（环境科学专业论文）大气环境质量模型和gis结合的研究.pdf

上海师范大学硕士学位论文 ab s t r a c t a i r p o l l u t io n h a s b e c o m e m o r e a n d m o r e s e r i o u s in t h e r e c e n t y e a r s . h o w t o u s e t h e n e w t e c h n o l o g y t o d o t h e a i r q u a l i ty m a n a g e m e n t i n t h e u r b a n a r e a i s t h e m o s t i m p o rt a n t t a s k f o r u s . a ir e n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o n s y s t e m h a s b e c o m e a n e w fi e l d i n t h e a i r p o l l u t i o n . i n t h i s p a p e r , a im e d a t t h e d e s i g n i n g , m o d e l i n g , c a l c u l a t i n g , i n t e g r a t i o n , a n d r e a li z a t i o n o f t h e a i r e n v i r o n m e n t a l i n f o r ma t i o n s y s t e m , t h e a u t h o r a n a l y z e s t h e d a t a s tr u c t u r e o f g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) , a n d t h e d a t a o f t h e s im u l a t i o n o f t h e a i r q u a l i ty , w h i c h e s t a b l i s h e s t h e f o u n d a t i o n o f t h e i n t e g r a t i o n o f g i s a n d t h e a i r m o d e l s . t h e p r i n c i p l e s o f t h e c o m p u t e r s o ft w a r e e n g in e e r i n g , m a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m t h e o ry , g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n s y s t e m t h e o ry , a n d e n v i r o n m e n t a l s c i e n c e a r e u s e d a s t h e g u i d a n c e . t h e i n t e g r a t i o n o f g i s a n d a i r m o d e l s i s r e a l i z e d t h r o u g h t h e m a p o b j e c t s a n d t h e v i s u a l b a s i c 6 . 0 a s a n i n t e r f a c e d e v e l o p m e n t t o o l . t h e a i r e n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o n s y s t e m i s b u i l t , w h i c h h e l p s t h e m a n a g e m e n t o f t h e a i r q u a l i ty . d u ri n g t h e d e s i g n i n g o f t h e s y s t e m , m e t a d a t a i s a p p l i e d i n t h e a i r e n v i r o n m e n t a l i n f o r m a t i o n s y s t e m . b a s e d o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e i n t e g r a t io n o f g i s a n d t h e a i r m o d e l s , t h e m o d e l m e t a d a t a i s a p p l i e d i n t h e s y s t e m . t h e a p p l i c a t i o n o f t h e m e t a d a t a w i l l h e l p t h e u s e r s t o u n d e r s t a n d t h e d a t a a n d t h e m o d e l s , w h i c h a r e u s e d i n t h e s y s t e m , f u r t h e r . me a n w h i l e , t h e a i r e n v i r o n m e n ta l i n f o r m a t i o n s y s t e m w i l l b e i n h e r i t e d m u c h b e tt e r . k e y wo r d s : a i r m o d e l s ,i n f o r m a t i o n s y s t e m , i n t e g r a t i o n , m e t a d a t a . 上海 师范大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . ，研究意义 当前， 大气环境污染问 题已经成为我国政府和社会所面临的严峻问题。 随着 我国经济的快速增长以及人民生活水平的提高，能源需求量不断上升。自 1 9 8 0 年以 来， 中国 原 煤消耗量已 增加了 两倍以 上， 2 0 0 2 年原 煤消 耗量已 达1 4 . 8 亿吨o l 以煤炭、 生物能、 石油产品为主的能源消耗是大气中颗粒物的主要来源。 大气中 细颗粒物 ( p m , o ) 和超细颗粒 物 ( p m 2 .s ) 对人体健 康最为 有害 2 - 1 1 1 。 它 们主要来 自 燃料的燃烧以及工业生产和交通运输过程中排放的烟尘。 大气中的二氧化硫和 氮氧化物也大多来自 这些排放源。 近几年来， 我国主要大城市机动车的数量大幅度增长， 机动车尾气已成为城 市大气污染的一个重要来源， 这与机动车数量的急剧增长密切相关。 有关研究结 果表明 12 - 1 8 1 ， 北京、 上海等大城市机动车排放的污染物已占 大气污染负荷的6 0 % 以上， 其中， 排放的一氧化碳对大气污染的分担率达到8 0 %, 氮氧化物达到4 0 %, 这表明我国 特大城市的大气污染正由 第一代煤烟型污染向 第二代汽车型污染转 变。 因此， 迅速开展大气污染状况及其影响的分析和优化控制研究， 己经是摆在 科学工作者面前的紧迫任务。 为了保护大气环境， 我国许多城市开展了大气污染 的综合整治和总量控制规划等方面的研究工作。 如2 0 世纪8 0 年代以 来， 上海市 分别开展了有关二氧化硫和大气颗粒物污染及其排放总量控制的多个大型课题 的 研究。 针对大气污染现状和污染源发展趋势， 根据城市各部分对大气环境质量 的要求， 分析各种形式的防治措施和设施的可行性和现实性， 进行技术经济分析 和模式计算， 提出优化的污染源控制方案， 对城市规划的决策、 环保部门的管理 和企事业单位落实环保措施等工作都起了很好的作用。但是以往这些环境规划， 存在着共同的缺陷是研究的主要成果都是以 静态的研究报告， 查阅方案、 表格等 形式出现， 使用的时候很不方便。 再者， 我国现在处于经济高速发展的阶段， 城 市规划经常会出现更新的情况， 污染源也处于不断的变化中，因此， 这些报告便 很快失去时效性。 虽然监测数据、 污染源数据和优化削减方案数据是应用数据库 上海 师范大学硕士学位论文 第一章 绪论 1 . ，研究意义 当前， 大气环境污染问 题已经成为我国政府和社会所面临的严峻问题。 随着 我国经济的快速增长以及人民生活水平的提高，能源需求量不断上升。自 1 9 8 0 年以 来， 中国 原 煤消耗量已 增加了 两倍以 上， 2 0 0 2 年原 煤消 耗量已 达1 4 . 8 亿吨o l 以煤炭、 生物能、 石油产品为主的能源消耗是大气中颗粒物的主要来源。 大气中 细颗粒物 ( p m , o ) 和超细颗粒 物 ( p m 2 .s ) 对人体健 康最为 有害 2 - 1 1 1 。 它 们主要来 自 燃料的燃烧以及工业生产和交通运输过程中排放的烟尘。 大气中的二氧化硫和 氮氧化物也大多来自 这些排放源。 近几年来， 我国主要大城市机动车的数量大幅度增长， 机动车尾气已成为城 市大气污染的一个重要来源， 这与机动车数量的急剧增长密切相关。 有关研究结 果表明 12 - 1 8 1 ， 北京、 上海等大城市机动车排放的污染物已占 大气污染负荷的6 0 % 以上， 其中， 排放的一氧化碳对大气污染的分担率达到8 0 %, 氮氧化物达到4 0 %, 这表明我国 特大城市的大气污染正由 第一代煤烟型污染向 第二代汽车型污染转 变。 因此， 迅速开展大气污染状况及其影响的分析和优化控制研究， 己经是摆在 科学工作者面前的紧迫任务。 为了保护大气环境， 我国许多城市开展了大气污染 的综合整治和总量控制规划等方面的研究工作。 如2 0 世纪8 0 年代以 来， 上海市 分别开展了有关二氧化硫和大气颗粒物污染及其排放总量控制的多个大型课题 的 研究。 针对大气污染现状和污染源发展趋势， 根据城市各部分对大气环境质量 的要求， 分析各种形式的防治措施和设施的可行性和现实性， 进行技术经济分析 和模式计算， 提出优化的污染源控制方案， 对城市规划的决策、 环保部门的管理 和企事业单位落实环保措施等工作都起了很好的作用。但是以往这些环境规划， 存在着共同的缺陷是研究的主要成果都是以 静态的研究报告， 查阅方案、 表格等 形式出现， 使用的时候很不方便。 再者， 我国现在处于经济高速发展的阶段， 城 市规划经常会出现更新的情况， 污染源也处于不断的变化中，因此， 这些报告便 很快失去时效性。 虽然监测数据、 污染源数据和优化削减方案数据是应用数据库 上海师范大学硕士学位论文 软件存储的， 可以更新， 但是， 这些数据库往往都是相互独立的， 污染源数据库 的 更新并不能说明对大气环境发生的可熊影响。 而且， 环境污染问 题和地理位置 也密切相关， 单纯的数据库己不能适应环保管理工作的需要， 传统的分析手段也 己经无法胜任环境管理的新需求， 因此引入新的技术和方法， 显得非常迫切而必 要。 地理信息系统( g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n s y s t e m , g i s) 是一种兼容 存储、 管理、 分析、 显示和应用地理信息的计算机系统。 它是集计算机、 地理学、 测绘遥感学、 环境科学、 城市科学、 空间科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。 世界上8 0 % 的信息和地理因素相关， 而这些信息被应用于许多领域， 渗透到社会和经济的各 个方面。 g i s 作为多学科交叉的产物， 可以为现代大气环境研究提供有效的理论方法 和技术支持， 在大气环境研究中， g i s 可以 将不同 来源、 不同 类型的数据进行综 合， 从而为不同地区的大气环境科研工作者和决策者提供多种形式的数据或多媒 体数据与信息支持。 g i s 可以对大气环境信息进行提炼与升华、加工和再生，以 获得某一大气环境问 题解决的目的、 计划和策略。 现代大气环境研究的发展要求 需要g i s 的支持，而g i s 为大气环境研究提供了 有力的 技术保障。 1 . 2 g i s 在大气环境研究中的应用 随着大气环境研究以及g i s 技术的发展， g i s 应用于大气环境的研究也越来 越为受到重视，目 前g i s 在大气环境研究中的应用主要集中在以下几个方面: 1 .大气环境信息采集 数据是信息的载体，大气环境信息获取技术的目 的是获取相对于认识主体 ( 人类) ，表征不同层次、不同类型的大气环境系统之间以及大气环境系统各要 素的 特征 和关 系的 数 据。 g i s , r s ( r e m o t e s e n s e ) . g p s ( g l o b a l p o s i t i o n s y s te m ) 三者的有机集成为获取区域尺度的大气环境信息奠定了 基础【 1 9 1 2 .大气环境数据管理 随着大气环境研究的时空尺度越来越大， 人们可采集的大气环境数据日 趋海 量化。同时， 要完成大尺度的、长期的大气环境研究项目 不仅需要多学科之间的 协同合作， 更需要以高质量的大气环境数据共享为研究基础。 大气环境数据的管 理也日 趋重要， 它是进行大气环境质量模拟与分析的保证。 g i s 中的数据库技术 上海师范大学硕士学位论文 软件存储的， 可以更新， 但是， 这些数据库往往都是相互独立的， 污染源数据库 的 更新并不能说明对大气环境发生的可熊影响。 而且， 环境污染问 题和地理位置 也密切相关， 单纯的数据库己不能适应环保管理工作的需要， 传统的分析手段也 己经无法胜任环境管理的新需求， 因此引入新的技术和方法， 显得非常迫切而必 要。 地理信息系统( g e o g r a p h y i n f o r m a t i o n s y s t e m , g i s) 是一种兼容 存储、 管理、 分析、 显示和应用地理信息的计算机系统。 它是集计算机、 地理学、 测绘遥感学、 环境科学、 城市科学、 空间科学和管理科学为一体的新兴边缘学科。 世界上8 0 % 的信息和地理因素相关， 而这些信息被应用于许多领域， 渗透到社会和经济的各 个方面。 g i s 作为多学科交叉的产物， 可以为现代大气环境研究提供有效的理论方法 和技术支持， 在大气环境研究中， g i s 可以 将不同 来源、 不同 类型的数据进行综 合， 从而为不同地区的大气环境科研工作者和决策者提供多种形式的数据或多媒 体数据与信息支持。 g i s 可以对大气环境信息进行提炼与升华、加工和再生，以 获得某一大气环境问 题解决的目的、 计划和策略。 现代大气环境研究的发展要求 需要g i s 的支持，而g i s 为大气环境研究提供了 有力的 技术保障。 1 . 2 g i s 在大气环境研究中的应用 随着大气环境研究以及g i s 技术的发展， g i s 应用于大气环境的研究也越来 越为受到重视，目 前g i s 在大气环境研究中的应用主要集中在以下几个方面: 1 .大气环境信息采集 数据是信息的载体，大气环境信息获取技术的目 的是获取相对于认识主体 ( 人类) ，表征不同层次、不同类型的大气环境系统之间以及大气环境系统各要 素的 特征 和关 系的 数 据。 g i s , r s ( r e m o t e s e n s e ) . g p s ( g l o b a l p o s i t i o n s y s te m ) 三者的有机集成为获取区域尺度的大气环境信息奠定了 基础【 1 9 1 2 .大气环境数据管理 随着大气环境研究的时空尺度越来越大， 人们可采集的大气环境数据日 趋海 量化。同时， 要完成大尺度的、长期的大气环境研究项目 不仅需要多学科之间的 协同合作， 更需要以高质量的大气环境数据共享为研究基础。 大气环境数据的管 理也日 趋重要， 它是进行大气环境质量模拟与分析的保证。 g i s 中的数据库技术 上海师范大学硕士学位论文 是大气环境数据管理技术的 基础。 g i s 应用于大气环境数据的管理(2 0 -2 1 包括数据 的采集、维护、操作、分析、存储、转换、输出等。 3 .大气环境质量模拟与分析 基于 g i s技术的大气环境质量模拟与分析是对大气环境数据较为深层次的 处理，是 g i s应用于大气环境研究最为重要的组成部分。它是以 g i s技术以及 其它信息技术为基础， 对大气环境信息进行加工、 再生来获得某一大气环境问题 解决的目 的、计划和策略的信息12 2 1 。 模型和模拟技术的 应用为大气环境质量的 模拟以及对未来的预测提供了有效方法。应用 g i s技术对大气环境进行基于模 型的分析方法已 成为大气环境研究的热点 12 3 -2 7 1 4 .区域大气环境整治 r s 与g p s 不仅可以 提供区域大气环境状况的定位数据， 还可以实 现多源、 多时相大气环境信息的图形、图像显示。 g i s 对空间数据的综合处理能力， 可以 将r s 与g p s 获取的数据从定量、 动态和机制等方面进行综合集成， 为解决具体 问 题提供有力的技术支持。 借助 g i s建立区域大气环境的时空变化模型， 具有 实时、 空间表达详尽等特点。同时通过遥感观测， 对遥感图像的分析， 可以了解 过去若干年内该区域生态环境的变化过程， 并将其与驱动因子联系起来， 为区域 大 气环 境 治 理 提供 科学 的 依 据【2 8 1 5 . 大气环境动态监测 随着经济的发展和人口的增加， 大气环境污染问题日 益突出， 迫切需要能大 范围、实时监测大气环境质量，并有效的管理和迅速的处理这些信息12 9 1 . g p s 和 g i s的结合可构成大气环境实时数据采集与分析的 系统。 大气环境实时数据 采集系统由各种传感器与 g p s接收机组成。传感器采集到的数据经处理后记录 在文件中，并与 g p s 测定的坐标数据一起输入到g i s 数据库中，然后利用g i s 对大气环境质量进行分析以及对大气环境动态变化进行预测。 6 ， 大气环境管理与规划 3 s技术十分适合大气环境信息的获取与管理，利用r s 和g p s可以实时动 态的 对大 气 环境 要素 进 行 监测， 获 取 大 气 环境 信 息 13 . 1 。 利用g i s的 输 入 功能， 将获取的信息输入到 g i s的数据库中，利用 g i s的各种功能，可以对大气环境 信息进行编辑， 以及维护复杂对象的图形和属性信息的对应关系， 管理海量的大 上海师范大学硕士学位论文 气环境信息， 并且快速向 用户提供各种大气环境信息， 对大气环境信息进行可视 化操作。利用 g i s的专业模型应用功能，进行大气还预测、评价、规划、模拟 和 决 策 等 3 1-3 3 1 1 . 3 国内外研究现状 世界上发达国家非常重视信息产业的发展， 同时也非常重视对环境信息产业 的发展。 大气环境信息系统的研究开始于二十世纪7 0 -8 0 年代，经过二十多年 的发展，大气污染分析、预报及质量评价己成为大气监测网络的主要任务之一。 在美国、 德国、 英国、 荷兰等发达国 家， 己 采用先进的大气实时动态监测系统开 展大气质量监测工作， 进行大气污染识别和预报分析， 为当地政府对可能出现的 大气污染事故实现采取措施提供依据。 在西欧许多国土相连的国家， 采取跨国联 合，用国际网络的形式分析、预报大气污染也已 起步，并日 渐扩大和完善3 4 1 美国、 日 本及西欧一些国家对大气污染己 经有了 针对本国具体城市大气污染的评 价和预测软件， 尽管其中 对应用到的一些资料， 以及数学模拟的 手段并不尽相同， 但 是 其 发 展 趋势确 是 一 致的 (3 5 1 专业研究机构以 及大学等多 侧重于 g i s与环境科学相结合的理论性、前沿 性和专题性的开发和研究， 侧重于环境过程的分析和理解。 g i s 与大气环境质量 模 型结 合的 研 究在 各国 都 有一 定的 发 展。 j i a n d a i 3 6 1 利 用g i s 将 统 计模 型 和 大气 污 染 模 型 整 合 在 一 起 ， 得 到 面 源 污 染 排 放 物 在 空 间 上 的 浓 度 分 布 。 m a r q u e z 3 71 以 g i s作为数据库，提出了 考虑土地利用、交通运输等因素的城市空气质量模 式，并考虑了点、线、面等多种形式的 污染源， 对空气质量的影响作出评价。 j e n s e n p 8 1 介绍了 丹麦 政 府部门 用于进行城市大气环 境质量管 理的 大气环境信息 系统，系统以g i s 为 平台， 集成了o s p m ( o p e r a t i o n a l s t r e e t p o l l u t i o n m o d e l s ) 模 型， 可以 对当 地的 大 气 环 境 污 染 水 平 作出 评 估。 w o l f g a n g 3 9 1 以g i s为 平台 ， 通 过对奥地利污染源排放清单模拟计算出来的氮氧化物的污染物浓度分布和通过 监测数据计算得出的污染物浓度分布进行比较，两者具有较好的拟合性。c a m a s 14 0 1 以g i s为平台， 建立了 香港地区的 大气污染物排放清单系统， 并结合气象因 素， 利用大气污染物的 化学传输模型对该地区二氧化碳( c 0 2 ) . 氮氧化物( n o x ) 等大气污染物浓度的空间分布做出了模拟，其结果与实测数据很接近。 这些信息系统集成多种环境信息， 可以运用多种环境模型对系统收集和整理 上海师范大学硕士学位论文 气环境信息， 并且快速向 用户提供各种大气环境信息， 对大气环境信息进行可视 化操作。利用 g i s的专业模型应用功能，进行大气还预测、评价、规划、模拟 和 决 策 等 3 1-3 3 1 1 . 3 国内外研究现状 世界上发达国家非常重视信息产业的发展， 同时也非常重视对环境信息产业 的发展。 大气环境信息系统的研究开始于二十世纪7 0 -8 0 年代，经过二十多年 的发展，大气污染分析、预报及质量评价己成为大气监测网络的主要任务之一。 在美国、 德国、 英国、 荷兰等发达国 家， 己 采用先进的大气实时动态监测系统开 展大气质量监测工作， 进行大气污染识别和预报分析， 为当地政府对可能出现的 大气污染事故实现采取措施提供依据。 在西欧许多国土相连的国家， 采取跨国联 合，用国际网络的形式分析、预报大气污染也已 起步，并日 渐扩大和完善3 4 1 美国、 日 本及西欧一些国家对大气污染己 经有了 针对本国具体城市大气污染的评 价和预测软件， 尽管其中 对应用到的一些资料， 以及数学模拟的 手段并不尽相同， 但 是 其 发 展 趋势确 是 一 致的 (3 5 1 专业研究机构以 及大学等多 侧重于 g i s与环境科学相结合的理论性、前沿 性和专题性的开发和研究， 侧重于环境过程的分析和理解。 g i s 与大气环境质量 模 型结 合的 研 究在 各国 都 有一 定的 发 展。 j i a n d a i 3 6 1 利 用g i s 将 统 计模 型 和 大气 污 染 模 型 整 合 在 一 起 ， 得 到 面 源 污 染 排 放 物 在 空 间 上 的 浓 度 分 布 。 m a r q u e z 3 71 以 g i s作为数据库，提出了 考虑土地利用、交通运输等因素的城市空气质量模 式，并考虑了点、线、面等多种形式的 污染源， 对空气质量的影响作出评价。 j e n s e n p 8 1 介绍了 丹麦 政 府部门 用于进行城市大气环 境质量管 理的 大气环境信息 系统，系统以g i s 为 平台， 集成了o s p m ( o p e r a t i o n a l s t r e e t p o l l u t i o n m o d e l s ) 模 型， 可以 对当 地的 大 气 环 境 污 染 水 平 作出 评 估。 w o l f g a n g 3 9 1 以g i s为 平台 ， 通 过对奥地利污染源排放清单模拟计算出来的氮氧化物的污染物浓度分布和通过 监测数据计算得出的污染物浓度分布进行比较，两者具有较好的拟合性。c a m a s 14 0 1 以g i s为平台， 建立了 香港地区的 大气污染物排放清单系统， 并结合气象因 素， 利用大气污染物的 化学传输模型对该地区二氧化碳( c 0 2 ) . 氮氧化物( n o x ) 等大气污染物浓度的空间分布做出了模拟，其结果与实测数据很接近。 这些信息系统集成多种环境信息， 可以运用多种环境模型对系统收集和整理 上海师范大学硕士学位论文 过的环境信息进行分析和长期预测， 从而为环境决策与规划提供支持， 并在行政 管理、环境法规、 环境投资、环境预测等多个领域发挥重要作用。 近年来， 发达 国 家在系统应用的过程中 注意到了数据规范的重要性4 1 1 ， 着手研究环境信息系 统的标准与规范， 信息共享等方面的内容。 这也为我国信息系统的研制提供了新 的内容。 我国环境分析的信息化建设起步较晚， 但发展势头迅猛。 在这方面已进行的 研究和开发大致可分为三类:一是 “ 六 五一七 五” 规划期间有关环境和资源 信息系统的研究; 二是国家环保局为配合一系列管理制度的实施，由有关司、 处 组织开发和推广的环境管理应用软件; 三是各省、 地、 市自 行开发的适合本地环 境管理特点的地方环境管理信息系统。 目 前， 我国所开发的大气环境信息系统， 基本上还是以第一代大气质量模型 为主。 系统一般采用g i s 组件对象技术和第四代开发语言 ( v i s u a l b a s i c , v i s u a l c +, d e l p h i 等) ，开发g i s 与大气环境质量模型紧密结合的集成系统，实现 数据的集成管理、模型的二次开发、数据的查询分析，以及可视化输出等。 陈 波 洋 4 2 1建 立 了 北 京 市 西 城 区 大 气 污 染 物 排 放 总 量 控 制 管 理 信 息 系 统 。 该 系统采用地理信息系统技术， 以直观的方法组织、 分析和管理信息， 使总量控制 中的 属性信息与地域有机的结 合起来， 实现数据采集与编辑、 大气模拟和总量控 制的 功能。 陈爱忠4 s 】 开 发了g i s支持下的 深 圳市大 气 环境 质量管理与决 策 支持 系统。 该系统以a r c v i e w为开发平台， 全面采集最新的气象和污染源资料， 并首 次运用适用于深圳复杂地形的三维风场诊断模式和三维扩散模式， 实现深圳市大 气污 染气象信息分析和大气污染预 测评估。 赵碧云4 4 1 开发的 大气污染扩散空间 信息系统， 就采用v i s u a l b a s i c 语言， 将传统的高斯点源模型，以及改进的线源、 面源模型与 g i s集成，在大理经济开发区和昆明市得到了很好的应用。并且将 g i s 引入大气多 元扩散研究领域， 成功的 解决了g i s 与大气污染扩散数据的 连接 问 题，实现了大气污染扩散数据的计算机图 形可视化和计算机一次成图的功能。 并在此基础上开发了 一套带 g i s图形处理和分析功能的大气污染扩散软件包， 提高 计算 速 度及精度， 实 现了 在普通微 机上 线源污染 扩散的 计算问 题。 郑继东4 5 1 以 焦作市为例建立的大气环境信息系统， 可有效的处理大量空间数据， 在系统分 析大量空间信息的基础上， 建立了城区空气环境质量的动态模拟模型和空间分析 上海师范大学硕士学位论文 模 型， 实 现了 城市空 气 质 量预 测和动 态 模拟的 可 视化。 李 亿红 4 6 1建立的 成都 市 大气环境地理信息系统， 解决了大气污染源与其基本属性不能在地图上同时直观 的 显 示的问 题。 赵 伟4 7 1开 发 的c it y a ir l .0 城 市空 气 质量 管 理系 统 实 现了 数 据的 集 成管理、大气扩散模型的 计算，以 及结果分析评价等功能。 刘毓4 8 1 开发的城市 大气环境预测系统采用面向对象的设计，在延安市使用，运行效果良 好。 随着城市机动车数量的快速增长， 机动车污染已经成为城市大气污染的一个 非常重要的来源， 进行街区机动车污染排放量的预测和排放模拟， 对了解城市街 区 环 境污染状况有重 要价 值4 9 - 5 0 所以 在对机动车污染的 信息系 统 研究方 面， 国 内外都已 经开展了这方面的工作。 j e n s e n 5 综合运用g i s 和o s p m模型，以 某个城市为 例， 通过政府部门 得 到的污染源数据， 对道路大气污染状况进行模拟， 以 此来评估机动车尾气污染对 人 体 健 康 的 影 响 。 m e a s u r e s z ( m o b i l e e m i s s io n a s s e s s m e n t s y s t e m f o r u r b a n a n d r e g io n a l e v a lu a t io n ) 系 统 是 一 个 基于g i s 平台 ， 并 且 集成了 光 化学 反 应 模型， 来 模拟机动车尾气污染的浓度分布状况， 该系统主要用于评价机动车尾气污染削减 措 施的 有效 性。 t r a e m s 5 3 系统 是 一 个 基于g i s 的 环 境 模 型 系 统， 该 系统 主要 是交通规划部门用于评价道路交通影响。 规划人员可以 利用系统在评价道路运输 效能的 同 时， 评 价与 该 道路 相 关的 环 境 污 染 状 况。 m in - d e r , l in 5 4 】利 用g i s 集成 道路交通污染物扩散模型和相应的数据库， 实现对台春市道路交通污染物排放的 空间分布情况的模拟。 该系统不仅可以 对当前的道路交通污染状况作出模拟， 还 可以 对特殊交通状况下和管理政策改变的 情况下， 对机动车排放污染物的浓度空 间 分 布进 行模拟。 吴 烨5 5 1 对 澳门 半岛 机 动车 排放 污染 物的 浓 度空间 分 布 研究， 以 g i s为平台，对澳门半岛 机动车污染进行定量化研究，为该地区机动车污染 物 排 放 控 制 和大 气 环 境 质量的 管 理 提 供 依 据。 候 继 雄 5 6 1将c a r 模 式的 模 拟 计 算 和g i s 集成在一起，通过v i s u a l b a s i c 进行开发，实现了对街区街道大气污染状 况的模拟和显示。 但由于机动车污染的模型较为复杂， 再加上统计数据的缺乏以 及监测数据的不足，所以 在这方面的开发并不是很多。 总之，世界范围内 g i s的研究方兴未艾，而对于其在大气环境领域应用中 的研究也将变得更加广泛和深入，将大气环境质量模型和 g i s有机的结合，将 是一项有发展和应用前景的技术。 卜 海师范大学硕士学位论文 1 .4 本文研究内容 本文以g i s为基础， 将大气环境质量模型与地理信息系统相结合， 用于研究 城市区域大气环境污染状况。本文主要进行了以下几个方面进行研究: l ， 对大气环境质量模型进行了分析， 从大气环境质量模型的分类、 模型的发 展状况以及模型的特点进行分析，并且对几种常用的大气扩散模式进行了比较， 为大气环境质量模型和g i s的结合，以 及大气环境信息系统的建模提供了基础。 z . 通过对模型在大气环境质量模拟过程中使用的数据分析， 以及对g i s 数据 结构、 特点等理论基础知识的分析， 提出了大气环境信息系统的设计理论与方法， 为以 后大气环境信息系统研究开发提供尽可能完善的理论基础与技术条件。 3 ， 在系统设计的过程中，引入了元数据的 概念， 并对地理空间元数据的作 用、 组织、 管理等作了详细的分析， 同时针对基于整合了大气环境质量模型的大 气环境信息系统的特点， 引入模型元数据的概念， 并且对数据元数据和模型元数 据进行了设计。 元数据的运用， 可以使用户对系统中用到的数据以及系统集成的 模型有一个更加全面透彻的了 解， 同时可以 使系统具有更好的继承性， 并且可以 帮助实现数据的共享性。 4 系统采用集成二次开发模式，以 v i s u a l b a s i c 6 .0 为开发工具，并且采用 m a p o b j e c t s 组件 技术， 继 承了 成熟 地理 信息 系统 平台的 大部分功能 如地理 信息 管理、数据查询分析、空间查询分析等) ，开发基于点源模型的城市大气环境信 息系统，为城市区域大气污染状况分析提供了强有力的工具。 卜 海师范大学硕士学位论文 第二章 大气环境质量模型的简介 2 . 1 大气环境质量模型的分类 模型是指用一定的方式对现实世界的事物、现象、过程和系统的简化描述。 特别是对客观事物中一些要研究的特征、 状态、 结构或者属性及其变化规律的抽 象和模拟。 模型通常有四种表现形式: 第一种是物理模型， 它是对原系统进行比 例处理的实物模型或者根据一定规律进行的比拟和推演; 第二种是数学模型， 它 是以 数学为工具， 建立各种公式和方程来模拟客观事物的模型; 第三种是结构模 型， 它主要是反映事物内 部结构特点和因果关系的模型， 常见的比如描述事物关 系的关系图， 程序设计中的流程图; 第四种是仿真模型， 它是通过计算机， 根据 建立的数学公式进行运算来模拟、 预测客观世界的模型， 它与数学模型紧密相连。 我们所说的应用分析模型特指第四种模型中具有地理空间特征的模型， 特别 是有明显的模拟过程的机理过程模型， 比如潮汐、 污染物扩散、 流域模拟等模型。 应用分析模型一般是现实世界某一方面的抽象或模拟， 由同模拟对象有关的因素 所构成， 体现了这些因素之间的联系. 大气环境质量模型就是属于应用模型中的 种。 迄今为止， 己 经建立了适用于不同尺度和不同类型污染源的各种大气扩散模 式， 这些模型对各种污染物的迁移、 输送、 转化等有较为准确的描述， 并且具有 明显的时间和空间分布特性。 按照污染源扩散的状态， 代表性扩散模型有烟流模 型、 烟团模型和箱式模型; 按照污染源的特点， 可分为点源扩散模型、 线源扩散 模型、 面源扩散模型和体源扩散模型; 根据不同的气象条件， 有封闭型扩散模式、 熏烟型扩散模式、 微风下的扩散模式等; 按照预测的时间尺度有短期浓度预测模 式和长期平均浓度计算模式。 2 . 2大气环境质量模型的发展 模型是了解区域环境质量、 分析污染物扩散的有力工具。 从城市大气环境质 量 模型的 发展过 程来看，已 经 发展了 三代模型 【5 7 -5 9 第一代大气环境质量模型最早产生于上世纪6 0 年代， 上世纪7 0 年代之后逐 卜 海师范大学硕士学位论文 第二章 大气环境质量模型的简介 2 . 1 大气环境质量模型的分类 模型是指用一定的方式对现实世界的事物、现象、过程和系统的简化描述。 特别是对客观事物中一些要研究的特征、 状态、 结构或者属性及其变化规律的抽 象和模拟。 模型通常有四种表现形式: 第一种是物理模型， 它是对原系统进行比 例处理的实物模型或者根据一定规律进行的比拟和推演; 第二种是数学模型， 它 是以 数学为工具， 建立各种公式和方程来模拟客观事物的模型; 第三种是结构模 型， 它主要是反映事物内 部结构特点和因果关系的模型， 常见的比如描述事物关 系的关系图， 程序设计中的流程图; 第四种是仿真模型， 它是通过计算机， 根据 建立的数学公式进行运算来模拟、 预测客观世界的模型， 它与数学模型紧密相连。 我们所说的应用分析模型特指第四种模型中具有地理空间特征的模型， 特别 是有明显的模拟过程的机理过程模型， 比如潮汐、 污染物扩散、 流域模拟等模型。 应用分析模型一般是现实世界某一方面的抽象或模拟， 由同模拟对象有关的因素 所构成， 体现了这些因素之间的联系. 大气环境质量模型就是属于应用模型中的 种。 迄今为止， 己 经建立了适用于不同尺度和不同类型污染源的各种大气扩散模 式， 这些模型对各种污染物的迁移、 输送、 转化等有较为准确的描述， 并且具有 明显的时间和空间分布特性。 按照污染源扩散的状态， 代表性扩散模型有烟流模 型、 烟团模型和箱式模型; 按照污染源的特点， 可分为点源扩散模型、 线源扩散 模型、 面源扩散模型和体源扩散模型; 根据不同的气象条件， 有封闭型扩散模式、 熏烟型扩散模式、 微风下的扩散模式等; 按照预测的时间尺度有短期浓度预测模 式和长期平均浓度计算模式。 2 . 2大气环境质量模型的发展 模型是了解区域环境质量、 分析污染物扩散的有力工具。 从城市大气环境质 量 模型的 发展过 程来看，已 经 发展了 三代模型 【5 7 -5 9 第一代大气环境质量模型最早产生于上世纪6 0 年代， 上世纪7 0 年代之后逐 上海 师范大学硕士学位论文 步发展了多种大气质量模型。这些模型多采用 g a u s s i a n烟羽方程，一般可通过 明确的解析解给出局地尺度的、 单种化学物质在对流层内的空气质量预测， 至今 仍得到广泛的 应用 6 0 -6 1 1 。 但随着应用的深入和研究领域的不断拓展， 人们注意到 第一代大气扩散模式存在一些问题， 使得该类模型在某些地区， 尤其是城市区域 的实际应用有较大的限制。 第二代模型涵盖了不同范围 ( 从局地、 城市到区域) 和多种污染物， 但通常 每个不同的 污染物或是不同的范围都有各自 独立的 模型。 运用最为成功的第二代 城市大气质量模型是美国e p a的u a m ( u r b a n a i r s h e d m o d e l ) 模型16 2 1 。 它采用 气象、 大气质量、 地形以及污染数据为参数， 能模拟物质在网格间水平和垂直方 向的 输送过程。目 前， 它己 发展为一个用于城市尺度的 三维数值模型， 既可以计 算惰性物质的浓度分布， 也可以模拟和计算具有化学反应物质的浓度分布。 目前 该模型已 在多个国家和地区得到应用。 从世界范围来看， 当前的城市大气质量模型已发展到第三代。 这类模型既可 在洲级规模上同时顾及多种污染物， 另外也考虑了化学元素、 气象要素间的相互 关系， 其代表模型为美国e p a的mo d e l - 3 . mo d e l - 3 是一个灵活的软件设计系统， 用于简化环境评价和决策支持的开发和使用， 其应用包括了 从常规应用、 政策分 析到了解大气中物理和化学物质的相互反应等相当广泛的领域，它主要包含 3 个子系统:气象、扩散、化学传输，另外还有一个可视化的分析系统。 未来的第四代模型将扩展大气、 水体、 陆地以及生化作用的相互关联合和反 馈机制，以 模拟化学物质和营养物质在整个生态系统中的传输和结果。 与传统的 模型不同， 这类模型可被用于建立完整的决策支持系统 ( d e c i s i o n s u p p o rt s y s t e m, d s s ) . 2 . 3大气环境质量模型的特点 大气环境质量模型发展到现在， 已经经历了很长的一段时间， 尽管它们具有 不同的表达方式，但是它们都具有以下几个特点: 1 . 空间性 大气环境质量模型所描述的现象或过程与空间位置、分布和差异有密切关 系。 大气环境质量模型不是单纯的数值计算模型， 有时还包括空间关系的分析等， 这些都具有明显的地理空间特征，所以模型具有空间性。 上海 师范大学硕士学位论文 步发展了多种大气质量模型。这些模型多采用 g a u s s i a n烟羽方程，一般可通过 明确的解析解给出局地尺度的、 单种化学物质在对流层内的空气质量预测， 至今 仍得到广泛的 应用 6 0 -6 1 1 。 但随着应用的深入和研究领域的不断拓展， 人们注意到 第一代大气扩散模式存在一些问题， 使得该类模型在某些地区， 尤其是城市区域 的实际应用有较大的限制。 第二代模型涵盖了不同范围 ( 从局地、 城市到区域) 和多种污染物， 但通常 每个不同的 污染物或是不同的范围都有各自 独立的 模型。 运用最为成功的第二代 城市大气质量模型是美国e p a的u a m ( u r b a n a i r s h e d m o d e l ) 模型16 2 1 。 它采用 气象、 大气质量、 地形以及污染数据为参数， 能模拟物质在网格间水平和垂直方 向的 输送过程。目 前， 它己 发展为一个用于城市尺度的 三维数值模型， 既可以计 算惰性物质的浓度分布， 也可以模拟和计算具有化学反应物质的浓度分布。 目前 该模型已 在多个国家和地区得到应用。 从世界范围来看， 当前的城市大气质量模型已发展到第三代。 这类模型既可 在洲级规模上同时顾及多种污染物， 另外也考虑了化学元素、 气象要素间的相互 关系， 其代表模型为美国e p a的mo d e l - 3 . mo d e l - 3 是一个灵活的软件设计系统， 用于简化环境评价和决策支持的开发和使用， 其应用包括了 从常规应用、 政策分 析到了解大气中物理和化学物质的相互反应等相当广泛的领域，它主要包含 3 个子系统:气象、扩散、化学传输，另外还有一个可视化的分析系统。 未来的第四代模型将扩展大气、 水体、 陆地以及生化作用的相互关联合和反 馈机制，以 模拟化学物质和营养物质在整个生态系统中的传输和结果。 与传统的 模型不同， 这类模型可被用于建立完整的决策支持系统 ( d e c i s i o n s u p p o rt s y s t e m, d s s ) . 2 . 3大气环境质量模型的特点 大气环境质量模型发展到现在， 已经经历了很长的一段时间， 尽管它们具有 不同的表达方式，但是它们都具有以下几个特点: 1 . 空间性 大气环境质量模型所描述的现象或过程与空间位置、分布和差异有密切关 系。 大气环境质量模型不是单纯的数值计算模型， 有时还包括空间关系的分析等， 这些都具有明显的地理空间特征，所以模型具有空间性。 上海师范大学硕士学位论文 2 . 动态性 大气环境质量模型一般是时空结合的模型， 所