（环境工程专业论文）基于aermod的氮氧化物日变化特征的模拟试验研究.pdf

摘要 摘要 氮氧化物( n o x ) 是引起城市空气污染的主要污染物之一，其带来的环境危害 是多方面的，如加剧臭氧层的损耗和温室效应，产生酸沉降( 包括湿沉降和干 沉降) 、地面臭氧和城市热岛效应等。由于化石燃料的大量燃烧，我国许多大中 城市已经面临严重的氮氧化物污染问题，很大程度上制约了社会和经济的发展。 氮氧化物进入到大气中随着空气的流动而扩散，影响其扩散的因素有很多， 其中污染源的排放形式及污染物浓度和区域的气象特征及地理状况是影响较大 的因素。用科学的方法确定影响某一地区氮氧化物扩散浓度的主要因素是控制 和防治氮氧化物污染的重要理论基础和前提，对经济发展、社会进步和人类健 康都具有重要意义。 本文正是基于a e r m o d 大气扩散预测模型对影响氮氧化物扩散的主要因 素进行模拟分析。并且以天津市区为研究背景，将经过某双向通车十字路口的 机动车排放尾气作为氮氧化物来源，利用a e r m o d 模型来模拟其扩散浓度。研 究中使用的气象数据来源于天津市气象局2 0 1 0 年7 月1 日1 0 日和2 0 1 1 年1 月 1 日1 0 日的每日观测资料。为确定影响氮氧化物扩散的主导因素是气象条件还 是源项条件，采用了参数控制的手段，建立三种模拟方案，分别是：气象条 件稳定不变，排放源的排污状况可变；气象条件可变，排放源的排污状况不 变；气象条件和排放源的排污状况均改变。将处理后的原始气象数据输入到 a e r m o d 模型运行所需要的地面气象数据文件和探空廓线数据文件中，将排放 源数据输入到a e r m o d 控制流文件中，按照设定的三种模拟方案分别运行程 序。 根据模拟后输出的数据，取三个污染物浓度变化明显的点，在e x c e l 表格 中将这三个点上每小时氮氧化物浓度的模拟数据列出，做成折线图，并据此分 析影响n o x 扩散的主要因素。分别对比同一位置不同模拟方案、同一位置同一 方案不同日期以及不同方案情况下在同一位置连续五天的氮氧化物浓度变化折 线图，证明气象因素是影响天津市区氮氧化物浓度扩散的主要因素。讨论第三 种方案下氮氧化物浓度与研究时段内平均风速、平均温度和大气稳定度的的相 关性，证明当风速大于2 m s 的时候，对污染物扩散有帮助，而在静风和小风( 摘要 1 0 m s ) 情况下，对污染物的扩散不利；空气温度与大气污染物的扩散浓度有较 好的负相关关系，逆温现象的出现不利于污染物扩散；大气稳定度与污染物浓 度同样呈负相关，且白天大气层结比夜间弱，夏季大气层结比冬天弱，均有利 于污染物扩散。 关键词：a e r m o d 大气扩散模式氮氧化物气象因素 n a b s t r a c t a b s t r a c t n i t r o g e no x i d ei so n eo ft h em a j o rp o l l u t a n tw h i c hc a u s e su r b a na i rp o l l u t i o n t h ee n v i r o n m e n t a lh a z a r dt h a ti tb r i n g si sv a r i o u s ，s u c ha sa g g r a v a t i n gt h ed e p l e t i o n o ft h eo z o n el a y e ra n dt h eg r e e n h o u s ee f f e c t ，l e a d i n gt oa c i dd e p o s i t i o n ( i n c l u d i n g w e td e p o s i t i o na n dd r yd e p o s i t i o n ) a n dg r o u n dl e v e lo z o n e ，u r b a nh e a ti s l a n de f f e c t , a n ds oo n d u et ot h ew i d e l yu s eo ft h ef o s s i lf u e l ，l o t so fl a r g ea n dm e d i u m - s i z e d c i t i e sa r ef a c i n gs e r i o u sn i t r o g e no x i d ep o l l u t i o np r o b l e m ，w h i c hr e t a r d ss o c i a la n d e c o n o m i cd e v e l o p m e n tt oag r e a te x t e n t a f t e rn i t r o g e no x i d e se n t e rt h ea t m o s p h e r e ，i td i f f u s e 谢廿la i r a m o n gm a n y f a c t o r st h a th a v ee f f e c to nt h ed i f f u s i o n , t h e r ea r es e v e r a li m p o r t a n to n e s ，i n c l u d i n g e m i s s i o nf o r m so ft h ep o l l u t i o ns o u r c e ，c o n c e n t r a t i o no ft h ep o l l u t a n t , w e a t h e r f e a t u r e sa n dt o p o g r a p h i cc o n d i t i o no ft h ea f f e c t e da r e a s a s c e r t a i n i n gt h em a i nr e a s o n t h a ti n f l u e n c et h es p r e a do ft h ec o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e no x i d e si nac e r t a i nr e g i o n t h r o u g hs c i e n t i f i cm e t h o di s a l li m p o r t a n tt h e o r e t i c a lb a s i sa n dp r e r e q u i s i t ef o r n i t r o g e no x i d e sp o l l u t i o nc o n t r o la n dp r e v e n t i o n a n di ti so fg r e a ti m p o r t a n c et o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，s o c i a lp r o g r e s sa n dh u m a nh e a l t h t h i sa r t i c l ei sb a s e do na e r m o da t m o s p h e r i cd i s p e r s i o np r e d i c t i o nm o d e l ， t h r o u g hw h i c ht os i m u l a t ea n da n a l y s i st h em a j o rf a c t o rt h a te f f e c t st h ed i f f u s i o no f n i t r o g e no x i d e s u r b a nd i s t r i c to ft i a n j i n i st h eb a c k g r o u n dt ot h i ss t u d y s o u r c e so f n i t r o g e no x i d ea r ee x h a u s te m i s s i o n sf r o mt h em o t o rv e h i c l ec r o s sat w o w a yt r a f f i c i n t e r s e c t i o n s i m u l a t en i t r o g e no x i d ed i f f u s i o nc o n c e n t r a t i o nb ya e r m o dm o d e l m e t e o r o l o g i c a ld a t au s i n gi nt h es t u d ya r ep r o v i d e db yt i a n j i nm e t e o r o l o g i c a lb u r e a u t h ed a t aa r ed a i l yo b s e r v a t i o n sf r o mj u l y1 盘，2 010t oj u l y10 m ，2 010a n dj a n u a r y1 或， 2 0 11t oj a n u a r yl o 也2 0 11 t od e t e r m i n et h ed o m i n a t ef a c t o re f f e c t sd i f f u s i o no f n i t r o g e no x i d ei se i t h e rm e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o no rs o u r c et e r mc o n d i t i o n s ，t h e m e a n so fp a r a m e t e rc o n t r o li sa d o p t e d t h r e es i m u l a t i o np r o g r a m sa r e t h ef i r s t , m e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n sr e m a i ns t a b l e ，w h i l e d i s c h a r g ec o n d i t i o n so fe m i s s i o n s o u r c ea r ev a r i a b l e ；t h es e c o n d ， m e t e o r o l o g i c a lc o n d i t i o n s a r ev a i l a b l e ，w h i l e i i i a b s t r a c t d i s c h a r g ec o n d i t i o n so fe m i s s i o ns o u r c er e m a i ns t a b l e ；t h et h i r d ，b o t hm e t e o r o l o g i c a l c o n d i t i o n sa n dd i s c h a r g ec o n d i t i o n so fe m i s s i o ns o u r c ea r ev a r i a b l e i n p u tp r o c e s s e d d a t ai m os u r f a c em e t e o r o l o g i c a ld a t af i l ea n ds o u n d i n gp r o f i l ed a t af i l ew h i c ha r e i m p e r a t i v et or u n n i n ga e r m o dm o d e l ，a n di n p u ts o u r c ed a t ai n t ot h er u n s t r e a mf i l e o fa e r m o dm o d e l t h e nr u nt h ea e r m o dp r o g r a ma c c o r d i n gt ot h e s et h r e e e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o np r o g r a m s c h o o s et h r e e p o i n t s w h e r ep o l l u t i o nc o n c e n t r a t i o n c h a n g es i g n i f i c a n t l y a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no u t p u td a t a l i s tt h es i m u l a t e dc o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e n o x i d e sp e rh o u ra tt h e s et h r e ep o i n t si nt h ee x c e l t a b l e ，a n dm a k et h e ml i n ec h a r t s ， t h e na n a l y s i st h em a i nr e a s o nt h a te f f e c t st h ed i f f u s i o no f n i t r o g e no x i d e s c o m p a r e d c o n c e n t r a t i o no fn i t r o g e no x i d e sl i n ec h a r t si nt h r e ec a s e s ，w h i c h , r e s p e c t i v e l y , a r ea t t h es a m el o c a t i o ni nd i f f e r e n ts i m u l a t i o np r o g r a m s ，i nt h es a m ep r o g r a ma tt h es a m e l o c a t i o no i ld i f f e r e n td a t e s ，a n dc o n t i n u o u sf i v e - d a yc o n c e n t r a t i o n so fn i t r o g e n o x i d e sa lt h es a m el o c a t i o ni nt h es a m ep r o g r a m i ti sp r o v e dt h a tt h em a i nf a c t o r e f f e c t sd i f f u s i o no fn i t r o g e no x i d e sc o n c e n t r a t i o ni na a a n j i nu r b a na r e ai s m e t e o r o l o g i c a l f a e t o m d i s c u s st h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e n n i t r o g e n o x i d e s c o n c e n t r a t i o ni nt h en l i r dp r o g r a ma n da v e r a g ew i n ds p e e d ，a v e r a g et e m p e r a t u r ea n d a t m o s p h e r i cs t a b i l i t yd u r i n gt h es t u d yp e r i o d ，i ti sp r o v e dt h a tw h e nt h ew i n ds p e e d i s g r e a t e rt h a n2 r n s ，i tc a np r o m o t et h ed i f f u s i o no fn i t r o g e no x i d e s ，w h e nt h e r ei s c a l mw i n da n ds m a l lw i n d ( 1 o n v s ) ，i tg o e sa g a i n s tt h ed i f f u s i o no fn i t r o g e no x i d e s ； t h e r ei sg o o dn e g a t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e na i rt e m p e r a t u r ea n dt h es p r e a do ft h eo fa i r p o l l u t a n t sc o n c e n t r a t i o n ，a t m o s p h e r i ci n v e r s i o ni sn o tc o n d u c i v et o t h es p r e a do f p o l l u t a n t s ；a t m o s p h e r i cs t a b i l i t y a n dp o l l u t a n tc o n c e n t r a t i o na r ea l s on e g a t i v e l y c o r r e l a t e d ，a n dt h ea t m o s p h e r i cs t r a t i f i c a t i o ni sw e a k e ri nt h ed a yt h a na tt h en i g h t , i n s u m m e rt h a ni nw i n t e r , w h i c hi sh d p 如lt ot h es p r e a do f n i t r o g e no x i d e s k e yw o r d s ：a e r m o da t m o s p h e r i cd i s p e r s i o nm o d e l ，n i t r o g e no x i d e , m e t e o r o l o g i c a lf a c t o r w 第一章绪论 1 1 1 研究背景 第一章绪论 第一节研究背景及意义 中国城市化和工业化的快速发展与能源消耗的迅速增加，给中国城市带来 了许多严重的空气污染问题，不仅会对人类身体健康造成重大威胁，还会对城 市基础设施造成巨大损害，从而制约社会经济的正常发展。 随着交通运输的发展，特别是在大中城市中，由于机动车保有量的迅速增 加，机动车排放的污染物已成为城市大气污染的主要来源。氮氧化物( n o x ) 是机 动车尾气主要组成部分，以汽油、柴油为燃料的机动车，其尾气中氮氧化物的 浓度相当高。大气中的氮氧化物对人体健康有极大危害，会导致多种呼吸道疾 病。其在一定条件下易与环境中的其他物质发生一系列反应，生成多种二次污 染物，如硝酸根离子、臭氧和细小颗粒物等，进而导致包括酸沉降、富营养化、 近地面臭氧等在内的二次污染问题，严重时甚至会导致光化学烟雾污染事件的 发生，对人类生命构成威胁【l 】。 如何通过科学的方法估测某一地区大气污染物的影响范围及危害程度，从 而为污染物的控制和预防做出理论指导，将其危害降到最低，对经济发展、社 会进步和人类健康都具有重要意义。 但是，由于大气污染现场试验的高成本和实验的复杂性，使得大气污染物 扩散浓度成因的现场实验研究十分困难。现阶段我国研究人员常用的研究手段 是利用统计数据，按照区域和类别进行污染物扩散浓度计算，从而探讨污染源 排放的规律和特征，进而分析污染物浓度扩散浓度的成因。 1 1 2 研究意义 大气污染物进入大气后，将随空气的扩散而扩散。影响大气污染物扩散的 因素有很多，其中污染源的排放形式及污染物浓度和区域的气象特征及地理状 第一章绪论 况是影响较大的因素。如果我们能够确定某一地区的大气污染变化状况是随着 污染源排放的污染物浓度变化显著，还是随着该区域的气象条件变化显著，从 而确定该地区大气污染的特点，那么这样一方面可以为各级政府及有关部门制 定社会发展规划、计划和确定重大开发、建设项目提供有针对性的大气环境保 护方面的科学依据，另一方面也可为各级环保主管部f - i n 定大气环境污染防止 规划，制定各种环境保护法令、法规和管理办法提供科学依据。 本课题的研究目的就是利用a e r m o d 大气污染物浓度预测软件系统对影 响天津市氮氧化物浓度日变化特征的因素进行模拟分析，确定其主要影响因素， 进而为天津市大气环境质量控制和改善提供帮助。 第二节影响大气污染物浓度扩散的主要气象因素 从内因和外因两个方面来看，影响大气污染物浓度扩散的主要因素，一方 面为污染物的排放量以及与污染源之间的距离远近，另一方面为环境的气象条 件。在污染源参数一定的情况下，气象条件成为影响大气污染扩散的重要因素。 1 2 1 风向 风向决定着污染物在大气中的扩散方向，通常是在水平的作用下将大气污 染物不断向下风向输送。污染物在大气中的随风运动过程称为大气输运 ( a t m o s p h e r i ct r a n s p o r t ) t 2 1 。大气污染物在随风输运过程中因大气湍流的作用导致 在横向和垂直方向上不断加大与周围空气的混合范围，这一过程称为大气扩散 ( a t m o s p h e r i cd i f f u s i o n ) 。上述输运与扩散两个过程结合在一起就是大气弥散 ( a t m o s p h e r i cd i s p e r s i o n ) 过程。风向对污染的影响效果主要体现在风对污染物的 水平输送方面，较高的污染浓度通常出现在大污染源的下风向。 1 2 2 风速 风速的大小与大气对污染物的稀释扩散能力的大小之间存在着直接的对应 关系，因此风速变化会对污染物浓度的改变产生显著影响。一般情况下，随着 风速的增大，污染物的浓度值会迅速减小。但是在有些情况下也并非完全如此， 这是由于在风速较小的情况下，一方面减弱了大气的稀释扩散能力，导致局部 2 第一章绪论 地区污染物的浓度增加；但另一方面，热烟云的抬升高度在微风条件下增大， 从而又使得地面污染物浓度减小。在风速较大的情况下，固然一方面增强了大 气的稀释扩散能力，使得地面污染物浓度减小，但是另一方面，强风引起上升 烟云弯曲，使其抵达地面的所用时间缩短，而导致地面污染物浓度增加。同时 强风将使烟云在建筑物的背风一侧造成下洗，同样使地面污染物浓度增加，这 一效应通常被称为风速的次生效应。 1 2 3 大气湍流 在实际生活中随时可以感受到风速的时刻变化，沿主导风向上下左右无规 律摆动。大气的这种无规律运动就是湍流现象。湍流的流场中，各个特征量都 是时间和空间的随机变量，其统计平均值是有规律的。大气中不同尺度的湍流 运动几乎时时处处都存在着。在大气边界层内，下垫面的状况会对气流运动产 生强烈影响，加剧大气湍流运动，其输送速率在大气中较之分子扩散速率大了 几个数量级之多。同样，在污染物从排放源进入大气中以后，就造成了污染物 质不均匀的分布在流场中，形成浓度梯度。在湍流的扩散作用下，流场中各部 分之间发生剧烈的混合和交换过程，显著提高了污染物的扩散速度，污染物在 从高浓度区域向低浓度区域输送的过程中，逐渐被分散、稀释。而在风场运动 的主要风向上，由于平均风速远大于脉动风速，因此对污染物扩散起到主要影 响的因素在主导风向上风的输运作用，只要风速足够大，湍流在主导风向上的 输送作用就可以忽略不计。风速大小和湍流强度大小共同决定了污染物的稀释 扩散速率，其他气象因子也都是通过风和湍流的作用间接影响大气环境的【3 】。 1 2 4 温度 大气和地球表面的能量都来源于太阳。由于太阳辐射的波长较短，它的可 见光辐射直接对地表加热，从而对近地面大气温度的升高产生重大影响。而地 球表面的温度较低，对外界发出的辐射波波长较长，可以被低层大气中的水蒸 气和二氧化碳吸收，因此低层大气的热量变化直接受到地球表面热辐射的影响。 近地层的大气温度会随着地面温度和近地层与地面之间的距离的变化而时刻改 变，这种性质对大气逆温、山谷风、海陆风均产生重要影响，因此对大气污染 也有了直接的影响。 3 第一章绪论 大气温度随高度增加而升高的现象被称作气温逆转，简称逆温。大气中的 比周围温度高的气团会在大气中上升，由于逆温层内温度随着高度的增加而升 高，因此热气团在上升过程中逐渐受到阻碍，故逆温层又被称为阻挡层。由于 排放出来的大气污染物在上升过程中受到逆温层的阻挡，无法穿过逆温层扩散 到其以上，于是只能在逆温层下扩散，造成污染物浓度富集。 1 2 5 大气稳定度 大气稳定度是影响污染物在大气中扩散的极重要因素。在大气层结不稳定， 热力湍流发展旺盛，对流强烈的情况下，污染物易扩散，不易形成严重污染。 但是在全层稳定时，湍流受到抑制，污染不易扩散到远处，有可能长时间聚集 在地面造成污染。特别是当逆温层出现时，通常风力弱或者无风，使得低空像 蒙上了一个“盖子 ，烟尘聚集地表，造成严重污染。大气稳定度分为强不稳定， 不稳定，弱不稳定，中性，较稳定和稳定六级。它们分别以a ，b ，c ，d ，e ， f 表示。 现在常采用帕斯奎尔大气稳定度分类方法( p a s q u i l l g i f f o r d - t u m e r , p g t ) 划 分大气稳定度。首先，根据释放源所在地的经度和纬度以及污染产生的日期和 时间，计算当时的太阳高度角h ；然后由太阳高度角h 0 和云量结合起来查出相 应的太阳辐射等级；最后根据地面风速确定当时的大气稳定度。具体分类方法 如表1 1 1 4 j 所示。 表1 1 帕斯奎尔大气稳定度分类表 1 0 m 高处风速白天日射强度 夜晚天空云量 u 1 0 强中弱 满天薄云或 云量4 1 0 ( 地面风m s )云量5 1 0 u l o 2 aa bb 2 4 u l o 3 a bbc ef 3 u l o 5 bb cc de 5 u l o 6 cc dd dd u 1 0 6 cddd d 4 第一章绪论 1 3 1 大气扩散研究方法 第三节国内外研究现状 针对大气污染扩散的研究方法，除了实验室研究以外，数值模拟是十分重 要的研究手段。 实验室研究以详细的了解物质变化和运动规律为目的，为理论和模式研究 提供了基本且可行的参数，其中被广泛应用的研究方法有示踪剂试验、风洞试 验和水槽试验等。美国国家环境保护局( e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na g e n c y , e p a ) p j 通过两个场地的示踪剂试验验证了c a l p u f f 模式对大气污染物扩散影响的模 拟结果。f a r e l lc 等【6 】通过风洞试验模拟了一个城市边界层包括平均风廓线、湍 流强度、湍流长度尺度等在内的结构特征。蒋维媚等【_ 7 】利用风洞试验模拟了上海 市延安东路越江隧道风塔排放的污染气体的扩散情况。在试验时按照1 ：3 2 4 的比 例建立缩小模型，除了几何相似以外，还满足运动相似和动力相似的条件。利 用流场测量、放烟显示和示踪气体扩散试验等方法，分析气流分布与污染物浓 度分布的关系，探讨污染物扩散对局地环境产生的影响。再以模拟扩散试验获 得的资料为基础，建立修正的扩散模式，讨论预测污染物浓度大小的可靠途径。 试验结果表明，风洞模拟手段的显著优势在于试验周期短、试验条件易于控制 以及不受实际天气条件影响等方面，是一种相对简单且切实可行的模拟试验方 法。“uhp 等【8 】通过水槽试验模拟了不同气象条件下香港岛的流场状况和污染 物的扩散特征，作为揭示严重污染事件的形成原因的途径。该试验在拖槽中放 置香港的三维地形模型，大气的分层结构用由于密度不同而分层的盐水来表示， 风速用拖槽的速度来表示，观测流体经过各种特定地形时分别产生的不同流动 现象，结果显示，绕流、背风涡旋和背风波等现象是污染物浓度上升的主要原 因。c a s s i a n im 等【9 】拓展p d f ( p r o b a b i l i t yd e n s i t yf l l l l 嘶o nm o d e l ) 模式的应用领域， 将其运用到大气对流边界层模型中，用以模拟点源和线源连续排放产生的污染 物的浓度统计和概率密度函数，由四个水槽试验来完成模拟浓度的统计分析并 对其进行验证。 用数值模拟的方法模拟污染物浓度扩散是依靠基本的数理方程和计算方 法，结合先进的计算机技术，来模拟污染物在大气中的输送、扩散及分布的特 征。大气中物质的输送和扩散是非常复杂的过程，其中产生的很多现象都是非 5 第一章绪论 线性的，而数值模拟不受这种情况的限制，依然可以正确地估算各种条件下大 气污染物浓度的时空分布及变化规律，有利于提出行之有效的定量污染控制方 案，是大气污染控制研究中不可缺少的手段和途径。 1 3 2 大气扩散模式研究进展 大气污染物扩散模式是一种结合污染源特征以及气象和地形资料，定量分 析污染物在大气中的输送和扩散特征，并通过求解原始方程得到污染物浓度时 空分布的数值研究方法。近年来由于计算机的飞速发展以及观测和探测技术的 不断提高，为污染物扩散模拟提供了更加详实的气象资料和各种物理过程的参 数，使得大气污染物扩散模式逐渐成为切实可行的评估大气环境质量的重要方 法之一。目前己经发展出许多大气污染物扩散模式，其中不少己经获得了较好 的验证【1 0 1 。最初，模式的理论研究核心是高斯扩散理论，应用范围是小尺度【1 1 】。 后来随着研究的逐步深入，突破了高斯扩散理论均匀平稳湍流的限制，可以求 解非均匀、非定常的污染物扩散问题，应用范围也扩展到大尺度范围。不同的 模式理论依据不同，据此可将目前研究中常用的大气污染扩散模式分为三大类， 即以高斯理论为基础的扩散模式，以拉格朗日方法为基础的扩散模式和以欧拉 方法为基础的扩散模式。其中有很多发展成熟的污染物扩散模式均已应用于实 际情况下不同尺度的污染物扩散研究中，且不少已在应用中得到了较好的验证， 其中又以高斯理论为基础的大气污染扩散模式在国内的相关研究中的应用最为 普遍【12 1 。 1 3 2 1 基于高斯理论的大气污染扩散模式 高斯理论假设扩散系数k 为常数，满足正态分布。以假定平稳、均匀湍流 为前提条件，从统计理论出发，可以证明粒子扩散位移的概率分布同正态分布 的形式相吻合。大量针对连续点源发出烟流的观测事实和试验研究表明，在平 均烟流的情况下，污染物浓度分布符合高斯解的分布形态。高斯模式作为模拟 污染物扩散的经典方法，在大多数气象条件下的模拟效果都是比较合理的。 基于高斯理论的大气污染扩散模式可应用于各种尺度的研究区域，其中以 适用于中小尺度的模式居多，如i s c ( i n d u s t r i a ls o u r c ec o m p l e xm o d a l ) 、 a e r m o d ( a m s e p ar e g u l a t o r ym o d e l ) 、a d m s ( a d v a n c e dd i s p e r s i o nm o d e l i n g s y s t e m ) 、i s c s t ( i n d u s t r i a ls o u r c ec o m p l e xs h o r tt e r mm o d e l ) 等。i s c 是开发应用 6 第一章绪论 最早的预测模式之一。m e h d i z a d e h a 等【1 3 】，f u s h i m i 等【1 4 】指出i s c 适用于模拟简 单地形条件下的工业污染源，并应用i s c 污染扩散模式预测点源对当地大气环 境的影响。a e r m o d 和a d m s 是近几年发展起来的新型扩散模式，二者遵循很 多相同的科学运算法则，在很多时候可以代替i s c 模式的使用【1 5 1 。v e n k a t r a ma 等【l6 】指出a e r m o d 模式考虑到了建筑物对污染源周边地区大气污染物扩散的 影响，并利用该模式预测了城市小污染源附近区域的大气污染物地面浓度。 a d m s 模型通常被用来评估当地大气环境受到大型工业区排放物质的有害影 响。c a r s l a wdc 等【1 7 】应用a d m s 模型模拟了标准电厂所排放的二氧化硫的浓 度。i s c s t - 3 模式在现实中应用比较广泛，是评估工业区对周围大气环境影响的 最适合模型之一，也是评价大气污染物地面浓度时最常用的模式。k r i s h n atvb ps 掣1 8 】应用i s c s t - 3 模式分别对海得拉巴市郊的工业园区以及印度维萨卡帕特 南地区的工业园区排放的二氧化硫和氮氧化物的扩散进行了模拟研究，评估了 污染物对周边大气环境质量的影响，最后证明这一模式预测得出的污染物浓度 真实值和观测值之间有很好的一致性。 c a l p u f f 模式是常见的适用于大尺度的扩散模式，可以模拟气体污染物的 大范围输送，由于其采用多烟团的大气扩散方式，因此与同类型的i s c 模式相 比，模拟结果更接近真实情况下的扩散。z h o uy 等【1 9 】应用c a l p u f f 模式分析 预测了我国人口稠密区域的大气环境质量受到位于该区域的污染源排放的极细 颗粒物和二氧化硫的影响程度。此外，c a l p u f f 模式还具备其他以高斯理论为 基础的大气扩散模式所没有的功能，如评估二次污染颗粒的浓度。l e v y 儿等 2 0 1 应用c a l p u f f 模式结合( 美国) 国家海洋和大气管理局( n a t i o n a lo c e a n i ca n d a t m o s p h e r i ca d m i n i s t r a t i o n , n o a a ) 记录的气象数据，模拟评价了美国中西部环 境质量受到伊利诺斯州的九个电厂排放的一次、二次污染颗粒物的影响。 在实际应用中，高斯模式受到一些条件的限制，可归纳为以下四点要求： 高斯模式假定大气在整个模拟区域内都是均衡的，传输和扩散条件长期不变， 故当研究区域距离污染源较远时局限性会很明显，因此适用范围一般不能大于 1 0 , - , 2 0 k i n 下垫面开阔、平坦、性质均匀，平均流场平直、稳定，；在扩散过程 中，污染物本身是保守、被动的，即污染物和空气之间无相对运动，污染物在 地面被反射，且在扩散过程中无损失、无转化；由于的高斯模式模拟浓度和 风速成反比，当风速很低( o 1 o r e s ) 时，模拟的污染物浓度值会很高，因此不适 合用于小风条件，使用时要求扩散发生在同一温度层中，且平均风速不低于 7 第一章绪论 1 0 m s ；高斯烟流模式假定污染物从污染源排放出来后立即以直线轨迹输送， 不考虑风场的切向变化，且没有考虑风速仅为1 0 m s 或更小的情况【2 1 1 。 虽然在实际应用中高斯模式受到这些条件的限制，但是与其他类型的扩散 模式相比，仍然具有许多优点：首先，高斯模式的假设前提是比较符合真实情 况的；其次，模式的物理概念可以反映湍流扩散的随机性，且由于高斯扩散模 式具有解析形式，因此其数学计算比较简单，计算量相对较少，同时它还可以 计算排放源之间和受污染影响的目标点之间的响应关系：再次，高斯类型的扩 散模式有较高的实验基础可信度；最后，如果想要直接利用高斯扩散模式处理 一些特殊条件下的大气扩散问题，只需要对基本的高斯扩散模式作一些简单修 正( 如地形修正等) 即可【2 。 高斯扩散模式的物理概念清晰，有很好的可移植性，计算效率和空间分辨 率都很高，这也是为什么即使到现在它仍然是最受欢迎的、且利用率最高的大 气扩散模式的原因。同时，随着研究的不断深化，陆续产生了许多基于该模式 的变形模式，这些变形模式的出现使得高斯模式无论从理论角度还是从实践角 度都有了进一步的发膨2 1 】。 1 3 2 2 基于拉格朗日方法的大气污染扩散模式 拉格朗日方法是指利用跟随流体移动的粒子来描述污染物的浓度及其变化 的研究方法。以拉格朗日方法为基础的扩散模式可以利用随时间变化的气象数 据模拟几十公里到几百公里区域范围内的污染物扩散情况。由于其能正确描述 湍流扩散过程，因此应用较为普遍。但是一般情况下拉格朗日方法仅限于描述 平稳和均匀湍流条件下的污染物扩散问题，这是由于控制污染物扩散的拉格朗 日函数方程比较复杂，且不能直接求解非线性化学反应的问题。但拉格朗日方 法的数学处理相对简单，不存在闭合问题【2 2 1 。适用于中小尺度的模式有 l p m ( l a g r a n g i a n p a r t i c l e m o d e l ) 、t a p m ( t h e a i r p o l l u t i o nm o d e l ) 、 l p d m ( l a g r a n g i a n p a r t i c l ed i s p c r s i o nm o d e l ) 等。o e t t ld 等【2 3 1 ，m a n o m a i p h i b o o nk 等【2 4 】，c a r v a l h ojc 等【2 5 】应用l p m 模式模拟小风条件下的污染物扩散，并探讨 其在研究大气边界层的湍流扩散时存在的问题。l u h a rak 掣2 6 】利用t a p m 模式 评估印第安纳波利斯和金凯德地区烟气点源的扩散情况，发现在有风的观测条 件下获得的数据，t a p m 模式的预测值更好一些。h u r l e yp 掣2 7 】应用t a p m 模 式分别模拟了墨尔本地区以及奎纳纳工业区的大气污染现状。s o n gck 等【2 剐应 8 第一章绪论 用l p d m 模式模拟了位于美国田纳西洲的坎伯兰电厂排放的烟气的扩散情况， 发现l p d m 模式能很好的模拟光化学特征。l a d m ( l a g r a n g i a na t m o s p h e r i c d i s p e r s i o nm o d e l ) 是常见的适用于大尺度的模式，它能够精确的模拟点源附近烟 气的输送和扩散情况，由于其模拟结果具有较高的实用性，因此该模式的使用 范围非常广泛。n g u y e nkc 掣2 9 】应用l a d m 模式和c a l g i d 模式在复杂地形 和非稳定流动条件下模拟了高架点源排放的污染物的扩散情况。此外，l a d m 模式也能很好的模拟光化学特征。h u r l e ypj 掣3 0 】利用l a d m 模式研究并分析了 澳大利亚新南威尔士州的大城市及当地工业区的光化学烟雾和极细颗粒污染物 扩散情况。 1 3 2 3 基于欧拉方法的大气污染扩散模式 欧拉方法是相对于固定坐标系来描述污染物的输送与扩散，污染物浓度统 计量用欧拉流体速度的统计特征来表述的污染物扩散研究方法。欧拉方法适用 于处理较大尺度区域范围内的大气输送和扩散问题，这是由于它易于加入源变 化、化学变化和其他迁移清除过程。常见的以欧拉方法为基础的扩散模式一般 包括r e m s a d ( r e g i o n a lm o d e l i n gs y s t e m f o ra e r o s o l sa n dd e p o s i t i o n ) 、 a d p i c ( a t m o s p h c r i c d i f f u s i o np a r t i c l e i n c e l l ) 、m o d e l s 3 c m a q ( m o d e l s 3 c o m m u n i t ym u l t i - s c a l ea i rq u a l i t ym o d e l ) 、m a t c h ( m u l t i - s c a l ea t m o s p h e r i c t r a n s p o r ta n dc h e m i s t r ym o d e l ) 等。由于r e m s a d 模式具有嵌套栅格的能力，因 此适合用来模拟在较大区域范围内的污染物长期大气浓度。b a m amg 等【3 1 】近似 以德克萨斯州为中心，在包括美国和墨西哥北部的大部分区域的范围内，利用 r e m s a d 模式模拟了环境中硫酸盐的形成和输送过程。s c h i c h t e lba 掣3 2 】利用 r m s a d 模式确定了位于德克萨斯州的大湾国家公园阴霾的主要污染来源，并通 过示踪试验来评价r e m s a d 模式模拟结果的可信度。b a k l a n o v a 等【3 3 1 ，g i v a t ir 等【3 4 】，t h a n i n gl 掣3 5 1 ，应用a d p i c 模式模拟了在复杂地形条件下惰性气体、 放射性气体和颗粒物的浓度变化情况。m o d e l s 3 c m a q 模式不是仅能考虑一种 污染物的模式，而是具有综合处理复杂的空气污染情况( 如对流层的p m 、臭氧、 酸沉降、毒化物以及能见度等) 的能力。安兴琴等【3 6 】针对兰州市冬季采暖期大 气污染严重的特点，应用m o d e l s 3 模式模拟了该地区大气污染物的扩散状况， 并分析了导致目标地区污染现状的主要原因。z h a n gmg 等【37 】应用m o d e l s 3 模 式和区域大气模拟系统r a m s 模式计算的气象场来研究从2 0 0 1 年2 月2 2 日到 9 第一章绪论 5 月4 日之间，东亚地区硫混合物的化学转化和传输过程。m a t c h 模式是另外 一种常见的适用于大尺度的污染扩散模式，该模式可以用来预报污染物的短期 浓度值和沉积区域范围。l a n g n e rj 等【3 8 】通过模拟e x e t 实验中释放的惰性示踪 剂的输送扩散来验证m a t c h 模式，并应用该模式评估了切尔诺贝利事故中释 放的1 3 7 c s 的输送和沉降。e n g a r d tm 等【3 9 】应用m a t c h 模式研究了东南亚地