空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式應(yīng)用及比較研究.doc

空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式應(yīng)用及比較研究摘 要為了加強(qiáng)空氣污染防治，改善人們生活環(huán)境，增強(qiáng)人民的環(huán)保意識(shí)，提高城市形象，開(kāi)展空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)勢(shì)在必行，采用空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模式預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量是切實(shí)可行辦法，而如何恰當(dāng)?shù)倪x取模式，準(zhǔn)確地選取模式的參數(shù)是預(yù)報(bào)是否準(zhǔn)確的關(guān)鍵。本文介紹了空氣質(zhì)量模式的歷史發(fā)展、空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的分類(lèi)及應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)ISC3和CALPUFF模式的應(yīng)用進(jìn)行了比較，從而對(duì)空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的應(yīng)用提出了一些建議。1 引 言空氣污染已經(jīng)成為世界上許多城市面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題之一，強(qiáng)化大氣環(huán)境管理，防治空氣污染及優(yōu)化空氣污染防治措施是城市環(huán)境保護(hù)的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。隨著城市大氣環(huán)境管理逐步由定性管理向定量管理轉(zhuǎn)化和由濃度控制向總量控制方向發(fā)展1，各種污染源空氣污染物排放量與環(huán)境空氣質(zhì)量之間的定量關(guān)系已成為大氣環(huán)境管理中最為關(guān)心的問(wèn)題之一。以數(shù)學(xué)方法描述源與環(huán)境之間定量關(guān)系的空氣質(zhì)量模式，特別是主要以描述大氣對(duì)污染物的輸送、擴(kuò)散和稀釋的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的應(yīng)用為大氣環(huán)境管理、規(guī)劃、預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)提供了堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。不同的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的主線基本均為通過(guò)對(duì)模式輸入輸出的響應(yīng)關(guān)系進(jìn)行定性、定量分析，了解污染源濃度分布之間的內(nèi)在關(guān)系，從而對(duì)空氣污染控制策略提供可靠性分析和環(huán)境效益分析。而對(duì)于一個(gè)特定的區(qū)域，空氣質(zhì)量模式選擇是否合適是計(jì)算結(jié)果能否可信的前提2。通過(guò)對(duì)空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式計(jì)算結(jié)果、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的對(duì)比，得出模擬結(jié)果的可信程度以及模式的適用范圍。通過(guò)模式的參數(shù)調(diào)整，使模式計(jì)算結(jié)果的誤差和“不確定性”達(dá)到最小化，使空氣質(zhì)量模式的實(shí)際模擬計(jì)算結(jié)果和源受體的響應(yīng)關(guān)系更加符合客觀現(xiàn)實(shí)。2空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的綜合研究空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式研究方法基本上是在把握城市下墊面特征和氣象場(chǎng)特征的基礎(chǔ)上，掌握各種類(lèi)型的污染物排放源資料，進(jìn)而運(yùn)用邊界層湍流擴(kuò)散理論及大氣化學(xué)理論確立污染物遷移、擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化的規(guī)律（即建模）1。2.1空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的歷史與發(fā)展空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式起源于20世紀(jì)20年代和60年代美國(guó)的歐洲原子能工程和軍事工程，此期間主要應(yīng)用Tayler（1921）的靜電統(tǒng)計(jì)擴(kuò)散模式，Sutton（1953）的高斯擴(kuò)散模式。1962年P(guān)asquill的大氣擴(kuò)散的出版以及1968年Slade在原子能會(huì)議報(bào)告中發(fā)表的氣象學(xué)和原子能對(duì)空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的發(fā)展起著積極的推動(dòng)作用。1973年,美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(USEPA)會(huì)同美國(guó)國(guó)家技術(shù)信息中心（NTIS）公布了第一版“大氣污染應(yīng)用模擬用戶(hù)網(wǎng)”（UNAMAP），其中包括APRAC，CDM等六個(gè)大氣質(zhì)量模擬模式，后經(jīng)1978年、1981年、1983年和1986年的幾次修訂和增補(bǔ)，模式質(zhì)量模式計(jì)算工作從簡(jiǎn)單過(guò)渡到復(fù)雜，從計(jì)算地面最大濃度過(guò)渡到計(jì)算地面濃度分布、了解高濃度出現(xiàn)的地區(qū)和范圍、發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間，在模式計(jì)算時(shí)從單點(diǎn)源過(guò)渡到多點(diǎn)源、面源、以及點(diǎn)面復(fù)合源，從簡(jiǎn)單的物理傳輸過(guò)渡到可以模擬上百種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，采用的模式也從箱模式過(guò)渡到多箱模式、復(fù)合源高斯煙流模式、煙團(tuán)模式以及數(shù)值模式2。自78年，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式基本可分為三代：第一代模式模擬系統(tǒng)主要考慮個(gè)別污染物，在估算下風(fēng)向的環(huán)境濃度時(shí)，用的是物理輸送算法，這些模式廣泛地應(yīng)用于一次污染物的影響預(yù)測(cè)和控制措施的優(yōu)化，代表模式有ISC3與EKMA模式（高斯）等；第二代模式則加入較為復(fù)雜的氣象參數(shù)與反應(yīng)機(jī)制，考慮了光化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，能夠模擬臭氧、SOx, NOx, 的化學(xué)過(guò)程和酸雨的形成，此類(lèi)模式廣泛地應(yīng)用于二次污染物的影響分析和控制措施的改善，代表模式有CAMx,UAM（歐拉）等3；第三代空氣質(zhì)量模式是由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局（EPA）于1998年開(kāi)發(fā)成功的，通稱(chēng)為 Models-3。為了將所有的大氣問(wèn)題均考慮到模式之中，提出了所謂的一個(gè)大氣的概念（one-atmosphere），模式將各種模擬分析復(fù)雜的大氣物理、化學(xué)程序的模式系統(tǒng)化，可在一次模擬工作中，完成臭氣、懸浮微粒(PM)及沉降作用的模擬，有效的進(jìn)行較為全面的空氣質(zhì)量環(huán)境影響評(píng)估及決策分析4。2.2空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式分類(lèi)空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的分類(lèi)從某種意義上體現(xiàn)了其發(fā)展的歷程。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一方面人們對(duì)大氣擴(kuò)散理論研究以及污染物的傳輸、擴(kuò)散、遷移和轉(zhuǎn)化研究的深入，另一方面，污染物從原來(lái)的一次污染物為主向復(fù)雜的一、二次污染物混雜的污染形式轉(zhuǎn)化，空氣質(zhì)量模式也隨之不斷的發(fā)展?？諝赓|(zhì)量模式的種類(lèi)很多，可以從不同的角度來(lái)分類(lèi)和鑒別其性質(zhì)。按照模式發(fā)展的理論途徑，可將空氣質(zhì)量模式分為統(tǒng)計(jì)理論模式、K理論（包知高階閉合）模式和相似理論模式；按照模擬的時(shí)間尺度可以分為短期（124小時(shí)）平均及長(zhǎng)期（月、季、年）平均模式；按照污染源的形態(tài)可以分為點(diǎn)源、面源、線源、體源及多源或復(fù)合源模式等等5。在此，主要從模式應(yīng)用范圍的角度介紹一下模式的分類(lèi)：2.2.1 城市空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式城市空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式通常需要模擬包括城區(qū)及四周郊區(qū)，模擬的典型尺度在2050km，由于模擬區(qū)域相對(duì)較小，一般不考慮或簡(jiǎn)化處理二次污染物，常見(jiàn)模式主要是箱模式以及高斯模式。1. 箱模式箱模式是一種最簡(jiǎn)單的城市空氣質(zhì)量模式，它是把整個(gè)城市空間看作由一個(gè)或多個(gè)矩形的箱組成，箱底和箱頂分別為城市的下墊面及混合層頂。四周由城市的范圍確定。主要假設(shè)條件為：在一個(gè)箱體內(nèi)，污染源（視為面源）的源強(qiáng)是一個(gè)常數(shù)。污染物進(jìn)入箱體（大氣）后，立即在鉛直方向均勻分布。濃度計(jì)算公式為：式中：Q面源源強(qiáng)； hi混合層高度； vd干沉積速度； kw濕沉積速度； ki化學(xué)轉(zhuǎn)化速率?？紤]到城市面源源強(qiáng)的非均勻性，可以在y方向上進(jìn)一步的劃分，應(yīng)用上述原理建立城市多箱模式?？傮w來(lái)說(shuō)，箱模式的假定與實(shí)際情況有很大的差異的，對(duì)近地面的濃度估算偏低，但可以用來(lái)粗略估算城市允許排放的總量，尤其便于缺少詳細(xì)的氣象和污染源資料的城市采用。2. 高斯正態(tài)煙流模式高斯模式是一類(lèi)簡(jiǎn)單實(shí)用的大氣擴(kuò)散模式，它是通過(guò)假定（1）污染物濃度在y、z軸上的分布符合高斯分布（正態(tài)分布），（2）在模擬空間中風(fēng)速是均勻穩(wěn)定的，（3）源強(qiáng)是連續(xù)均勻的，（4）擴(kuò)散過(guò)程中污染物質(zhì)是守恒的。由此可得一系列高斯型擴(kuò)散公式6。高斯點(diǎn)源模式的基本表達(dá)式為：其它應(yīng)用于各種特殊條件下實(shí)際計(jì)算中的高斯點(diǎn)源模式表達(dá)式，如高架點(diǎn)源、存在大氣混合層等情況的表達(dá)式是由基本表達(dá)式通過(guò)變形得到的。高斯面源模式是通過(guò)把每個(gè)面源單元簡(jiǎn)化為一個(gè)“等效點(diǎn)源”，用點(diǎn)源公式來(lái)計(jì)算面源造成的污染濃度，或者通過(guò)面源積分的方法得到全部面源造成的濃度分布。線源、體源則是以點(diǎn)源或面源的算法為基礎(chǔ)，通過(guò)虛擬點(diǎn)源等方法獲得其在模擬區(qū)域的濃度特征7。2.2.2 城市與區(qū)域空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式城市與區(qū)域空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式通常對(duì)特大型城市或區(qū)域性范圍進(jìn)行模擬，模擬的典型尺度在數(shù)十公里到數(shù)百公里，模式中除考慮污染物的傳輸、擴(kuò)散以外，還要考慮污染物的遷移和轉(zhuǎn)化，常見(jiàn)的有歐拉型K模式、歐拉和拉格朗日混合型K模式。1. 歐拉型K模式K模式可以模擬三維非定常流場(chǎng)中的輸送和擴(kuò)散，故可以模擬復(fù)雜下墊面和較大尺度范圍的空氣污染；可以模擬任意給定的污染源場(chǎng)；可以模擬包括非線性化學(xué)反應(yīng)引起的濃度變化；可以模擬干、濕沉積引起的濃度變化。歐拉型K模式的核心部分是在歐拉網(wǎng)格系統(tǒng)中數(shù)值求解平流擴(kuò)散方程，平流擴(kuò)散的原始擴(kuò)散方程為：式中：Ci第i種污染物的濃度；Qi第i種污染物的排放率；Si第i種污染物的沉積清除率；Ri第i種污染物與其它污染物之間反應(yīng)轉(zhuǎn)化率，Ri=Ri（C1，C2，Cn）；N參與反應(yīng)的污染物種類(lèi)。每一個(gè)具體的歐拉型擴(kuò)散模式都經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化或作一些形式上的改變，主要有化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程的簡(jiǎn)化，方程的維數(shù)簡(jiǎn)化等等。歐拉K模式需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題是如何減小平流項(xiàng)差分近似引起的偽擴(kuò)散誤差5。2. 粒子網(wǎng)格模式粒子網(wǎng)格（PIC）模式是歐拉與拉格朗日混合型K模式。它是利用在固定網(wǎng)格系統(tǒng)中釋放的粒子代表污染物質(zhì)，這些粒子按照平流擴(kuò)散方程所決定的規(guī)律在網(wǎng)格中運(yùn)動(dòng)，計(jì)算每個(gè)時(shí)刻粒子的分布，再由每個(gè)網(wǎng)格中的粒子數(shù)得到污染物的濃度分布。PIC模式支配方程為：以上各式中，u、v、w表示三個(gè)方向的風(fēng)速分量，下標(biāo)p表示虛擬速度，下標(biāo)d表示擴(kuò)散速度，C為污染物濃度，Q為污染源強(qiáng)，R為化學(xué)轉(zhuǎn)化速率，D為干沉積速率。2.2.3 遠(yuǎn)距離傳輸空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式遠(yuǎn)距離傳輸模式是指模擬的污染物輸送距離超過(guò)數(shù)百公里的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式。由于歐拉型和PIC型模式在模擬遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)所需的基礎(chǔ)資料和輸入?yún)?shù)難以獲取，且運(yùn)算量大，故一般采用拉格朗日K模式和煙團(tuán)軌跡模式。1. 拉格朗日K模式拉格朗日型K模式是在源發(fā)生地不斷形成拉格朗日氣團(tuán)，這些氣團(tuán)在隨時(shí)間變化的風(fēng)場(chǎng)中輸送和擴(kuò)散，并在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)及干、濕沉積清除過(guò)程。在拉格朗日坐標(biāo)系中，平流擴(kuò)散方程可以寫(xiě)成：式中，Ki表示三個(gè)方向的擴(kuò)散系數(shù)，Q是源強(qiáng)，S是干、濕沉積項(xiàng)，R是化學(xué)反應(yīng)項(xiàng)。拉格朗日K模式可以根據(jù)污染源是否在模擬區(qū)內(nèi)分為前向型和后向型；還可以通過(guò)在鉛直擴(kuò)散、水平擴(kuò)散、平均時(shí)間以及化學(xué)反應(yīng)等方面存在差異。2. 煙團(tuán)軌跡模式煙團(tuán)軌跡模式是一種拉格朗日型數(shù)值擴(kuò)散模式，適合于模擬中、遠(yuǎn)距離的輸送和擴(kuò)散，尤其是高架連續(xù)點(diǎn)源的輸送和擴(kuò)散。它與拉格朗日型K模式的不同點(diǎn)是在于人為給定了濃度分布的形式。所以煙團(tuán)軌跡是一種假定有高斯型解的拉格朗日型K模式，它是將連續(xù)排放的煙流分割成以一定時(shí)間間隔斷續(xù)排放的煙團(tuán)，用計(jì)算所有煙團(tuán)對(duì)接受點(diǎn)濃度貢獻(xiàn)之和的方法來(lái)模擬連續(xù)的煙流擴(kuò)散，可以模擬非均勻非定常條件下的擴(kuò)散。煙團(tuán)軌跡模式假設(shè)整個(gè)煙團(tuán)以其中心所在的位置被流場(chǎng)輸送，軌跡計(jì)算的偏差將導(dǎo)致受污染范圍的偏差，因此，這項(xiàng)計(jì)算是否正確合理是決定模式成敗的關(guān)鍵之一。煙團(tuán)模式對(duì)污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化只能做十分粗略的處理，通常假定化學(xué)轉(zhuǎn)化速率與煙團(tuán)中該污染物的質(zhì)量成正比。方程為：式中：S煙團(tuán)自源點(diǎn)出發(fā)運(yùn)行的距離，Q（S）煙團(tuán)經(jīng)過(guò)S距離后含有的污染物質(zhì)量，y（S）、z（S）經(jīng)過(guò)S距離以后煙團(tuán)的水平及鉛直擴(kuò)散參數(shù)，r 計(jì)算點(diǎn)至煙團(tuán)中心的水平距離，z 計(jì)算點(diǎn)至煙團(tuán)中心的鉛直距離。此外，從對(duì)模式的應(yīng)用需要出發(fā)，一般將空氣質(zhì)量模式分為“法規(guī)應(yīng)用級(jí)”和“研究級(jí)”兩類(lèi)。法規(guī)應(yīng)用級(jí)指已被國(guó)家環(huán)境保護(hù)管理部門(mén)推薦應(yīng)用于污染物濃度預(yù)測(cè)計(jì)算的模式以及符合一系列嚴(yán)格規(guī)定的“替代模式”。研究級(jí)是指正在進(jìn)行探索和研究的模式，這一類(lèi)模式通常都比較復(fù)雜，大多為復(fù)雜的數(shù)值模式。在“法規(guī)應(yīng)用級(jí)”的模式中，又按其精密的程度分為兩級(jí)。第一級(jí)稱(chēng)為“篩選模式”，這類(lèi)模式比較簡(jiǎn)單，可以用它對(duì)某個(gè)或某類(lèi)特定污染源對(duì)空氣質(zhì)量的影響作偏保守的評(píng)價(jià)。第二級(jí)稱(chēng)為“精細(xì)模式”，由那些能夠?qū)Υ髿馕锢砗突瘜W(xué)過(guò)程作比較精細(xì)的處理的方法形成。這類(lèi)模式要求比較精細(xì)的輸入資料，能夠滿(mǎn)足某些特殊的濃度估算要求。2.3空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的應(yīng)用目前空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式的種類(lèi)繁多，應(yīng)用時(shí)首先通過(guò)對(duì)關(guān)心的污染源和污染物、模擬的時(shí)空范圍及分辨率、模擬區(qū)域的下墊面特征幾個(gè)方面選擇空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式，如在時(shí)空范圍方面，對(duì)于小尺度的空氣質(zhì)量模擬，一般只需考慮大氣的擴(kuò)散稀釋作用，而對(duì)于中、大尺度的空氣污染，則還需考慮污染物的化學(xué)轉(zhuǎn)化和干、濕沉積等其它物理化學(xué)過(guò)程。空氣質(zhì)量模擬大部分是在城市尺度上，也有一部分在區(qū)域尺度上，主要是通過(guò)本地模擬或區(qū)域（外來(lái)和本地）模擬對(duì)城市空氣質(zhì)量控制管理及發(fā)展規(guī)劃提出合理化建議。從城市尺度模擬來(lái)看，模擬范圍在2050km之間，由于范圍的局限，下墊面和地形相對(duì)不是十分復(fù)雜，氣象場(chǎng)相對(duì)簡(jiǎn)單，在不考慮或簡(jiǎn)單參數(shù)化處理二次污染物問(wèn)題的情況下，誤差主要來(lái)源于模式輸入?yún)?shù)（如污染源資料的準(zhǔn)確程度），使得對(duì)模式本身的改進(jìn)歸于徒勞。從應(yīng)用的效果來(lái)看，復(fù)雜的數(shù)值模式并不優(yōu)于高斯模式，同時(shí)，高斯模式對(duì)氣象資料的需求低，運(yùn)算效率高等特點(diǎn)使其目前仍為主要的使用模式8。隨著模擬范圍的增大或因下墊面不均勻使氣象流場(chǎng)比較復(fù)雜，或者污染物的沉積和化學(xué)轉(zhuǎn)化不能忽略或簡(jiǎn)單處理時(shí)，高斯煙流模式的精度就難以滿(mǎn)足要求。為此，應(yīng)該根據(jù)客觀條件選取以歐拉型或歐拉、拉格朗日混合型K模式的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式，此類(lèi)模式對(duì)污染源數(shù)據(jù)以及氣象資料的要求遠(yuǎn)高于高斯模式，且計(jì)算量較大。在模式使用時(shí)，除考慮上述的幾個(gè)因素以外，從事模擬部門(mén)人員對(duì)模式掌握的程度、模擬工作資金的投入、污染源以及氣象方面可利用資料的獲取程度等也是在模式選取的客觀約束9。美國(guó)是世界上空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式發(fā)展和應(yīng)用最先進(jìn)的國(guó)家之一，美國(guó)國(guó)家環(huán)保局對(duì)于不同的模擬尺度和關(guān)心的污染源狀態(tài)共推薦了6個(gè)模式，其中BLP (Bouyant Line and Point Source Model )是高斯煙羽擴(kuò)散模式、CALINE3是穩(wěn)態(tài)高斯擴(kuò)散模式、CTDMPLUS (Complex Terrain Dispersion Model Plus Algorithms for Unstable Situations)是高斯擴(kuò)散模式、OCD(Offshore and Coastal Dispersion Model)是線性高斯模式、ISC3 (Industrial Source Complex Model)是穩(wěn)態(tài)高斯擴(kuò)散模式、CALPUFF是高斯型解的拉格朗日型K模式?？梢钥闯觯诎l(fā)達(dá)的美國(guó)，高斯型空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式同樣在空氣質(zhì)量管理中占有主導(dǎo)地位，作為首選模式的ISC3與CALPUFF模式因其適用范圍、對(duì)輸入?yún)?shù)要求以及計(jì)算工作量等方面占有的優(yōu)勢(shì)，作為成熟的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用10。3 ISC3與CALPUFF模式綜合研究3.1 ISC3模式ISCST3(Industrial Source Complex 3)模式是美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)的一個(gè)為環(huán)境管理提供支持的復(fù)合工業(yè)源空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式，是基于統(tǒng)計(jì)理論的正態(tài)煙流模式，使用的公式為目前廣泛應(yīng)用的穩(wěn)態(tài)封閉型高斯擴(kuò)散方程。ISC3模式的模擬范圍小于50km，模擬物質(zhì)為一次污染物，模式采用逐時(shí)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)確定氣象條件對(duì)煙流抬升，傳輸和擴(kuò)散的影響1112。模式可處理各種煙氣抬升和擴(kuò)散過(guò)程，如：靜風(fēng)條件、風(fēng)廓線指數(shù)、城/鄉(xiāng)擴(kuò)散、煙囪頂端尾流、城市建筑對(duì)點(diǎn)源排放的尾流效應(yīng)、污染物轉(zhuǎn)化、沉積和沉降等。可同時(shí)/分別對(duì)點(diǎn)源(Point)、面源(Area)、線源、體源(Volume)、開(kāi)放源(Openpit)等多種污染源進(jìn)行模擬，還可以根據(jù)需要對(duì)排放源進(jìn)行分組，以便對(duì)各源的貢獻(xiàn)進(jìn)行定量分析；可選擇多套規(guī)則和/或不規(guī)則極坐標(biāo)、直角坐標(biāo)下受點(diǎn)網(wǎng)格或離散受點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，網(wǎng)格距和模擬范圍可變；可輸出多種污染物的濃度以及顆粒物的沉積和干、濕沉降量等計(jì)算結(jié)果；污染物可選取SO2、TSP、PM10、NOx和CO等種類(lèi)；可選擇逐小時(shí)、數(shù)小時(shí)、日、月及年等多種平均模擬時(shí)段。3.2 CALPUFF模式CALPUFF是美國(guó)EPA推薦的由Sigma Research Corporation （現(xiàn)在是Earth Tech, Inc的子公司）開(kāi)發(fā)的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式，它由CALMET氣象模塊、CALPUFF煙團(tuán)擴(kuò)散模塊和CALPOST后處理模塊三部分組成。CALMET是利用質(zhì)量守恒連續(xù)方程，在三維網(wǎng)格模擬域中描述小時(shí)風(fēng)場(chǎng)與溫度場(chǎng)的氣象模塊13。CALPUFF是用于非定常、非穩(wěn)態(tài)的氣象條件下，模擬污染物擴(kuò)散、遷移以及轉(zhuǎn)化的多層、多物種的高斯型煙團(tuán)擴(kuò)散模式，它模擬的尺度可以從幾十米到幾百公里，在近距離模式可以處理如建筑物下洗、浮力抬升、動(dòng)力抬升、部分煙羽穿透和海陸交互影響等過(guò)程，在遠(yuǎn)距離可以處理如干、濕沉降，化學(xué)轉(zhuǎn)化，垂直風(fēng)修剪和水上輸送等污染物清除過(guò)程。模式可以處理逐時(shí)變化的點(diǎn)源、面源、線源、體源等污染源，可選擇模擬小時(shí)、天、月以及年等多種平均模擬時(shí)段，模式內(nèi)部包含了化學(xué)轉(zhuǎn)化、干濕沉降等污染物去除過(guò)程，充分考慮下墊面的影響，輸出結(jié)果主要包括逐時(shí)的地面網(wǎng)格和各指定受體點(diǎn)的污染物濃度。模式采用在取樣時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積分的方法，有效地節(jié)省計(jì)算時(shí)間。CALPOST是對(duì)模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理的工具性模塊。CALPUFF模式的核心部分是CALPUFF煙團(tuán)擴(kuò)散模塊14。3.3 ISC3和CALPUFF模式的應(yīng)用與比較3.3.1 ISC3和CALPUFF模式的應(yīng)用從空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式使用的頻率來(lái)看，隨著模擬尺度的增大，使用的頻率降低。ISC3和CALPUFF是美國(guó)國(guó)家環(huán)保局首推的空氣質(zhì)量模式，其中ISC3是在模擬范圍內(nèi)的下墊面不是十分復(fù)雜，模擬范圍小于50km的情況下使用，而CALPUFF可以用來(lái)模擬小到幾十米，遠(yuǎn)到幾百公里的范圍，模擬區(qū)域的下墊面可以相對(duì)復(fù)雜，這兩個(gè)模式的特點(diǎn)決定了其在實(shí)際空氣質(zhì)量管理中的使用頻率。ISC3模式在國(guó)內(nèi)外的城市尺度上的空氣質(zhì)量管理工作中得到的廣泛的應(yīng)用，如Jan-Michael Y. Carrillo（2002）利用ISC3模擬煉油廠SOx和NOx的擴(kuò)散35。Matthew Lorber(2000)等利用ISC3模式模擬了由兩個(gè)點(diǎn)源排放的二惡英在大氣的行為，同時(shí)結(jié)合沉降模式確定了每個(gè)源排放對(duì)土壤中二惡英的貢獻(xiàn)，并通過(guò)模擬值與大氣和土壤中二惡英實(shí)測(cè)值的比較對(duì)模式的應(yīng)用予以評(píng)價(jià)。Basham,J.P（1999）等利用ISC3模式模擬了從廢棄物焚燒爐排放的二惡英在大氣中的擴(kuò)散和傳輸行為。Sheridan,B.A(2004)等利用ISC3模式對(duì)愛(ài)爾蘭肉類(lèi)加工排放氣味的影響行為進(jìn)行了研究15。在國(guó)內(nèi)，Hao,jimming等利用ISC3模式確定了北京市機(jī)動(dòng)車(chē)排放對(duì)空氣質(zhì)量的貢獻(xiàn)16。王志國(guó)等應(yīng)用ISC3模式模擬了濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車(chē)排放CO、NOx濃度的空間分布，確定了濟(jì)南市機(jī)動(dòng)車(chē)污染較為嚴(yán)重的污染特征17。應(yīng)高祥等應(yīng)用ISC3確定了北京市區(qū)不同排放特征的排放源對(duì)SO2、PM10、NOx等污染物濃度的貢獻(xiàn)率和北京城區(qū)居民的暴露效率18。唐孝炎等利用ISC3分析了北京市大氣污染的原因以及污染物的來(lái)源19。中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院利用ISC3分析了成都市各類(lèi)大氣污染源的貢獻(xiàn)比例并提出了科學(xué)的污染控制對(duì)策20。薛志剛等利用ISC3分析了北京高井發(fā)電廠對(duì)城市空氣質(zhì)量的影響21以及北京京豐電廠在采取脫硫后對(duì)空氣質(zhì)量的影響22等等。CALPUFF模式在國(guó)內(nèi)外空氣質(zhì)量模擬中應(yīng)用有：Godfrey，J.J在1998年對(duì)南極洲羅斯島極地環(huán)境空氣質(zhì)量的模擬24；Levy,Jomathan.l.在2002年對(duì)美國(guó)伊利諾斯州電廠排放的環(huán)境影響進(jìn)行定量評(píng)價(jià)25；Barna,Michael G.在2002年對(duì)新西蘭克賴(lài)斯特徹奇冬季典型時(shí)段顆粒物的擴(kuò)散模擬及來(lái)源解析26；Villasenor,Rafael.在2003年對(duì)中尺度范圍風(fēng)沙揚(yáng)塵的擴(kuò)散行為模擬研究27；ZhouYing在2003年利用CALPUFF模擬了北京電廠排放的人體暴露效應(yīng)28；宋宇在2002年利用CALPUFF對(duì)北京市石景山區(qū)PM10污染對(duì)北京市影響進(jìn)行了研究，詳細(xì)解析了石景山各主要污染物對(duì)市區(qū)不同區(qū)域濃度的貢獻(xiàn)大小29。3.3.2 ISC3和CALPUFF模式的比較1. 煙團(tuán)和煙羽的區(qū)別ISC3是高斯煙羽擴(kuò)散模式，CALPUFF是高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模式。高斯煙羽模式是認(rèn)為污染物連續(xù)排放，污染物的濃度分布符合高斯分布；高斯煙團(tuán)模式是將連續(xù)排放的煙羽視為一系列離散的污染物團(tuán)，即煙團(tuán)，煙團(tuán)隨風(fēng)向、風(fēng)速移動(dòng)且排放是瞬時(shí)的，煙團(tuán)的濃度分布符合高斯分布，受體點(diǎn)的污染物濃度是各煙團(tuán)在此處濃度的線性迭加。區(qū)別煙團(tuán)和連續(xù)煙羽擴(kuò)散最明顯的方式是對(duì)瞬時(shí)和平均煙流考慮不同的值，煙流的瞬時(shí)快照給出的（t）是與追蹤一個(gè)煙團(tuán)所獲得的（t）是相同的12、14。一個(gè)煙團(tuán)對(duì)一個(gè)受體點(diǎn)的濃度貢獻(xiàn)由如下方程求得： C地面濃度，g/m3；Q煙團(tuán)中污染物的質(zhì)量，g；x高斯擴(kuò)散的x方向標(biāo)準(zhǔn)偏差；y高斯擴(kuò)散的y方向標(biāo)準(zhǔn)偏差；z高斯擴(kuò)散的垂直方向標(biāo)準(zhǔn)偏差；da煙團(tuán)中心到受體點(diǎn)的x方向距離，m；dc煙團(tuán)中心到受體點(diǎn)的y方向距離，m；g高斯方程的垂直分量H地面到煙團(tuán)中心的有效高度，m；h混合層高度，m。2. ISC3與CALPUFF計(jì)算結(jié)果對(duì)比研究模式檢驗(yàn)是驗(yàn)證模式“保真性”的重要手段，靈敏度分析是驗(yàn)證模式的輸入輸出響應(yīng)關(guān)系合理性的數(shù)學(xué)工具30。對(duì)于相同的模擬對(duì)象，使用不同的模式獲得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的保真性與靈敏度一直是模式開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)關(guān)注的問(wèn)題，也更是環(huán)境管理部門(mén)和模式使用者所關(guān)心的問(wèn)題。美國(guó)國(guó)家環(huán)保局作了AERMOD與ISC3、CTDMPLUS模式的對(duì)比分析31，使用ISCST3、ISC-PRIME以及AERMOD模式在有毒氣體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中的比較32、ISC3與ISC-PRIME模擬結(jié)果分析33以及ISC3和CALPUFF之間的比較34等對(duì)于相同模擬對(duì)象采用兩種或兩種以上空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式，分析其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或模擬結(jié)果之間的存在的關(guān)系。在ISC3和CALPUFF之間的比較一文中的情景設(shè)計(jì)為混合層高度為3000m和500m的情況下，高架點(diǎn)源模擬對(duì)于所有的案例的結(jié)果都顯示出了很好的一致性，CALPUFF與ISC3的模擬最大差值量為 =25.0ug/m3（占受體點(diǎn)濃度平均值的0.13%），最小差值量為 =-8.0ug/m3（占受體點(diǎn)濃度平均值的0.03%），對(duì)于任何一次模擬， 1ug/m3。在面源模擬時(shí)采用了 m和 m兩個(gè)數(shù)值，當(dāng) 時(shí)一致性最好，最大差值量 =561ug/m3（占所有受體的濃度平均值的2.2%），最小差值量 =-1537ug/m3（占所有受體的濃度平均值的33%）運(yùn)行結(jié)果中的平均差值和平均標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍超過(guò)了三個(gè)數(shù)量級(jí)。 Puttanna S.Honaganahalli和James N.Seiber(2000)用ISC3和CALPUFF兩個(gè)空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式同時(shí)對(duì)加利福尼亞農(nóng)田殺蟲(chóng)劑殘留物排放溴甲烷的大氣行為進(jìn)行了研究，并且分別對(duì)模式模擬值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較。在研究中，分別用兩組不同的排放清單作為輸入?yún)?shù)，對(duì)于其中一組排放數(shù)據(jù)用模式模擬計(jì)算的結(jié)果是偏低的。其中，ISC3模式模擬結(jié)果中低于實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)占76%，模擬結(jié)果的均值是實(shí)測(cè)值的66%，CALPUFF模式模擬結(jié)果中低于實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)為67%，模擬結(jié)果的均值是實(shí)測(cè)值的84%；對(duì)于另一組排放數(shù)據(jù)而兩個(gè)模式的模擬結(jié)果都偏高，其中，ISC3計(jì)算結(jié)果中67%的數(shù)據(jù)高估了兩倍，而CALPUFF高估1.6倍的數(shù)據(jù)占50%。兩個(gè)模式獲得的模擬值和測(cè)定值的相關(guān)性也有差別，兩組源強(qiáng)以ISC3計(jì)算的模擬值與實(shí)測(cè)值比較的約是0.7，以CALPUFF計(jì)算的R2分別是0.55和0.81。4 對(duì)空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式應(yīng)用的建議CALPUFF模式中CALMET模塊所需的精細(xì)的氣象以及地理資料在實(shí)際工作中經(jīng)常難以獲得，CALPUFF模塊中的一些污染源參數(shù)，如抬升計(jì)算有效半徑、初始垂直擴(kuò)散等參數(shù)難以確定，且計(jì)算機(jī)模擬所需的運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)；而上述方面恰好是ISC3模式的優(yōu)勢(shì)所在，并且該模式已經(jīng)在我國(guó)的空氣質(zhì)量模擬研究中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)當(dāng)注意到，對(duì)于應(yīng)用于決策支持的概要層次的模擬研究，ISC3模型能夠滿(mǎn)足要求，而對(duì)于細(xì)致的湍流擴(kuò)散模擬、區(qū)域尺度污染物長(zhǎng)距離輸送和污染物二次轉(zhuǎn)化等問(wèn)題，ISCST3顯然是不能滿(mǎn)足要求的。對(duì)這些情景的模擬是CALPUFF模型的優(yōu)勢(shì)所在。這里對(duì)今后開(kāi)展空氣質(zhì)量模型應(yīng)用研究提出以下建議：1. 對(duì)于不同的模型，它們?cè)诿枋鑫廴疚飻U(kuò)散、遷移、轉(zhuǎn)化過(guò)程的復(fù)雜程度有很大的不同，在選用模式之前，需要慎重考慮這些因素。通常，需要根據(jù)研究對(duì)模型復(fù)雜程度的需求來(lái)確定模式規(guī)模的大小。2. 模式的選擇需要在簡(jiǎn)單性、最小數(shù)據(jù)需求、最小計(jì)算代價(jià)（包括運(yùn)算時(shí)間和存儲(chǔ)空間）以及模擬結(jié)果的有效性等諸多因素之間進(jìn)行平衡取舍。3. CALPUFF模型包含詳細(xì)的算法考慮下墊面條件和城市微氣象條件，對(duì)這些參數(shù)很敏感。因此，在做模型的驗(yàn)證時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能選取城市不同區(qū)域上的環(huán)境監(jiān)測(cè)資料分別與模型模擬值進(jìn)行比較。參考文獻(xiàn)1. 洪鐘祥,胡非，大氣污染預(yù)測(cè)的理論和方法研究進(jìn)展. 氣候與環(huán)境研究. 1999,9:Vol.4,No.3；2.谷清，大氣質(zhì)量模式通用計(jì)算程序研究及其應(yīng)用，環(huán)境科學(xué)研究，1998，Vol.1，No.5，28-35；3.胡泳濤，北京大學(xué)博士論文，2000年，“區(qū)域空氣質(zhì)量及其影響因素研究”；4.樊琦、蒙偉光等，美國(guó)環(huán)保局第三代空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)和評(píng)估系統(tǒng)，重慶環(huán)境科學(xué)，2003，Vol.25，No.11，134-137；5.國(guó)家環(huán)境保護(hù)局、中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院，城市大氣污染總量控制方法手冊(cè)，中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，1991，183-184；6.郝吉明、馬廣大等，大氣污染控制工程，高等教育出版社，2001，p105-106；7.李宗愷、潘云仙、孫潤(rùn)橋，空氣污染氣象學(xué)原理及應(yīng)用，氣象出版社，1985，407-427；8.鄭博福、游海等，大氣污染預(yù)測(cè)方法探討，2000，Vol.22，No.1，78-83.9. 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