大气模型发展简史与简介.doc

大气模型发展简史与简介1.1 第一代空气质量模型高斯模型和拉格朗日烟团轨迹模型第一代空气质量模型主要包括了高斯扩散模型和拉格朗日轨迹模型。这两类模型都是利用风的运动轨迹来模拟近地层大气层中复杂的物理和化学过程。它的物理表述即模拟均匀混合的大气物质沿风向运动的情况。在大气物质从地面向高层运动的过程中，其运动规则受到垂直方向上风速以及温度的不均匀分布的影响而不断的发生变化。具体过程见图。1. EIAA （典型高斯） 适用于50km的区域EIAA大气环评助手“是宁波环科院六五软件工作室开发的软件。HJ/T2.2-93 环评导则-大气环境、JTJ005-96 公路建设项目环评规范-大气部分，中国环境影响评价培训教材等文献中推荐的模型和计算方法作为主要框架，内容涵盖了导则中的全部要求，并进行了适当地拓展与加深。 可以处理点源、面源、体源、线源对于预测计算结果，可以查看各接受点地面高程及其等高线图各接受点的背景浓度及其分布图各污染源的浓度和总的浓度及其分布图各污染源的分担率及其分布图各污染源或总的浓度的平均评价指数和超标面积还可以任意改变各污染源的排放率（排放强度）以观察不同排放率下的浓度变化情况也可查看任意一个横截面或竖截面上的浓度变化图广泛应用的版本是EIAA2.5，EIAA2.6。版本中均有bug，大家谨慎使用。2. aermod（稳态高斯） 适用于50km的区域AERMOD由美国国家环保局联合美国气象学会组建法规模式改善委员会（AERMIC）开发。 AERMIC的目标是开发一个能完全替代ISC3的法规模型，新的法规模型将采用ISC3的输入与输出结构、应用最新的扩散理论和计算机技术更新ISC3 计算机程序、必须保证能够模拟目前ISC3能模拟的大气过程与排放源。20世纪90年代中后期，法规模式改善委员会在美国国家环保局的财政支持下，成功开发出AERMOD扩散模型 。该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。模式系统可用于多种排放源（包括点源、面源和体源、线源）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。 Aermod作为正在开发的模型，模型中还存在bug，但其不在改进，而且模型在小范围预测的精准性是其他模型不能比拟的，模型需要地面气象数据、高空气象数据和地形数据（平坦地形不需要）3 CALPUFF（不稳态高斯） 对于比较大的区域模型是美国EPA推荐的由Sigma Research Corporation （现在是Earth Tech, Inc的子公司）开发的空气质量扩散模式，CALPUFF模型是由CALMET气象模块、CALPUFF烟团扩散模块和CALPOST后处理模块三部分组成。CALPUFF是用于非定常、非稳态的气象条件下，模拟污染物扩散、迁移以及转化的多层、多物种的高斯型烟团扩散模式。模拟的尺度可以从几十米到几百公里在近距离模式可以处理如建筑物下洗、浮力抬升、动力抬升、部分烟羽穿透和海陆交互影响等过程在远距离可以处理干、湿沉降，化学转化，垂直风修剪和水上输送等污染物清除过程。模式可以处理逐时变化的点源、面源、线源、体源等污染源，可选择模拟小时、天、月以及年等多种平均模拟时段。充分考虑下垫面的影响输出结果主要包括逐时的地面网格和各指定受体点的污染物浓度。模型需要数据较多，包括必须的逐时气象数据、地形数据、土地利用数据，模型可以处理干湿沉降、化学转化、海岸和复杂地形。在处理50km的区域时，应优先考虑。4 ADMS模型（3D 高斯）由剑桥环境研究公司发展的ADMS 大气模型系列能广范应用于计算气体污染物和颗粒状污染物。每一个模型的用户界面经过精心设计以适用于不同程度的应用。所有的模型都经过了广泛严密的论证。所有的ADMS 模型都具有中文版。ADMS-城市, 是大气扩散模型系统(ADMS)系列中的最复杂的一个系统。它运行于PC 之上, 模拟城市区域来自工业, 民用和道路交通的污染源产生的污染物在大气中的扩散。 ADMS-城市模型用点源, 线源, 面源, 体源和网格源模型来模拟这些污染源。 经设计, 可以考虑到的扩散问题包括最简单的(例如,一个孤立的点源或单个道路源)到最复杂的城市问题(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)。 它对研究大气质量管理措施特别有用，例如计算先进技术的引进，低排污区对污染状况的影响, 燃料的改变, 限制车速的设计对空气质量的影响等。ADMS-城市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。 ADMS-城市与MapInfo以及ESRI的ArcView可以完全有机的连接。 我们推荐将ADMS-城市与这两个地理信息系统中的任何一种一起使用。 因为这样可以使用数字地图数据, CAD制图和/或航片真实直观地设置您的污染问题。在所使用的不同类型的地图数据上，生成如等值平面图的输出和作报告用的硬拷贝图形等。至于如何得到这些地图数据, 相应的信息可以由ArcView 和MapInfo的供应者提供。ADMS-城市与其它用于城市地区的大气扩散模型的一个显著的区别是ADMS-城市应用了现有的基于MoninObukhov长度和边界层高度描述边界层结构的参数的最新物理知识。其它模型使用Pasquill稳定参数的不精确的边界层特征定义。在这个最新的方法中,边界层结构被可直接测量的物理参数定义。这使得随高度的变化而变化的扩散过程可以更真实地表现出来，所获取的污染物的浓度的预测结果通常是更精确,更可信。ADMS仅需要地面气象数据，地形数据需要的是x、y、z坐标形式。表1 模型粗略对比功能ADMS、AERMOD模式导则推荐模式 EIAA气象数据地面、高空数据，也可仅使用地面数据地面气象数据低空廓线数据使用风速、温度和湍流的廓线数据仅使用风速廓线数据混合层顶处理烟羽抬升到混合层顶部，采用部分反射、部分穿透，穿透部分又部分返回烟羽抬升到混合层顶部，采用全反射混合层高度对流混合层、稳定边界层经验公式计算或Holzworth边界层参数摩擦速度、莫宁-奥布霍夫长度、对流速度尺度、机械和对流混合层高度、热通量风速、风向、稳定度、混合层高度地形分类按土地分类给出各种地面的粗糙度城市、农村、平坦和复杂地形地形处理有地形的预处理没有扩散参数和大气稳定度按空气湍流结构和尺度概念，湍流扩散有参数化方程给出，扩散参数、稳定度用连续参数表示扩散参数和大气稳定度不连续，稳定度分类采用 Pasquill分类建筑物下洗功能有没有不稳定条件下的垂直扩散采用非正态的PDF格式采用正态分布这一代模型在1970到1980年期间它被广泛应用于控制臭氧的战略评估中。在这一时期，由于计算机平台还未得到广泛的推广，所以无法进行较为复杂的计算和分 析。而第一代模型因其较为简单的理论基础和计算使它得以适应了这一限制条件，从而得到发展。这一代的模型中比较具有代表性的模型是OZIPM/EKMA。 但是随着科技的不断发展，拉格朗日轨迹模型不可避免地逐渐显示出它的缺点。首先由于该模型所模拟的物理过程过于简单，所以它也就无法完整的描述大气运动的 状况。例如，当风区不均匀，或者因下垫面不均匀，并且模拟的尺度达到几十公里使得流场比较复杂时，高斯烟流模型的精度就难以满足要求，另外拉格朗日模型对 沉积和化学转化过程只能做十分粗略的处理，当这些过程已相当重要或者作为研究对象时，该模型就不适用。所以对于模拟在大气污染中起越来越大作用的臭氧和颗 粒物(PM)等物质而言，第一代模型已显示出它的劣势了。于是人们开始将目光投向了一种新的具有三维空间效应的模型即第二代空气质量模型欧拉网格模型， 这种模型以其对物理过程精确合理的描述以及对整个模拟区域大气浓度的预测很快在大气环境研究领域崭露头角。1.2 第二代空气质量模型欧拉数值模型第二代空气质量模型欧拉数值模型是一类在1980-1990年期间得到广泛应用的模型。在这类模型中，被选定的区域被分成许多网格单元。模型将模拟每个单 元格中大气层中的化学变化过程，以及位于该网格周边的其他单元格内的大气状况，这包括污染源对网格区域内的影响，以及所产生的沉降作用。欧拉数值模型主要包括三种模型即：城市尺度光化学氧化模型Urban Airshed Model（UAM），区域酸沉降模型the Regional Acid Deposition Model（RADM），区域尺度光化学氧化模型the Regional Oxidant Model（ROM）。其 中ROM模型是一类被用于模拟区域内光化学氧化过程的三维网格模型。它曾广泛被USEPA应用于区域发生光化学氧化过程的研究。但是由于这种模型的结构过 于复杂以至于非专业人士无法对其进行操作，所以USEPA已于最近停止了对开发这种模型的资金支持。UAM是一类被用于模拟城市内发生的光化学氧化过程的 模型。该模型在1970年就已经产生了，但是历经多次改进，直到80年代才得以应用。它的优越之处在于，首先它能与CB4技术相兼容，同时能利用高效、精 确的Smolarkiewicz水流方案来解平流方程。从而能得到更为精准的模拟结果。目前UAM是唯一得到USEPA推荐的用于模拟光化学污染情况的模 型，并被广泛应用于验证美国大都市中臭氧浓度的达标情况以及评估大气污染控制战略的有效性。RADM模型的发展最初主要是被应用于研究酸沉降的，但是该模 型也同样包括臭氧以及SOx和NOx的化学基础。与前两个模型相比，RADM的单元格以及模拟区域的尺寸要大的多，这主要是因为该模型关注的是形成缓慢、 转移范围大的酸物质。第一代和第二代大气模型的特性比较如表1-2-1所示。表2第一第二代大气模型的特性比较名称OZIPM/EKMAUAMRADMROM结构拉格朗日轨迹（箱式）模型三维欧拉数值模型三维欧拉数值模型三维欧拉数值模型 模拟对象 城市内臭氧城市内臭氧地区性臭氧和酸沉降地区性臭氧和酸沉降网格定义-18km20-80km4-8km一维设计目的模拟城市的氧化物运动过程模拟光化学污染物的形成和沉降的大气过程模拟在区域内光化学污染物的沉降过程缺点模拟二次污染物如臭氧和颗粒物（PM）时,其化学机理过于复杂结构复杂，无法同时模拟多种污染物对大气质量的共同影响结构复杂，无法同时模拟多种污染物对大气质量的共同影响结构过于陈旧和复杂，致使非专业人士无法操作 现状由于应用受到限制,已经基本被淘汰目前唯一还得到EPA支持和推荐的第二代空气质量模型用于美国、欧洲、亚洲的酸沉降和臭氧的决策和研究中EPA已经停止对该模型发展的支持 模型的价值在于它能够被应用于环境决策和环境研究中，并为它们提供分析和决策支持。然而目前的空气质量模型，一方面在功能上都存在种种缺陷，有些模型存在由于结构过于复杂而不易操作的问题；另一方面这些模型在设计之初就未考虑到技术上的可延续性，所以也造成了今天高尖端的电脑硬件和软件技术的优越性无法在模型的使用上得到充分体现的局面。在过去，空气质量模型通常只是单独的为解决某一个空气污染问题而设计的，然而现在研究者发现许多空气污染物的形成与发展是相互关联的。例如，对氮氧化物（NOx）排放的控制不但会对臭氧浓度有影响，同时PM、酸沉降、甚至大气能见度都会得到一定的改善。因此，要想对污染物控制的策略有深入的评价就要求模型能够同时模拟多种污染物的状况。第二代大气模型大多应用在城市区域大气质量控制中，很少应用于项目环评中，只是在大的区域环评中有应用。 1.3 第三代空气质量模型区域多尺度空气质量模型区域多尺度空气质量模型,即“Models-3/CMAQ”, 是1998年第一次正式发布的第三代空气质量模型