大氣模型發(fā)展簡(jiǎn)史與簡(jiǎn)介

1、大氣模型發(fā)展簡(jiǎn)史與簡(jiǎn)介1.11.1 第一代空氣質(zhì)量模型 高斯模型和拉格朗日煙團(tuán)軌跡模型 第一代空氣質(zhì)量模型主要包括了高斯擴(kuò)散模型和拉格朗日軌跡模型。 這兩類模型都 是利用風(fēng)的運(yùn)動(dòng)軌跡來模擬近地層大氣層中復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。 它的物理表述即模 擬均勻混合的大氣物質(zhì)沿風(fēng)向運(yùn)動(dòng)的情況。 在大氣物質(zhì)從地面向高層運(yùn)動(dòng)的過程中， 其 運(yùn)動(dòng)規(guī)則受到垂直方向上風(fēng)速以及溫度的不均勻分布的影響而不斷的發(fā)生變化。 具體過 程見圖。1.1. eiaaeiaa （典型高斯） 適用于50km50km 的區(qū)域eiaa 大氣環(huán)評(píng)助手 “是寧波環(huán)科院六五軟件工作室開發(fā)的軟件。 hj/t2.2-93 環(huán)評(píng)導(dǎo)則-大氣環(huán)境、jtj

2、005-96 公路建設(shè)項(xiàng)目環(huán)評(píng)規(guī)范-大氣部分，中國(guó)環(huán)境影響評(píng)價(jià)培訓(xùn)教材等文獻(xiàn)中推薦的模型和計(jì)算方法作為主要框架，內(nèi)容涵蓋了導(dǎo)則中的全部要求， 并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)赝卣古c加深?？梢蕴幚睃c(diǎn)源、面源、體源、線源 對(duì)于預(yù)測(cè)計(jì)算結(jié)果，可以查看各接受點(diǎn)地面高程及其等高線圖各接受點(diǎn)的背景濃度及其分布圖 各污染源的濃度和總的濃度及其分布圖各污染源的分擔(dān)率及其分布圖 各污染源或總的濃度的平均評(píng)價(jià)指數(shù)和超標(biāo)面積 還可以任意改變各污染源的排放率（排放強(qiáng)度）以觀察不同排放率下的濃度變化情況也可查看任意一個(gè)橫截面或豎截面上的濃度變化圖 廣泛應(yīng)用的版本是 eiaa2.5，eiaa2.6。版本中均有 bug，大家謹(jǐn)慎使用。2.2

3、. aermodaermod （穩(wěn)態(tài)高斯） 適用于50km50km 的區(qū)域aermod 由美國(guó)國(guó)家環(huán)保局聯(lián)合美國(guó)氣象學(xué)會(huì)組建法規(guī)模式改善委員會(huì)（aermic ）開發(fā)。aermic 的目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)能完全替代 isc3 的法規(guī)模型，新的法 規(guī)模型將采用 isc3 的輸入與輸出結(jié)構(gòu)、應(yīng)用最新的擴(kuò)散理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)更新 isc3 計(jì) 算機(jī)程序、必須保證能夠模擬目前 isc3 能模擬的大氣過程與排放源。20 世紀(jì) 90 年代中后期，法規(guī)模式改善委員會(huì)在美國(guó)國(guó)家環(huán)保局的財(cái)政支持下，成功開發(fā)出 aermod 擴(kuò)散模型o該系統(tǒng)以擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論為出發(fā)點(diǎn)， 假設(shè)污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分 布。模式系統(tǒng)

4、可用于多種排放源（包括點(diǎn)源、面源和體源、線源）的排放，也適用于鄉(xiāng) 村環(huán)境和城市環(huán)境、 平坦地形和復(fù)雜地形、 地面源和高架源等多種排放擴(kuò)散情形的模擬 和預(yù)測(cè)。aermod 作為正在開發(fā)的模型，模型中還存在 bug,但其不在改進(jìn)，而且模型在小范 圍預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)性是其他模型不能比擬的， 模型需要地面氣象數(shù)據(jù)、 高空氣象數(shù)據(jù)和地形 數(shù)據(jù)（平坦地形不需要）3 3 calpuffcalpuff （不穩(wěn)態(tài)高斯） 對(duì)于比較大的區(qū)域模型是美國(guó) epa 推薦的由 sigma research corporation（現(xiàn)在是 earth tech, inc的子 公司）開發(fā)的空氣質(zhì)量擴(kuò)散模式,calpuff 模型是由

5、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。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。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 陸交互影響等過程在遠(yuǎn)距離可以處理干、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。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

6、。 模型需要數(shù)據(jù)較多,包括必須的逐時(shí)氣象數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù),模型可 以處理干濕沉降、化學(xué)轉(zhuǎn)化、海岸和復(fù)雜地形。在處理 50km 的區(qū)域時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮。4 4 admsadms 模型（ 3d3d 高斯）由劍橋環(huán)境研究公司發(fā)展的 adms 大氣模型系列能廣范應(yīng)用于計(jì)算氣體污染物和 顆粒狀污染物。 每一個(gè)模型的用戶界面經(jīng)過精心設(shè)計(jì)以適用于不同程度的應(yīng)用。 所有的 模型都經(jīng)過了廣泛嚴(yán)密的論證。所有的 adms 模型都具有中文版。adms-城市,是大氣擴(kuò)散模型系統(tǒng)（adms）系列中的最復(fù)雜的一個(gè)系統(tǒng)。它運(yùn)行于pc 之上，模擬城市區(qū)域來自工業(yè)，民用和道路交通的污染源產(chǎn)生的污染物在大氣中的 擴(kuò)散。

7、adms-城市模型用點(diǎn)源，線源，面源，體源和網(wǎng)格源模型來模擬這些污染源。經(jīng)設(shè)計(jì)，可以考慮到的擴(kuò)散問題包括最簡(jiǎn)單的（例如，一個(gè)孤立的點(diǎn)源或單個(gè)道路源）到最復(fù)雜的城市問題（例如，一個(gè)大型城市區(qū)域的多個(gè)工業(yè)污染源，民用和道路交通污染排放）。它對(duì)研究大氣質(zhì)量管理措施特別有用， 例如計(jì)算先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)，低排污區(qū)對(duì)污染狀況 的影響，燃料的改變，限制車速的設(shè)計(jì)對(duì)空氣質(zhì)量的影響等。adms-城市可以作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)使用，也可以與一個(gè)地理信息系統(tǒng)聯(lián)合使用。adms-城市與 map i nfo 以及 esri 的 arcview 可以完全有機(jī)的連接。 我們推薦將 adms- 城市與這兩個(gè)地理信息系統(tǒng)中的任何一種

8、一起使用。因?yàn)檫@樣可以使用數(shù)字地圖數(shù)據(jù)，cad 制圖和/或航片真實(shí)直觀地設(shè)置您的污染問題。 在所使用的不同類型的地圖數(shù)據(jù)上， 生成如等值平面圖的輸出和作報(bào)告用的硬拷貝圖形等。至于如何得到這些地圖數(shù)據(jù)應(yīng)的信息可以由 arcview 和 map info 的供應(yīng)者提供。adms-城市與其它用于城市地區(qū)的大氣擴(kuò)散模型的一個(gè)顯著的區(qū)別是adms-城市，相應(yīng)用了現(xiàn)有的基于 monin obukhov 長(zhǎng)度和邊界層高度描述邊界層結(jié)構(gòu)的參數(shù)的最新物 理知識(shí)。其它模型使用 pasquill 穩(wěn)定參數(shù)的不精確的邊界層特征定義。在這個(gè)最新的方 法中，邊界層結(jié)構(gòu)被可直接測(cè)量的物理參數(shù)定義。這使得隨高度的變化而變化的

9、擴(kuò)散過程 可以更真實(shí)地表現(xiàn)出來，所獲取的污染物的濃度的預(yù)測(cè)結(jié)果通常是更精確adms 僅需要地面氣象數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)需要的是 x、y、z 坐標(biāo)形式。表1 1功能氣象數(shù)據(jù)低空廓線數(shù)據(jù)混合層頂處理混合層高度模型粗admsadms、aermodaermod 模式略對(duì)導(dǎo)則推薦模式 eiaaeiaa地面氣象數(shù)據(jù)僅使用風(fēng)速廓線數(shù)據(jù)煙羽抬升到混合層頂部，采用 全反射經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算或 holzworthholzworth風(fēng)速、風(fēng)向、穩(wěn)定度、混合層 高度:城市、農(nóng)村、平坦和復(fù)雜地形 :沒有擴(kuò)散參數(shù)和大氣穩(wěn)定度不連 續(xù)，穩(wěn)定度分類采用分類有沒有pasquillpasquill比，更可信。地面、高空數(shù)據(jù)，也可僅使用地面數(shù)

10、據(jù)使用風(fēng)速、溫度和湍流的廓線數(shù)據(jù)煙羽抬升到混合層頂部， 采用部分反射、部分穿透，穿透部分又部分返回對(duì)流混合層、穩(wěn)定邊界層摩擦速度、莫寧- -奧布霍夫長(zhǎng)度、對(duì)流速 度邊界層參數(shù)地形分類地形處理擴(kuò)散參數(shù)和大氣穩(wěn)定度建筑物下洗功能尺度、機(jī)械和對(duì)流混合層高度、熱通量按土地分類給出各種地面的粗糙度有地形的預(yù)處理按空氣湍流結(jié)構(gòu)和尺度概念，湍流擴(kuò)散 有參數(shù)化方程給出，擴(kuò)散參數(shù)、穩(wěn)定度 用連續(xù)參數(shù)表示不穩(wěn)定條件下的垂直擴(kuò) 散米用非正態(tài)的 pdfpdf 格式采用正態(tài)分布這一代模型在 1970 到 1980 年期間它被廣泛應(yīng)用于控制臭氧的戰(zhàn)略評(píng)估中。時(shí)期，由于計(jì)算機(jī)平臺(tái)還未得到廣泛的推廣，所以無法進(jìn)行較為復(fù)雜的計(jì)

11、算和分而第一代模型因其較為簡(jiǎn)單的理論基礎(chǔ)和計(jì)算使它得以適應(yīng)了這一限制條件，在這一析。從而得到發(fā)展。這一代的模型中比較具有代表性的模型是ozipm/ekma。但是隨著科技的不斷發(fā)展，拉格朗日軌跡模型不可避免地逐漸顯示出它的缺點(diǎn)。首先由于該模型所模擬的物理過程過于簡(jiǎn)單，所以它也就無法完整的描述大氣運(yùn)動(dòng)的狀況。例如，當(dāng)風(fēng)區(qū)不均勻，高斯煙流?；蛘咭蛳聣|面不均勻，并且模擬的尺度達(dá)到幾十公里使得流場(chǎng)比較復(fù)雜時(shí)，型的精度就難以滿足要求，另外拉格朗日模型對(duì)沉積和化學(xué)轉(zhuǎn)化過程只能做十分粗略的處理，當(dāng)這些過程已相當(dāng)重要或者作為研究對(duì)象時(shí)，該模型就不適用。所以對(duì)于模擬 在大氣污染中起越來越大作用的臭氧和顆粒物（pm

12、）等物質(zhì)而言，第一代模型已顯示出它的劣勢(shì)了。于是人們開始將目光投向了一種新的具有三維空間效應(yīng)的模型即第二代空 氣質(zhì)量模型一歐拉網(wǎng)格模型，這種模型以其對(duì)物理過程精確合理的描述以及對(duì)整個(gè)模擬區(qū)域大氣濃度的預(yù)測(cè)很快在大氣環(huán)境研究領(lǐng)域嶄露頭角。1.21.2 第二代空氣質(zhì)量模型一歐拉數(shù)值模型第二代空氣質(zhì)量模型一歐拉數(shù)值模型是一類在 1980-1990 年期間得到廣泛應(yīng)用的模 型。在這類模型中，被選定的區(qū)域被分成許多網(wǎng)格單元。模型將模擬每個(gè)單元格中大氣層中的化學(xué)變化過程，以及位于該網(wǎng)格周邊的其他單元格內(nèi)的大氣狀況， 這包括污染 源對(duì)網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)的影響，以及所產(chǎn)生的沉降作用。歐拉數(shù)值模型主要包括三種模型即：

13、城市尺度光化學(xué)氧化模型 urban airshed model（uam），區(qū)域酸沉降模型 the regional acid deposition model （ radm），區(qū)域尺度光化學(xué)氧化模型 the regional oxidant model（ rom ）。其 中 rom 模型是一類被用于模擬區(qū)域內(nèi)光化學(xué)氧化過程的三維網(wǎng)格模型。它曾廣泛被化過程的研究。但是由于這種模型的結(jié)構(gòu)過usepa 應(yīng)用于區(qū)域發(fā)生光化學(xué)氧于復(fù)雜以至于非專業(yè)人士無法對(duì)其進(jìn)行操作，所以 usepa 已于最近停止了對(duì)開發(fā)這種模型的資金支持。uam 是一類被用于模擬城市內(nèi)發(fā)生的光化學(xué)氧化過程的 模型。該模型在 1970

14、年就已經(jīng)產(chǎn)生了，但是歷經(jīng)多次 改進(jìn)，直到 80 年代才得以應(yīng)用。它的優(yōu)越之處在于，首先它能與cb4 技術(shù)相兼容，同時(shí)能利用高效、精確的 smolarkiewicz 水流方案來解平流方程。從而能得到更為精準(zhǔn)的 模擬結(jié)果。目前 uam 是唯一得到 usepa 推薦的用于模擬光化學(xué)污染情況的模型，并被廣泛應(yīng)用于驗(yàn)證美國(guó)大都市中臭氧濃度的達(dá)標(biāo)情況以及評(píng)估大氣污染控制戰(zhàn)略的有 效性。radm 模型的發(fā)展最初主要是被應(yīng)用于研究酸沉降的，但是該模型也同樣包括臭氧以及 sox 和 nox 的化學(xué)基礎(chǔ)。與前兩個(gè)模型相比，radm 的單元格以及模擬區(qū)域 的尺寸要大的多，這主要是因?yàn)樵撃Ｐ完P(guān)注的是形成緩慢、一代和第

15、二代大氣模型的特性比較如表1-2-1 所示。表 2 第一第二代大氣模型的特性比較名稱結(jié)構(gòu)ozipm/ekma拉格朗日軌跡（箱式）模型模擬對(duì)象城市內(nèi)臭氧uam三維歐拉數(shù)值模型城市內(nèi)臭氧radm三維歐拉數(shù)值模型地區(qū)性臭氧和酸沉降網(wǎng)格定義設(shè)計(jì)目的-18km轉(zhuǎn)移范圍大的酸物質(zhì)。第rom三維歐拉數(shù)值模型地區(qū)性臭氧和酸沉降一維模擬在區(qū)域內(nèi) 光20-80km模擬城市的氧化物運(yùn)動(dòng)過程4-8km模擬光化學(xué)污染化學(xué)污染物 的沉物的形成和沉降降過程的大氣過 程缺點(diǎn)模擬二次污染 物如臭氧和顆 粒物（pm ）時(shí)，其化學(xué)機(jī)理過 于復(fù)雜結(jié)構(gòu)過于陳舊 和結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法 復(fù)雜，致使非 專同時(shí)模擬多種 污 同時(shí)模擬

16、多種污 業(yè)人士無法 操作染物對(duì)大氣 質(zhì)量 染物對(duì)大氣質(zhì)量的共同影 響的共同影 響現(xiàn)狀由于應(yīng)用受到 限目前唯一還得 到 用于美國(guó)、歐 洲、epa 已經(jīng)停止 對(duì)制,已經(jīng)基本 被淘epa 支持和 推薦 亞洲的酸沉降和 該模型發(fā)展 的支汰的第二代 空氣質(zhì) 臭氧的決策和研 持量模型究中模型的價(jià)值在于它能夠被應(yīng)用于環(huán)境決策和環(huán)境研究中，并為它們提供分析和決策支持。然而目前的空氣質(zhì)量模型，一方面在功能上都存在種種缺陷，有些模型存在由于 結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜而不易操作的問題；另一方面這些模型在設(shè)計(jì)之初就未考慮到技術(shù)上的可 延續(xù)性，所以也造成了今天高尖端的電腦硬件和軟件技術(shù)的優(yōu)越性無法在模型的使用上得到充分體現(xiàn)的局面。 在過去， 空氣質(zhì)量模型通常只是單獨(dú)的為解決某一個(gè)空氣污染問 題而設(shè)計(jì)的，然而現(xiàn)在研究者發(fā)現(xiàn)許多空氣污染物的形成與發(fā)展是相互關(guān)聯(lián)的。例如， 對(duì)氮氧化物（nox）排放的控制不但會(huì)對(duì)臭氧濃度有影響，同時(shí)pm、酸沉降、甚至大氣能見度都會(huì)得到一定的改善。 因此，要想對(duì)污染物控制的策略有深入的評(píng)價(jià)就要求模 型能夠同時(shí)模擬多種污染物的狀況。第二代大氣模型大多應(yīng)用在城市區(qū)域大氣質(zhì)量控制中， 很少應(yīng)用于項(xiàng)目環(huán)評(píng)中， 只 是在大的區(qū)域環(huán)評(píng)中有應(yīng)用。1.3 第三代空氣質(zhì)量模型 區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型，即“mode!s3/cmaq ,是 1998 年第一次正式發(fā)布的第三