过程的复杂程度有很大的不同,在选用模式之前,需要慎重考虑这些因素。

通常,需要根据研究对模型复杂程度的需求
来确定模式规模的大小。

模式的选择需要在简单性、最小数据需求、最小计算代价(包括运算时间和存储空间)以及模拟结果的有效性等诸多因素之间进行平衡取舍。

在模式使用时,除考虑上述的几个因素以外,从事模拟部门人员对模式掌握的程度、模拟工作资金的投入、污染源以及气象方面可利用资料的获取程度等也是在模式选取的客观约束。

参考文献:
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(下转第132页)
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　第1期 聂邦胜:国内外常用的空气质量模式介绍
Study on Simulation Wave T echnology in Wave Current Tank
ZHANG Xiao -li ,YANG Jian ,GUAN Ha i -bo (Dalian Na va l Acad emy ,Da lia n 116018,China )
Abstr act :T he wave maker system and its application in the physical model test are intr oduced in the pa per ,discusses the checking standar d and methods of simulate wa ve cur r ent in labor ator y.The application pr ospect of the wave making machine is discussed,it is of cer tain pr actical significance to test the irr egular wa ve ma king ma chine as the wor king model.Results fr om physical model t est show t hat this wave maker system can corr ectly simulate the wave.Key wor ds :ir regular waves ;wave maker ;simulate
(上接第121页)
Introduction of Domest ic and Foreign Common Air Quality Model
NIE Bang-sheng
(Dep t .o f M ilitary Ocea nog raphy ,Da lia n N aval Academy ,Dalian 116018)
Abstr act :T he people will give attention to the air pollution question,which pr omoted t he development of the air qualit y numer ical model .Thr ee gener ations of air quality model has been alr eady developed at pr esent .Curr ent ly ,the domestic and for eign common air quality models have ISC 3、ADMS 、AERMOD 、M odels -3、CAPP S .The a ppropria te model should be selected according to t he demand choice of the actual pr oblem.
Key wor ds :air quality;numerical model;ISC3;ADMS;AER MOD;Models-3;CAPP S
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