（环境科学专业论文）aermod数值原理及模型演化分析与验证.pdf

摘要 污染物的扩散浓度，输出结果。 第五章结合a e r m o d 模型的功能变化，对模型进行案例验证。首先探讨了模型 对地表特征参数和点源参数以及计算模式的灵敏性，探讨了各参数对污染物扩 散的影响，其次对模型的一些功能进行案例模拟分析，对比不同功能的差异。 结果表明，控制污染物的排放速率是防治污染的根本，适当提高烟囱的高度， 加大烟囱的内径，提高烟气的出口温度，加大烟气的出口流速都会促进污染物 的扩散，另外地面越粗糙，波文比越小，反照率越大，也越有利于污染物的扩 散。a e r m o d 对复杂地形、城市、顶盖源和水平源等计算模式的反应也很灵敏。 关键字：a e r m o d 数值模拟灵敏性分析 i l a b s t r a c t a b s t r a c t t h es e c o n dg e n e r a t i o no fa t m o s p h e r i cm o d e l sh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l yi n c h i n a g u i d e l i n e sf o re n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t a t m o s p h e r i ce n v i r o n m e n t r e c o m m e n d e da e r m o d ，c a l p u f fa n da d m st ob er e g u l a t o r ym o d e l si n2 0 0 8 h o w e v e r ，n o n eo fa e r m o d ，c a l p u f fo ra d m sw a sd e v e l o p e db ys c i e n t i s t so f c h i n a w h a ti st o s a y ，p e o p l ej u s ta p p l yt h e mi nc h i n a i ti sc l e a r l yt h a tt h e d e v e l o p m e n to fam o d e li sas y s t e m a t i cp r o c e s s ，f r o mb a s i ct h e o r i e st os y s t e m t h e o r y t h e nt ob ec o m p i l e db yc o m p u t e r l a n g u a g e t h i sp a p e rw a n t st oe x p l o r et h en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r i n c i p l e so fa e r m o d t h r o u g hl o t so fr e s e a r c ho nt h i sm o d e l t h ef i r s tc h a p t e rt a k e ss o m ei n t r o d u c t i o n so f t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dp r e s e n t st h ea i m ，c o n t e n t sa n dt e c h n i c a lr o u t e so ft h i s w o r k t h es e c o n dc h a p t e rr e v i e w st h e e v o l u t i o na n df u n d e r m e n t a lt h e o r i e so f a t m o s p h e r i cm o d e l s ，i l l u s t r a t e st h ea p p l i c a t i o na n dr e s e a r c hs t a t u so fa t m o s p h e r i c m o d e l si nc h i n a t h et h i r d c h a p t e ra n a l y s e s t h ee v o l v e m e n to fa e r m o d s u m m a r i z e st h e c h a n g e sa n di m p r o v e m e n t so fa e r m o df u n c t i o n s i th a sb e e nm o r et h a n2 0y e a r s s i n c ef i r s tv e r s i o no fa e r m o d ，a m e r i c a ne n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na g e n c y r e p l a c e d i s c 3u s i n ga e r m o da st h er e g u l a t o r ym o d e li n2 0 0 5a n dc h i n aa p p l i e da e r m o d a sr e g u l a t o r ym o d e li n2 0 0 8 h o w e v e r , m o s ti n t r o d u c t i o n so fa e r m o d i nc h i n a g u i d e l i n e sa r es t i l lb a s e do nv e r s i o n2 0 0 4o fa e r m o d a e r m o dh a su p g r a d e d f o u rt i m e ss i n c e2 0 0 4 ，t h eu p g r a d e dv e r s i o n sa r ev e r s i o n0 6 3 4 1 、v e r s i o n0 7 0 2 6 、 v e r s i o n0 9 2 9 2 、v e r s i o n110 5 9 ，t h r o u gt h ec o m p a r i s o n so fu p g r a d e dv e r s i o n sw i t h v e r s i o n2 0 0 4o fa e r m o d ，d r a wac o n c l u s i o nt h a tt h ec h a n g e sa n di m p r o v e m e n t s m a i n l yi ns o u r c ep a r a m e t e r s ，u r b a nc o n d i t i o np a r a m e t e r s ，p r i o r i t yt r e a t m e n t s ，t e r r a i n p a r a m e n t e r s ，b a c k g r o u n dc o n c e n t r a t i o n sa n dr e s u l to u t p u tp a r a m e n t e r s t h ef o u r t hc h a p t e rt a k e sm u c hr e s e a r c ho ns o u r c ec o d e so fa e r m o d ，f r o m p a r a m e t e r si n p u t st or e s u l to u t p u t s ，b yr e a p p e a r r i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o g r a m so f a e r m o dw i t ht h eh e l po ff o r t r a n i te x p l o r e st h et r e a t m e n tp r o c e d u r eo f m e t e r o l o g i c a lp a r a m e t e r si na e r m e t ，t h ek e yp r o c e d u r eo ft e r r a i ns i m u l a t i o n si n a e r m a pa n dh o we s t a b i l i s ht h em e t e r o l o g i c a lf i e l da n dh o ws i m u l a t ep o l l u t a n t s 1 i i a b s t r a c t c o n c e n t r a t i o n si na e r m o d a e r m e tp r e f e r so n s i t ed a t a i ft h e r ei s n o o n s i t ed a t a ，i tu s e ss u r f a c ed a t aa n ds o u n d i n gd a t ai n s t e a d a e r m o db u i l dt h ea t m o s p h e r i cf i e l df i r s t u s i n gt h ep a r a m e t e r s d e l i v e r e db y a e r m e ta n dp r e d i c t sp o l l u t a n t sc o n c e n t r a n o n si nt h ef i e l d t h ef i f t hc h a p t e rs t u d i e sm o d e l ss e n s i t i v i t yo np a r a m e t e r su s i n gs o m ec a s e sa n d v e r i f i e st h ef u n c t i o ni m p r o v e m e n t so fa e r m o d t h r o u g ht h es e n s i t i v i t ya n a l y s i so f d i f f e r e n tp a r a m e t e r s ，t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e st h ep a r a m e t e r si n f l u e n c eo nt h ed i f f u s i o n o fp o l l u t a n t s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u n d a m e n t a lo fc o n t r o lp o l l u t i o ni st oc o n t r o l e m i s s i o nr a t e s b e s i d e s ，a p p r o x i m a t e l yi n c r e a s i n gt h eh e i g h to fs t a c k ，t h ed i a m e t e ro f t h es t a c k ，t h ee x i tt e m p e r a t u r ea n dt h ee x i tv e l o c i t ya l s oc a np r o m o t et h ed i f f u s i o no f p o l l u t a n t s a n da e r m o di sv e r y s e n s i t i v et oa l b e d o ，b o w e nr a t i o ，s u r f a c e r o u g h n e s sa n dt h es e l e c t i o no fc o m p l e xt e r r a i n ，u r b a n ，c a p p e ds t a c ka n dh o r i z o n t a l s o u r c e i f t h eg r o u n di sl i t t l em o r er o u g h n e s s ，b o w e nr a t i oi ss l i g h t l yl o w e ro ra l b e d o i ss l i g h t l yh i g h e r ，t h ep o l l u t a n t sw i l ld i f f u s eb e t t e r k e yw o r d s ： a e r m o d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n s e n s i t i v i t ya n a l y s i s i v 第一章绪论 第一章绪论 第一节研究背景 环境影响评价已成为我国保护环境、控制污染的重要手段，经过几十年的 发展，也经过了众多学者的持续努力，环境影响评价的相关理论与技术日臻完 善。环境影响评价从大气、水、土壤、生态、社会经济等多个方面对项目建设、 规划政策实施后可能的环境影响进行预测，提出合理的建议。大气环境影响评 价是空气质量控制、大气污染防治及优化空气污染等的重要手段。利用数学模 式结合计算机技术对大气质量、污染物扩散进行预测分析是环境影响评价的技 术方法。我国先后1 9 9 3 年和2 0 0 8 瞳1 年颁布了环境影响评价技术导则大气环 境，这两个技术导则规定了我国第一代法规空气质量模式与第二代法规空气 质量模式。第一代法规空气质量模式又称9 3 导则推荐模式。第二代法规空气质 量模式包括s c r e e n 3 筛选模式、a e r m o d 、a d m s 、c a l p u f f 精确模式。 a e r m o d 由美国环保局联合美国气象学会组建法规模式改善委员会 ( a e r m i c ) 开发的，该模式系统以扩散统计理论为出发点，假设污染物的浓度分布 在一定程度上服从高斯分布。它可用于多种排放源( 包括点源、面源和体源) 的 排放，也适用于乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等 多种排放扩散情形的模拟和预测口1 。2 0 0 6 年美国环保局正式将a e r m o d 模式系统 替代原有的i s c 3 模式，并将其列为法规模式。 在大气污染物扩散模拟中，影响预测结果的因素很多，除污染源之外，项 目所在区域地形条件、地表特征、气象参数的不同，以及预测模型、预测范围、 预测方法、预测方案的选择都会影响到最终的预测结论h 1 。a e r m o d 模型系统参 数繁多，即使具有相同的气象、地理、污染基础数据，但是由于模型使用人员 对模型的理解和操作存在差异，预测出来的结果可能存在较大差别。虽然我国 在大气污染扩散模式方面进行了大量的应用，但自主开发方面存在欠缺，无论 a e r m o d 、a d m s ，还是c a l p u f f 都不是我国相关工作人员开发的，能够应用 模型是一方面，同时能够深层次的了解模型甚至将模型自主的升级又是另一方 面。目前，我国也有相关工作人员对模型进行了封装，如环安科技，但是这种 封装也是在美 e p a 公布的模型核心应用程序基础上对模型进行的封装，本文立 第一章绪论 足在了解模型的发展变化的同时，希望对模型数值模拟的流程原理进行一个有 益的研究。 第二节研究目的 虽然a e r m o d 模型在我国得到了广泛的应用，但a e r m o d 模型是由美国环保局联 合美国气象学会组建法规模式改善委员会开发的，并且处于不断地更新完善之 中。我国环评人员对模型的原理、模型的发展、模型参数的了解相对欠缺，本 文从模型的基础原理出发，揭示模型运行的内在原理，揭示模型对不同参数的 处理过程、探索模型对参数的灵敏性，分析不同版本模型功能的演化，希望能 够： ( 1 ) 推动最新版模型在我国环评中的应用。 ( 2 ) 对模型多方面系统分析研究，为模型应用人员对模型有一个整体完 善的理解提供帮助。 ( 3 ) 研究模型的数值模拟原理，使模型应用人员能够清楚了解模型的数 值模拟过程，为有志于研究模型、改善模型的工作人员提供参考。 第三节研究的目标、内容和技术路线 1 3 1 研究目标 论文主要以环境影响评价技术导则大气导则( h j 2 2 - 2 0 0 8 ) 的推荐模 式a e r m o d 为研究对象，以新一代大气边界层理论的研究成果为基础，结合a e r m o d 模型的数学原理、揭示出模型的数值模拟原理，通过对模型不同版本的变化研 究，探讨模型的发展变化，分析出模型的功能演化，通过案例进行验证，推动 模型最新功能的合理应用。 1 3 2 研究内容 本文研究的内容主要有以下三个方面： 通过对a e r m o d 的开发源程序进行详细研究，阐述a e r m o d 的数值模拟原 理。 通过对不同版本a e r m o d 发展变化研究，对比不同版本a e r m o d 的差异， 探讨模型功能的演化发展。 2 第一章绪论 通过案例，对a e r m o d 的改进性功能进行详细探讨，开展a e r m o d 对典型 参数的灵敏性分析。 第一章绪论 1 3 3 技术路线 论文研究内容、研究框架确定之后，通过梳理，按照研究思路，制订以下 的技术路线图： 图1 1 论文技术路线图 4 第二章大气扩散模式概论 第二章大气扩散模式概论 第一节边界层理论 当今国际主流的大气预测模式所应用的理论多属于2 0 世纪8 0 9 0 年代的大 气边界层理论，属于新一代大气边界层理论瞄1 ，我国采用第二代空气质量模式也 顺应了这一发展。 大气边界层，也称为行星边界层、摩擦层，是指最靠近下垫表面的对流底 层，它受到地面的直接影响，厚度可达数公里。大气边界层是一个多层结构， 根据湍流摩擦力、气压梯度力和科氏力对不同层次空气运动作用的大小，可以 把大气边界层分为三层哺3 ： ( 1 ) 粘性副层：紧靠地表面的一个薄层，该层内分子粘性力比湍流切应力 大得多。但这一层典型厚度小于l c m ，在实际问题中可以忽略。 ( 2 ) 近地面层：从粘性复层蛰j 5 0 - l o o m ，这一层内呈明显的湍流性质。而 且，湍流通量随高度变化很小，可假定这一层湍流通量近似不变，故也称为常 通量层或常应力层。 ( 3 ) 上部摩擦层或埃克曼层：这一层的范围是从近地表面到1 - 1 5 k m ，特 点是湍流摩擦力、气压梯度力和科氏力数量级相当，都不能忽略。依据不同的 稳定度类型，又可称为稳定边界层、中性边界层和对流边界层。 边界层以上的大气层称为自由大气。 2 1 1 气象条件类型 气象条件是模型模拟污染物扩散，建立气象模拟场的基本依据，根据边界 层内的热量流通等情况，将大气边界层内的气象条件类型分为典型的稳定条件、 中性条件和不稳定条件。 稳定条件：稳定条件是指混合层内的温度随高度递减率小于干空气绝热过 程递减( 干绝热递减率) 。在小风和晴天的夜间，仅在逆温层的较低部分存在 连续湍流。 中性条件：中性条件是指混合层内的温度随高度按干空气绝热过程递减( 干 绝热递减率) ；中性条件常出现在大风和阴天的白天或夜间。中性条件的混合 第二章大气扩散模式概论 层深度决定于风速和地面粗糙度。纯粹的中性条件在行星边界层内是很少的。 不稳定条件：不稳定条件是指混合层内的温度随高度递减率大于干空气绝热 过程递减( 干绝热递减率) 。不稳定条件常出现在晴天的中午。此时地表面具 有正热通量。当具有一定风速时。将同时存在机械湍流和热湍流。但是从湍流 的能量收支关系中可看出：由于机械湍流正比于垂直风切变，它的发生将随着 高度增加而减小。相比之下，热对流的发生随高度的变化就比较缓慢h 1 。 2 1 2 边界层类型 第二代空气质量模型多利用不同的气象条件将大气边界层处理成稳定边界 层、中性边界层或对流边界层，然后模型按照不同的边界层类型建立不同的污 染物扩散情形，分别进行处理。 稳定边界层( s t a b l eb o u n d a r yl a y e r ，简写作s b l ) ：形成稳定边界层有 多种原因，夜间地表辐射冷却形成的逆温层结就是常见的稳定边界层；另外若 有暖平流经冷的下垫面，也能形成稳定边界层。在稳定边界层中，湍流热量交 换自上向下输送热量。通常，稳定边界层的厚度大约为1 0 0 5 0 0 m 。 稳定边界层的一般特征可归纳为如下几点： ( 1 ) 稳定边界层的共同特点是有逆温层，此时浮力的作用不但不能给湍流 补充动能，相反，湍流微团在垂直运动中因反抗重力做功而损失动能，所以湍 流能量很弱。但因为还有切应力的作用，所以湍流不会完全消失，而是在弱的 水平上维持。 ( 2 ) 因湍流很弱，湍涡尺度很小。边界层不同层次之间的相互作用减弱， 地面强迫对流边界层的响应放缓。下垫表面的强制作用达到边界层顶所需的时 间尺度可长达数个小时，形成分层式湍流，故边界层往往不能作整体处理。例 如，由地面参量计算的莫宁一奥布霍夫长度值不能代表边界层中、上层的情况。 ( 3 ) 各种特征量在边界层顶没有明显的过渡特征，难以确定层顶的位置。 中性边界层：典型的中性大气边界层是不容易观测到的。 对流边界层( c o n v e c t i v eb o u n d a r yl a y e r ，简写为c b l ) ：由于地面加热而触 发的对流热泡是不稳定大气边界层湍流的原动力，它们的对流上升和下沉决定 了边界层动力学结构的基本面貌，因此不稳定大气边界层常称为对流边界层。 而大尺度的强湍流驱动，使其具有垂直方向的强烈混合，因此又通常称为混合 巳【8 店0 6 第二章大气扩散模式概论 对流边界层的特征： ( 1 ) 对流边界层与中性边界层不同，对流边界层的发展不是依赖于较强的 风切变形成的动力驱动，而是在近地面层保持一定的虚位温递减率形成的热力 驱动。地面输送的感热通量是热力驱动湍流能量的来 ( 2 ) 各种气象要素除了在近地面层的梯度外，由于强烈的混合作用，对流 边界层的主体部分各种气象要素的梯度都很小。在中等以上不稳定时温度和风 随高度接近均匀分布，湍流通量随高度近似线性变化。 ( 3 ) 对流热泡在对流边界层顶的上升冲击，引发自由大气空气团向下卷入 边界层，形成了所谓的卷夹层。卷夹层以上是无湍流或很弱湍流的自由大气。 ( 4 ) 对流热泡尺度大、寿命长、携带的湍流能量也大，由对流热泡破碎产 生的各次级湍流涡旋也异常活跃，导致对流边界层内各气象属性的垂直分布比 较均匀，具有整体的空间结构以及较强的时间相关。 第二节第一代大气污染扩散模型 我国环评中采用了两代法规空气质量模式，分别为9 3 导则模式与2 0 0 8 导则 模式。第一代空气质量模式是基于2 0 世纪6 0 7 0 年代的大气边界层理论，适用 于小尺度。第一代空气质量模式为高斯扩散模式，假设：( 1 ) 风的平均流场稳 定，风速均匀，风向平直；( 2 ) 污染物的浓度在水平、垂直方向符合正态分布； ( 3 ) 污染物在扩散中质量守恒；( 4 ) 污染源的源强均匀连续。第一代空气质 量模式，不论是点源模式，还是以点源模式为基础，通过积分方法得到的线源 模式、面源模式、体源模式等，都具有如下两个特点：( 1 ) 浓度计算在水平方 向和垂直方向上都采用高斯分布假定；( 2 ) 湍流分类和扩散参数采用离散化的 经验分类方法旧。 第一代空气质量模式存在的问题主要表现在：( 1 ) 不稳定条件下，垂直方 向的扩散采用正态扩散模式预测，对于较高的有效源高，其地面浓度预测值和 实测值之比，明显偏低；( 2 ) 在处理污染物反射问题上采取了地面和混合层全 反射的处理方法，未能反映浮力烟羽抬升到混合层顶部附近的实际扩散过程， 地面浓度预测值误差较大；( 3 ) 大气稳定度采用修订的帕斯奎尔稳定度分类方 法，不连续，误差大。( 4 ) 湍流分类采用离散化的经验分类方法，扩散参数如 气象参数、风速幂指数及烟羽有效高度等确定和选取通常通过实验实测或选取 第二章大气扩散模式概论 经验曲线而求算，往往存在一定误差。( 5 ) 没有考虑建筑物下洗等问题。 由于第一代空气质量模式的假设限制，决定了第一代空气质量模式应用的 局限性，其只能在大气小尺度( 1 0 k m ) 范围内，基本能满足工程项目环境影响评 价的需要。 第三节第二代大气污染扩散模式 第二代法规模式n 引，属于2 0 世纪8 0 - , 9 0 年代的大气边界层理论，第二代模 式得力于数值研究的深入和计算机技术的发展，通过数值运算将数学模型与计 算机技术相结合，不仅扩大了模型的应用范围，还可以通过图形将模拟结果直 观的显示出来。 2 3 1a e r m o d 、a d m s 及c a l p u f f 2 0 0 8 年颁布的环境影响评价技术导则大气环境，规定了我国第二代法 规空气质量模式，导则中推荐的模式为a e r i v i o d 、a d m s 及c a l p u f f 1a e r m o d 1 9 9 1 年美国气象学会( a m s ) 与美国环保局( e p a ) 开始合作，组建了一个名 为a m s e p a 的法规模式改善委员会( 简称a e r m i c ) ，着手第二代法规空气质量模 式的研究，将行星边界层( p b l ) 方面取得的新的科研成果，付诸于应用。2 0 世 纪9 0 年代中后期，法规模式改善委员会在i s c 3 模型n 门框架的基础上，成功开发 出a e r m o d 扩散模型。a e r m o d 是一个稳态烟羽扩散模式，可基于大气边界层数据 特征模拟点源、面源、体源等排放出的污染物在短期( 小时平均、日平均) 、 长期( 年平均) 的浓度分布，适用于农村或城市地区、简单或复杂地形。a e r m o d 考虑了建筑物尾流的影响，即烟羽下洗。模式使用每小时连续预处理气象数据 模拟大于等于1 小时平均时间的浓度分布。 a e r b l o d 模式系统包括a e r m o d ( 大气扩散模型) 、a e r m e t ( 气象数据预处理 器) 和a e r b l a p ( 地形数据预处理器) ，模型具体流程图见图2 1 2 j 。 第二章大气扩散模式概论 | 输入 象资料补充地面气象j r a e r m e t 漂q 点 输入 a e r m a p 图2 1a e r _ m o d 系统数据流程图 资料来源：u s e r sg u i d ef o rt h ea e r m o d a e r m e t 口3 儿1 4 3 的基本目的是使用预测区域的气象观测数据，计算所需的边界 层参数，此参数用来估算风速、湍流强度和温度的廓线。预测区域地面特征( 地 表粗糙度、反射率等) 能影响边界层高度和污染物扩散过程。a e r m e t 计算出的 地面气象参数有莫宁长度、表面摩擦速度、表面粗糙度、表面热通量和对流速 度尺度。此外，估算出的参数还有对流和机械混合层高度。a e r m e t 用h 的符号 来划分稳定度类型，h 大于0 为对流边界层，h d , 于0 为稳定边界层。另外，a e r m e t 将风、温度和湍流的测量数据换成a e r m o d 所需的格式，传递给a e r m o d 。 a e r m a p n 羽n 盯是a e r m o d 地形输入数据的地形预处理器，它把输入的网格点的 地理位置参数，例如数字化地形数据( d e m 数据) ，经过计算转化成a e r m o d 所需 的地形数据，这些数据用于障碍物周围的大气扩散计算，结合风速等参数，可 以进行对污染物预测计算。对每个接收点( r e c e p t o r ) ，a e r m a p 把接收点的位 置、海拔高度和每个接收点的特定地形高度等，传递给a e r m o d 。 2a d m s a d m s n 7 3 是一个三维高斯模型，由英国剑桥环境研究中心开发。a d m s 可模拟 点源、面源、线源和体源等排放放出的污染源在短期( 小时平均、日平均) 、 9 第二章大气扩散模式概论 长期( 年平均) 的浓度分布，还包括一个街道窄谷模型，适用于农村或城市地 区、简单或复杂地形。模式考虑了建筑物下洗、湿沉降、重力沉降和干沉降以 及化学反应等功能。化学反应模块包括计算一氧化氮，二氧化氮和臭氧等之间 的反应。a d m s 有气象预处理程序，可以用地面的常规观测资料、地表状况以及 太阳辐射等参数模拟基本气象参数的廓线值。在简单地形条件下，使用该模型 模拟计算时，可以不调查探空观测资料。模型既可以考虑到孤立的点源或单个 道路源等简单问题，还可以考虑最复杂的城市问题( 例如，一个大型城市区域的 多个工业污染源，民用和道路交通污染排放) 。该模型可同时模拟3 0 0 0 个网格污 染源、1 5 0 0 个道路污染源和1 5 0 0 个工业污染源( 包括点、线、面和体污染源) 。 在污染源数量非常大时，模型可将较小的点源和道路源集成为网格源进行运算， 可提高运行速度。 3c a l p u f f c a l p u f f n 8 1 9 3 由西格玛研究公司( s i g m ar e s e a r c hc o r p o r a t i o n ) 开发，是 美国国家环保局( u se p a ) 长期支持开发的法规导则模型，同时也是中国环境保 护部颁布的环境影响评价技术导则大气导则( h j 2 2 - 2 0 0 8 ) 推荐模式之一。 c a l p u f f 是一个烟团扩散模拟系统，可模拟三维流场随时间和空间发生变化时污 染物的输送、转化和清除过程。c a l p u f f 适用于从5 0 公里到几百公里范围内的模 拟尺度，包括了近距离模拟的计算功能，如建筑物下洗、烟羽抬升、排气筒雨 帽效应、部分烟羽穿透、次层网格尺度的地形和海陆的相互影响、地形的影响； 还包括长距离模拟的计算功能，如干、湿沉降的污染物清除、化学转化、垂直 风切变效应、跨越水面的传输、熏烟效应、以及颗粒物浓度对能见度的影响。 适合与特殊情况，如稳定状态下的持续静风、风向逆转、在传输过程中气象时 空发生变化下的模拟。c a l p u f f 模型系统包括三部分晗引：c a l m e t ( c a l i f o r n i a m e t e o r o l o g i c a lm o d e l ) 、c a l p u f f 、c a l p o s t ，以及一系列对常规气象、地理 数据进行预处理的程序。c a l m e t 是气象模型，用于在三维网格模型区域上生成 小时风场和温度场。c a l p u f f 是非稳态三维拉格朗日烟团输送模型，它利用 c a l m e t 生成的风场和温度场文件，输送污染源排放的污染物烟团，模拟扩散和 转化过程。c a l p o s t 通过处理c a l p u f f 输出的文件，生成所需浓度文件用于后处 理。 a e r m o d 、a d m s 、c a l p u f f 属于第二代模式系统，它们部分性的弥补了第一代 模式的缺陷，比第一代模型更能准确的模拟污染物在时空中的分布变化，对复 第二章大气扩散模式概论 杂地形，干湿沉降、化学反应、下洗有很好的处理，c a l p u f f 还能适用于复杂风 场。数值计算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，使模式的适用范围向中尺度、大尺度扩展，其中a e r m o d 在近场5 0 k m 范围以内使用，a d m s e i a 适用于评价范围小于5 0 k m 范围，a d m s u r b a n 版适用于评价范围数百公里以内，c a l p u f f 烟团模式能在3 0 0 k m 范围以内使用。 第二代空气质量模式的共同特点是： ( 1 ) 气象模块均基于常规气象资料，所必需的气象数据有地面参考高度上 的风速、温度以及云量等。烟羽抬升和扩散计算所需要的特征参数，如摩擦速 度、莫宁奥布霍夫长度、混合层厚度以及湍流参数，均可通过常规气象数据计 算得到。 ( 2 ) 第二代空气质量模式彻底抛弃了传统的离散的p a s q u i l l 一t u r n e r 稳定 度分类法及p a s q u i l l - g i f f o r d 扩散参数体系( 或与此类似的其它体系) ，因此， 己没有必要再将大气边界层的稳定度分成6 类或7 类，而只要根据热通量的正负， 将其分成不稳定和稳定两类即可。 ( 3 ) 在对流条件下，扩散模式在烟流的垂直分布上采用非高斯型的算法， 通常采用概率分布函数( p d f ) ，常用的有双高斯叠加、误差函数等。 ( 4 ) 图形化显示结果，人机交互操作。a e r m o d 、a d m s 、c a l p u f f 都有相应 的界面操作版本，模型结果可以通过界面版的后续处理直观、形象的展示出来。 其中a d m s u r b a n 可以作为一个独立的系统使用，也可以与一个地理信息系统联 合使用。a d m s - u r b a n 与m a p l n f o 以及e s r i 的a r c v i e w 可以完全有机的连接，这样 可以使用数字地图数据、c a d 制图或航片真实直观地设置污染问题。在所使用的 不同类型的地图数据上，生成等值平面图。 2 3 2a e r m o d 在国内的验证应用与研究 王淑兰( 2 0 0 3 ) 陋门等相对较早的在国内开始使用a e r m o d 模型，对模型的 特点及基本公式进行了介绍。 杨红斌( 2 0 0 6 ) 乜2 1 等利用2 0 0 3 年沈阳逐日大气环境监测数据、气象数据及 污染源排放清单等验证了a e i 洲o d 在沈阳地区的应用。 丁峰( 2 0 0 7 ) 瞳3 3 等利用宁波市北仑区域的数据对a e r m o d 模式进行了应用 验证，分析了a e r m o d 模式在环评应用中的优势与不足，验证结果表明，预测 值与实际监测值有很好的一致性。 第二章大气扩散模式概论 北京科技大学江磊( 2 0 0 7 ) 瞳们以美国两个试验场l o v e t t ( 复杂地形) 和c l i f i y c r e e k ( 简单地形) 的数据资料为基础，探讨了a e r m o d 模型和9 3 导则模型进 行应用对比分析，分析说明a e r m o d 模型优于9 3 导则模型，为推动a e r m o d 作为法规模型替代9 3 导则模型提供了一定的技术支持。 孙璐( 2 0 0 8 ) 乜朝等从大气预测模型应用范围、系统组成原理、预测结果等 方面对大气扩散模型a e r m o d 和e i a a 进行比较，从优缺点方面分析了两个模 型的差异。 丁峰( 2 0 0 8 ) 乜6 1 等提出了用a e r m o d 法规模式计算卫生防护距离的方法， 提出确定工业企业卫生防护距离的可行方案。 夏思佳( 2 0 0 9 ) 堙7 1 等在a e r m o d 框架下，比较了4 中扩散参数化方案： a e r m o d 湍流参数化方案、b f i g g s 参数化方案、基于扩散函数哈湍流观测资料 的t u b o b s 方案及n e p a 方案对模拟s 0 2 结果的差异。 夏思佳( 2 0 1 0 ) 乜8 1 等选取杭州湾地某区域为模拟区，将t i b l 高度计算模式 耦合到a e r m o d 中，并对a e r m o d 模式的相关模块参数进行修改，利用改进 后的a e r m o d 和改进前的a e r m o d 模拟大气污染物的扩散，进行对比分析。 兰州大学张旭( 2 0 1 0 ) 3 讨论了在环评中a e r m o d 的规范化使用，对 a e r m e t 和a e r m a p 的参数设置进行了分析，分析了大气环境影响预测的情 景设置、污染源确定及网格点设置等问题，提出了对预测结果的分析方法和应 该注意的问题。 易海涛( 2 0 11 ) 们在对模型深入应用的基础上就a e r m o d 大气扩散模式在 环境影响评价应用中气象参数、输出结果等存在问题进行了探讨，其中，他指 出模型计算中上风向也存在浓度值。 李杰( 2 0 1 1 ) 口妇等以某钢厂为例，讨论了a e r m o d 模型在复杂地形大气预 测中的应用，在有无探空数据、地形数据的条件下对敏感点预测分析，结果表 明探空数据的有无对预测结果的影响十分显著，地形数据的有无则对预测结果 影响较小。 丁飒( 2 0 1 1 ) b 2 1 等探讨了a e r m o d 模型中地表特征参数波文比、反照率和 地面粗糙度不同取值情况下对预测结果影响，提出了精确确定参数的建议。 美国e p a 及我国法规导则中推荐的a e r m o d 都是d o c 界面版本的，在模 型方便用户使用，操作界面可视化方面，国内也有部分相关人员进行了开发， 其中最主要的有两个，一是河北省王如建开发的a e r m o d s y s t e m ，二是六五软件 1 2 第二章大气扩散模式概论 工作室吴文军等开发的的e l a p r o a 。a e r m o d s y s t e m 程序以a e r m o d 为核心，提供 一个良好的用户界面，以提高用户预测的方便性，软件将e p a 的a e r m o d 、a e r m e t 、 a e r m a p 及建筑物下洗模型有机的结合在一起，对其主要功能进行了封装，并根 据国内环评特点进行了外部的扩展口3 | 。e i a p r o a 提供了常规大气环评中所需的几 乎全部工具程序，分成基础数据、s c r e e n 3 模型、a e l l m o d 模型、9 3 导则模 型、风险预测和工具程序六个功能模块，且各模块应用较为深入，比如基础数 据中的污染源不仅包括基本源类型及其变种，对源强变化因子也考虑了多达1 0 种类型3 引。 从分析可以看出，国内学者对于a e r m o d 的研究，主要是集中在对模型的 介绍和应用验证上，说明的问题也主要是a e r m o d 模型比9 3 导则模型预测结果 更合理。更深一步，夏思佳等则尝试着在底层上对模型进行过应用讨论，但目 前还没有对模型数值模拟过程的介绍。为了方便用户使用模型，相关工作人员， 对模型进行了二次开发。对模型进行二次开发，是在不改变美国e p a 及我国法规 导则中推荐的a e r m o d 程序的基础上的应用，只是对模型的进一步封装，没有 揭示和改进模型的应用程序，一方面方便了用户对模型的使用，另一方面加大 了模型应用人员对模型深层次原理的理解。 第四节第三代空气质量模式 第三代空气质量模式已由美国国家环保局( e p a ) 于1 9 9 8 年开发成功，通称为 m o d e i s - 3 口引。系统由三大部分组成，中尺度气象模式m m 5 、排放模式系统s m o k e 和通用多尺度空气质量模式系统c m a q 。其核心是通用多尺度空气质量模式 ( c m a q ) ，c m a q 设计为多层次网格模式，既将仿真的区域分成大小不同的网格范 围来分别仿真。适用于多尺度( 局地、城市、地区和大陆) 、多污染物( 种类 达8 0 多种，包括多种化学反应传输机制) 的空气质量的预报、评估和决策研究 触 彳fo 与第一代、第二代模式不同，m o d e l s 一3 将所有的大气问题均考虑到模式之 中，提出了“一个大气”的概念( o n e - - a t m o s p h e r e ) ，模型的综合处理能力大大 提高，m o d e l s - 3 突破了传统模式针对单一物种或单相物种的模拟，考虑了实际 大气中不同物种之间的相互转换和互相影响。c m a q 多层网格模式提高了模式的 模拟准确度和速度。m o d e l s 一3 将模拟的范围扩展到大陆尺度，提供了可供选择 第二章大气扩散模式概论 的多种空间尺度范围，用户可选择局地、城市、区域和大陆等多种尺度的研究 范围。可同时进行多种污染物浓度的预报，可同时综合处理复杂的空气污染( 如 0 。、p m 小毒化物、酸沉降和能见度等) 问题。m o d e l s - 3 模式系统采用模块化的结 构，易于加入新的研究成果。在m o d e l s - 3 的化学输送模式有两种可供选择的化 学机制：c b 4 和r a d m 2 ，并且也可以修改已经存在的化学机制或使用新的化学机 制。 1 4 第三章a e r m o d 演化发展分析 第三章a e r m o d 演化发展分析 a e r m o d 模型从开发至今走过了2 0 个年头，经过了数次的改版，模型改版一 方面是为了修补模型的b u g ，一方面是改进模型的应用机理。目前我国法规导则 等文件中对模型的相关说明多是以a e r m o dv e r s i o n0 4 3 0 0 ( 2 0 0 4 年1 0 月2 6 日) 为基础的，以v e r s i o n0 4 3 0 0 为基础，至今a e r m o d 已经经过了几次升级，分别是 v e r s i o n0 6 3 4 1 ( 2 0 0 6 年1 2 月7 日) 、v e r s i o n0 7 0 2 6 ( 2 0 0 7 年1 月2 6 日) 、v e r s i o n 0 9 2 9 2 ( 2 0 0 9 年1 0 月1 9 日) 、v e r s i o n1 1 0 5 9 ( 2 0 1 1 年2 月2 8 日) 。 第一节a e r m o d 功能演化对比分析 a e r m o d 是一个处于不断发展中的模型，模型的原理在不断的完善，模型的 功能也在不断的增加，模型开发人员希望模型能够更加合理的模拟更多情况下 污染物的扩散，也希望模型能够模拟更多的污染物，同时，由于模型是用数值 开发语言f o r t r a n 开发而成，用计算机语言去表达数学运算，难免会存在一些不 完善的地方，开发人员也难免会造成一定的疏漏，因此，模型需要不断的修订。 美国e p a ( 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 ) 鼓励a e r m o d 广大用户参与到模