第23卷 第4期西安科技学院学报Vol.23 No.4 2003年12月 JOURNAL OF XI ’AN UN IV ERSIT Y OF SCIENCE AND TECHNOLO GY Dec.2003文章编号:1671-1912(2003)04-0411-04城市大气污染预报模式的研究进展Ξ陈 柳1,2,马广大1,纪海维2(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西西安 710055;2.西安科技大学能源学院,陕西西安 710054)摘 要:介绍了城市大气污染预报模式的国内外研究现状,并对它们采用的预报系统及结果作了简要阐述。
美国目前已发展到第三代Momdel -3CMAQ 模式系统,中国已开发了3套较成熟的模式系统。
文中指出中国城市大气污染预报模式存在的问题,并对发展方向进行了探讨。
关键词:大气污染;预报模式;数值预报中图分类号:X 32 文献标识码:A大气污染预报是人们在对大气污染物排入大气环境后扩散、迁移和清除规律认识的基础上,利用科学的方法预测预报未来不同空间尺度上空气污染物浓度变化状况及趋势的过程。
它对城市环境管理、污染控制、环境规划、城市建设及公共卫生事业均有重要的实际应用价值,并能促进公众参与及提高城市居住环境意识。
大气污染预报的主要方法有潜势预报、统计预报和数值模式预报3种:潜势预报采用的基本方法是从已发生的多个污染事件着手,归纳总结发生污染事件时所有的气象条件、天气形势及气象指标;统计预报是在不了解事物变化机理的情况下,通过分析事物规律来进行预测的方法;数值预报可以定量描述空气中大气污染物的浓度,预报它们的变化。
数值预报需要掌握大气污染物在空气中的演变规律,即需了解污染物在空气中所经历的物理、化学和生物过程。
用于描述这些过程的定量数学方法系统被称为模式。
城市大气污染预报模式是大气污染数值预报的基础和核心。
城市大气污染预报模式实用性强,应用面广,其模式的好坏和精度高低对预报结果图1 Models -3CMAQ 模式流程图Fig.1 Flow chart of models -3CMAQ pattern有着直接的关系,因此,对大气污染预报模式的研究是极其重要的[1]。
下面介绍国内外大气污染预报模式的发展现状。
1 国外大气污染预报模式1.1 美国的预报模式美国大气污染预报模式研究已经从第一代Lagrange 模式进化成为第二代Euler 模式,现在又开发出第三代模式系统,命名为Models -3CMAQ 模式。
第一代Lagrange 模式主要采用的是高斯扩散模型。
最广泛使用的是第二代Euler 模式。
它主要包括城市大气质量模式(UAM )[2]、区域酸沉降模式(RADM1和RADM2)及区域氧化物模式(ROM )[3]。
第三代Models -3CMAQ 模式是由美国环保局(EPA )1998年完成的,并于1999～2000年作了进一步完善。
下面对Models -3CMAQ 模式作以简单介绍[4]。
Models -3CMAQ 模式区别于上两代模式的最大特点是它可以实现多种污染物、多范围的大气污染预报。
它由4大部分组成:污染源模式化模型,气象模式,输入、输出模式,浓度计算模式。
其流程图如图1。
浓度计算模式的基础是大气扩散方程,采用Byun (1999)提出的空气质量模型[6]。
浓度控制方程如下Ξ收稿日期:2002-11-06基金项目:西安市科技计划项目(SF200346)作者简介:陈 柳(1975-),女,新疆伊犁人,助教,在读博士,主要从事大气污染预报的研究.5φi 5t + ξ・[φi V ξ]+5(φi v 3)5x 3+ ξ[ργF qi ]+5(ργF 3qi )5x3= (a ) (b ) (c ) (d ) (e )γR φi (φ1,Λ,φN )+γS φi +5(φi )5t cld +5(φi )5t ping +5(φi )5t aero(1) (f ) (g ) (h ) (i ) (j )上式各项表示以下过程:(a )浓度变化过程;(b )水平对流过程;(c )垂直对流过程;(d )水平涡旋扩散过程;(e )垂直涡旋扩散过程;(f )气相化学变化引起浓度增长或减少过程;(g )污染源排放过程;(h )云雨及湿沉积过程;(i )烟羽过程;(j )气溶胶过程。
需注意,干沉积过程包括在垂直扩散过程中,作为边界条件引入。
以上各过程均对应有各自的程序计算模块,从方程(1)出发运用数值分析技术,求其数值解,就可以得到浓度场。
美国的Models -3CMAQ 模式利用最先进的计算机和通讯技术,实现由超级用户到一般用户多达9个层面的GU I 结构,利用地理信息系统(GIS )作为数据库的可视化载体。
Models -3CMAQ 模式可以在网络上运行并采用分布式平行计算技术。
总之,与第二代相比,Models -3CMAQ 模式功能更全面、性能更先进、控制方程更复杂、使用更方便、结构更合理、更开放。
1.2 其他国家加拿大国家研究委员会的污染预报模式MC 2-CAL GRID 模式[5],是由一个非静力平衡的半显示半拉格朗日中尺度气象模式和一个综合光化学模式结合而成的模式系统。
它综合了大气污染物的传输、沉降和化学转化的先进技术,有包括54个有机和无机物种的129个化学反应方程式。
挪威气象研究所的污染预报模式[6],是由EMEP MSC -W NO X 预报模式和Norwegian 轨迹模式组成的,其中考虑了污染物的扩散传输、干湿沉降和包括45个物种的100个化学反应方程式。
其他国家也多是从基于质量守恒大气扩散方程出发,求其数值解,但预报控制方程要比Models -3CMAQ 模式简单,预报污染物的种类要比Models -3CMAQ 模式系统少。
限于篇幅,其他国家的污染预报模式不再详细介绍。
图2 HRCM 模式流程图Fig.2 Flow chart of HRCN pattern 2 中国的预报模式中国目前已开发较成功的城市大气污染预报模式有3种:第一,中国科学院大气物理研究所开发的HRCM 模式系统;第二,中国科学院大气物理研究所开发的Monte -Carlo 模式系统;第三,中国气象科学研究院开发的CAPPS 模式系统。
2.1 HRCM 模式[7]HRCM 是Euler 型模式。
整个预报系统由以下几个部分组成:中尺度气象模式、PBL (行星边界层)湍流统计量参数化模式(PBLM )、污染源模式(SM )、干湿沉积模式(DSDM )、浓度计算模式(HRCM )。
其流程图如图2所示。
前4个模式提供输入参数、初始场和边界条件。
HRCM 模式是这个模式系统的核心。
HRCM 从求解以下化学物质守恒方程组出发5c 5t =-5(uc )5x -5(vc )5y -5(wc )5σ+55x (k x 5c 5y )+55y (k y 5c 5y )+g P L 255σ(ρ2k z 5c 5σ)+P c -L c +W t +D y +E s o (2)式中 c =c i P L ,c i 为化学物质体积混合比,P L =P s -P t ;w =d σd t;P c 和L c 是由化学反应引起的生成和消耗率;W t 是由于云的影响引起的物质浓度变化率;D y 是干沉积引起的浓度变化率;E s o 是污染源的排放源;σ=P -P z P s -P t,P 为气压,P t 为模式顶气压,P t =100hPa ,P s 为地面气压。
需输入到模式中的资料有逐时三维风场、温度场和湿度场、湍流扩散场、下垫面型、每小时地面降水量及污染源排放清单。
HRCM 已被用于预报重庆市32种污染物逐时浓度分布,预测结果与实测资料有较好的一致性。
如果以平均比值的大小作为预报的准确率,平均可达90%以上。
214西安科技学院学报 2003年 2.2 Monte -C arlo 多源模式[7]Monte -Carlo 多源模式为一个多源的,包括输送、扩散、迁移和转化过程的lagrange 模式。
预报系统组成类似于HRCM 系统,包括中尺度气象模式、干湿沉积模式、PBL 湍流统计量参数化关系、浓度计算模式(Monte -Carlo 多源模式)。
Monte -Carlo 多源模式事实上是从统计的角度出发,通过轨迹跟踪的结果可导出概率密度分布函数P.污图3 CAPPS 模式系统的流程图Fig.3 CAPPS pattern flow chart 染物的平均浓度为 c (r ,t )=Q ∫t0p (r ,t |r s ,t ′)d t ′(3)Monte -Carlo 多源模式需要输入的参数为时空范围与时空步长。
气象场采用中尺度-β气象模式预报的三维风温场、温度随高度变化、PBL 湍流统计量参数化、降水量的时空分布、下垫面类型及污染源资料。
2.3 CAPPS 模式系统[8～10]CAPPS 模式系统的流程图如图3所示。
污染物浓度预报模式采用大气平流箱格扩散模型。
大气平流箱格扩散模型是从不考虑化学反应的大气污染物的平流扩散方程出发的。
5c 5t+v ・ c =∑q i δ(r i )- ・(cv d )- ・(cv w )+ ・k →→・ c (4)式中 c 为大气污染物浓度;k →→为湍流交换系数;v d 为干沉降速度;v w 为湿沉降速度;∑q i δ(r i)是在体积τ内,若干位于r =(x i ,y i ,z i )源强分别为q i 源之和。
对上式在τ内积分,再对体积平均,即得到箱体内平均浓度预报方程τ5c t =Q -λsc (v +v t +vd +v w )d s (5)并对上式积分,再由污染潜势指数及污染指数定义即可推出其相应表达式。
CAPPS 模式系统对北京市和上海市预报试验数据结果进行分析,预报准确率平均可达60%。
该模式不需要污染源资料,目前该系统由于没有考虑化学转化过程,还不能预报臭氧。
中国的大气污染预报模式与国外模式相比,尤其是与Models -3CMAQ 模式相比,显得较为简单,对复杂的化学机制的描述过于简化,主要是以气态物质浓度预报为研究对象。
3 展望及讨论目前大气污染预报模式系统的研究得到了很大的发展,从过去的统计预报模式已发展到今天的中尺度气象预报模式与浓度预测模式相结合的大气污染预报系统。
但是由于大气污染预报的复杂性,与国外相比,中国城市大气污染预报模式目前存在的以下问题。
1)模式预报的准确率不够。
城市大气污染预报模式是涉及多介质、多层次、多物质之间相互作用和影响的多学科问题。
多介质是指在污染物的整个运动过程中,涉及到气、土、水、生物介质及其界面的交换、转化的理化生化全过程;多层次是指整个城市大气污染预报模式系统所涉及到的污染物、热量、水汽、辐射及其它们的通量大部分都来源于行星边界层,模式在整个行星边界层一般需分5～8层,整个对流层一般分10～12层,这样就构成了一个垂直方向高分辨率的模式结构;多物质是指预报的污染物主要是SO 2,NO X ,O 3,CO 及TSP (或PM 10),但是其中涉及到几十种化学物质及其化学反应。