基于拉格朗日混合單粒子軌道模型的大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)研究*

沈 浩 劉端陽(yáng)

(1.江蘇省江陰市氣象局，江蘇 無(wú)錫 214432；2.江蘇省氣象局，江蘇 南京 210008)

近年來(lái)，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，危險(xiǎn)化學(xué)品泄漏、爆炸等大氣污染事件頻發(fā)，不僅給社會(huì)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，而且給周邊環(huán)境和人類(lèi)健康帶來(lái)了嚴(yán)重影響。在突發(fā)性大氣污染事件發(fā)生時(shí)，第一時(shí)間掌握污染物的擴(kuò)散趨勢(shì)，能為災(zāi)害的預(yù)報(bào)預(yù)警提供必要的參考依據(jù)。污染物的擴(kuò)散除了與自身化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，主要受氣象條件的影響，從現(xiàn)有觀測(cè)資料來(lái)看，針對(duì)污染物和影響污染物擴(kuò)散的氣象要素的觀測(cè)多為定點(diǎn)觀測(cè)，且觀測(cè)要素有限，因而僅憑目前的觀測(cè)資料難以實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物擴(kuò)散情況的預(yù)報(bào)。數(shù)值模式具有精度高、時(shí)效長(zhǎng)、可靠性高、內(nèi)容豐富、結(jié)果直觀的特性，可以滿(mǎn)足人們對(duì)大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)質(zhì)量的基本要求。

早在20世紀(jì)70年代，人們就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)污染物的輸送和擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，并逐漸開(kāi)展大氣污染的預(yù)報(bào)工作。20世紀(jì)80年代前，大氣污染預(yù)報(bào)多為經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)，主要通過(guò)現(xiàn)有觀測(cè)資料對(duì)影響大氣污染物輸送和擴(kuò)散的氣象因素進(jìn)行分析，得出預(yù)報(bào)結(jié)論[1-5]。針對(duì)大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)的數(shù)值模式研究始于20世紀(jì)80年代中期，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，大氣污染物擴(kuò)散模型正朝著更加精細(xì)化、多元化及更有針對(duì)性的方向發(fā)展。施介寬[6]利用傳統(tǒng)的高斯模型研究了垂直氣流對(duì)大氣污染物分布的影響，指出垂直氣流的存在將明顯影響高架源大氣污染物的分布，特別在下沉氣流中，地面污染物濃度將增大1～2個(gè)量級(jí)。朱黎明等[7]為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)煤層氣泄露污染的擴(kuò)散路徑及范圍，針對(duì)高斯模型進(jìn)行了改進(jìn)，結(jié)果表明，改進(jìn)后的高斯模型能夠較好地模擬煤層氣在空氣中的擴(kuò)散分布狀況。李航等[8]采用WRF-CALPUFF模型結(jié)合美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)的再分析資料，對(duì)日本福島核電站2011年3月12日的核泄漏事故進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可以較好地反映核物質(zhì)擴(kuò)散情況，尤其是關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)的模擬結(jié)果與實(shí)際一致。馬春香等[9]針對(duì)幾種大氣污染物擴(kuò)散模式的應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明：CAPPS模式應(yīng)用于國(guó)內(nèi)一些城市的大氣污染預(yù)報(bào)，方法簡(jiǎn)單；NAQPM模式對(duì)物理/化學(xué)過(guò)程的處理、氣象場(chǎng)模擬、污染源排放、地域環(huán)境特征、數(shù)據(jù)處理分析與計(jì)算均采用較為科學(xué)的方案；ISC模式在污染源排放清單和氣象參數(shù)確定方面更加細(xì)致、準(zhǔn)確。

拉格朗日混合單粒子軌道(HYSPLIT)模型是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送軌跡、擴(kuò)散濃度的專(zhuān)業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場(chǎng)、多種物理過(guò)程和不同類(lèi)型污染物排放源的功能，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物傳輸和擴(kuò)散的研究中。本研究從數(shù)值預(yù)報(bào)角度入手，基于HYSPLIT模型中的部分模塊來(lái)搭建大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)模型，在突發(fā)性大氣污染事件發(fā)生時(shí)，可以即時(shí)模擬預(yù)報(bào)大氣污染物擴(kuò)散趨勢(shì)，為災(zāi)害的處置和救援提供保障。

1 開(kāi)發(fā)工具與運(yùn)行環(huán)境

本研究基于Microsoft Visual Studio 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的Visual C#進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)，通過(guò)構(gòu)建客戶(hù)端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)將HYSPLIT模型中的部分內(nèi)核重新進(jìn)行整合，并實(shí)現(xiàn)了與大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)的對(duì)接。在利用Visual C#進(jìn)行編程時(shí)采用了Microsoft.net Framework 4.0環(huán)境，因而大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境限于Microsoft.net Framework 4.0及以上版本。

2 大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要功能如下：

(1) 利用Visual C#編程實(shí)現(xiàn)大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)與HYSPLIT模型部分模塊接口的對(duì)接，并實(shí)現(xiàn)HYSPLIT模型參數(shù)設(shè)置和大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)功能性路徑設(shè)置的界面化，參數(shù)設(shè)置中污染源起始點(diǎn)位置、污染物起始濃度、污染物擴(kuò)散起始時(shí)間和持續(xù)時(shí)間均可任意選取。

(2) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)下載全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS)的最新預(yù)報(bào)初始場(chǎng)數(shù)據(jù)，并自動(dòng)刪除歷史數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)堆積。

模擬預(yù)報(bào)的質(zhì)量與精度：污染物輸送軌跡模擬初始場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)效為180 h(7.5 d)，時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為0.5°×0.5°；污染物擴(kuò)散趨勢(shì)模擬初始場(chǎng)數(shù)據(jù)時(shí)效為84 h(3.5 d)，時(shí)間分辨率可達(dá)1 min，空間分辨率為0.5°×0.5°。

(3) 實(shí)現(xiàn)大氣污染物在不同高度輸送軌跡的模擬預(yù)報(bào)。

(4) 針對(duì)突發(fā)性大氣污染，實(shí)現(xiàn)即時(shí)模擬預(yù)報(bào)大氣污染物擴(kuò)散趨勢(shì)。

圖1 大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Function chart of atmospheric pollutant diffusion forecast system

(5) 針對(duì)常規(guī)大氣污染源，實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)批量模擬預(yù)報(bào)單污染源或多污染源的污染物擴(kuò)散趨勢(shì)。定時(shí)模擬預(yù)報(bào)分3個(gè)時(shí)段：前天20：00至今天20：00(0～24 h)；今天20：00至明天20：00(24～48 h)；明天20:00至后天20：00(48～72 h)。

(6) 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)定時(shí)下載最新全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)實(shí)況數(shù)據(jù)(時(shí)間分辨率為1 min，空間分辨率為1.0°×1.0°)。利用實(shí)況數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬預(yù)報(bào)結(jié)果的對(duì)比檢驗(yàn)。

(7) 自動(dòng)批處理預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)成圖，并實(shí)現(xiàn)圖片的分類(lèi)顯示。

3 大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)的界面介紹

3.1 大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)主界面

大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)主界面包含各項(xiàng)功能菜單和圖形顯示窗口，如圖2所示。

圖2 大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of atmospheric pollutant diffusion forecast system

(1) 軌跡預(yù)報(bào)菜單：用于設(shè)置大氣污染物輸送軌跡預(yù)報(bào)參數(shù)，并運(yùn)行軌跡預(yù)報(bào)的模擬程序。

(2) 濃度預(yù)報(bào)菜單：用于設(shè)置大氣污染物擴(kuò)散濃度的預(yù)報(bào)參數(shù)，并運(yùn)行濃度預(yù)報(bào)的模擬程序。

(3) 實(shí)況模擬菜單：用于設(shè)置大氣污染物輸送軌跡和擴(kuò)散濃度的實(shí)況模擬參數(shù)。

(4) 設(shè)置菜單：包括各項(xiàng)路徑設(shè)置和手動(dòng)下載按鈕。

(5) 圖形顯示界面：系統(tǒng)自動(dòng)批處理預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)成圖，并實(shí)現(xiàn)圖片的分類(lèi)顯示。

3.2 參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面(以濃度實(shí)況模擬為例)如圖3所示。參數(shù)一般包含：

(1) 模擬起始時(shí)間：指模擬預(yù)報(bào)個(gè)例的起始時(shí)間(以“年 月 日 時(shí)”形式描述，以全球通用協(xié)調(diào)時(shí)間(UTC)計(jì))。

圖3 參數(shù)設(shè)置界面Fig.3 Interface of model parametric setup

(2) 模擬時(shí)間：指模擬預(yù)報(bào)個(gè)例的時(shí)間長(zhǎng)度(以h為單位)。

(3) 模擬時(shí)間間隔：指模式模擬的時(shí)間間隔(以h或min為單位)。

(4) 污染物擴(kuò)散速率：指污染源單位時(shí)間排放的污染物質(zhì)量(以mass/h為單位，mass為任意質(zhì)量單位)。

(5) 污染擴(kuò)散起始時(shí)間：指污染物從污染源開(kāi)始擴(kuò)散的起始時(shí)間(以“年 月 日 時(shí) 分”形式描述，以UTC計(jì))。

(6) 污染擴(kuò)散持續(xù)時(shí)間：指污染物從污染源開(kāi)始擴(kuò)散到結(jié)束的時(shí)間(以h為單位)。

(7) 模擬區(qū)域中心經(jīng)緯度：指模擬的地理位置中心(以“緯度 經(jīng)度”形式描述，經(jīng)度和緯度均以°為單位)。

(8) 模擬區(qū)域范圍：以模擬區(qū)域中心為原點(diǎn)，以徑圈數(shù)和徑圈間距的乘積作為半徑。

(9) 起始位置個(gè)數(shù)：指污染源個(gè)數(shù)。

(10) 起始位置：指污染源的緯度、經(jīng)度、高度，以(“經(jīng)度 緯度 高度”形式描述，經(jīng)度和緯度均以°為單位，高度以m為單位)；如果有多個(gè)污染源，需逐個(gè)寫(xiě)入污染源的起始位置。

4 天津“8·12”危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)爆炸事件模擬

4.1 污染物輸送軌跡

利用大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)2015年天津“8·12”危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)爆炸事件進(jìn)行污染物輸送軌跡模擬，主要參數(shù)設(shè)置方案見(jiàn)表1。從各高度的污染物輸送軌跡看，模擬預(yù)報(bào)與實(shí)況預(yù)報(bào)基本吻合(見(jiàn)圖4(a)和圖4(b))。總體來(lái)看，此次爆炸事件產(chǎn)生的大氣污染物主要輸送方向?yàn)椴澈撤较颉＝Y(jié)合美國(guó)過(guò)境衛(wèi)星Terra于2015年8月13日3:00的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，爆炸后產(chǎn)生的煙團(tuán)正向渤海灣傳輸，且污染物所在位置與模擬預(yù)報(bào)基本一致(見(jiàn)圖4(c))。污染物在24 h內(nèi)主要以水平輸送為主，垂直輸送很弱。隨著污染擴(kuò)散時(shí)間的持續(xù)，不同高度的污染物在水平輸送方向上差異明顯。

圖4 污染物輸送軌跡比較Fig.4 Comparison of pollutant transport trajectory

參數(shù)設(shè)置模擬起始時(shí)間2015年8月12日12時(shí)模擬時(shí)間/h24污染擴(kuò)散起始時(shí)間2015年8月12日15時(shí)30分起始位置(117.75°,39.04°,10m)模擬起始高度/hPa898、950、1005

表2 污染物擴(kuò)散趨勢(shì)模擬的主要參數(shù)設(shè)置

4.2 污染物擴(kuò)散趨勢(shì)

利用大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)，對(duì)2015年天津“8·12” 危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)爆炸事件進(jìn)行污染物擴(kuò)散趨勢(shì)模擬，主要參數(shù)設(shè)置方案見(jiàn)表2。從圖5可以看出，在爆炸后12 h內(nèi)，模擬預(yù)報(bào)的污染物擴(kuò)散趨勢(shì)與實(shí)況預(yù)報(bào)基本吻合，說(shuō)明大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)取得了較好的模擬預(yù)報(bào)效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置的界面化，能自動(dòng)下載、讀取模擬預(yù)報(bào)的最新初始場(chǎng)數(shù)據(jù)和實(shí)況數(shù)據(jù)；采用C/S架構(gòu)搭建，穩(wěn)定性高、響應(yīng)快、界面簡(jiǎn)潔美觀、操作簡(jiǎn)單方便。當(dāng)突發(fā)性大氣污染事件發(fā)生時(shí)，可以利用該系統(tǒng)對(duì)污染物輸送軌跡和擴(kuò)散趨勢(shì)進(jìn)行即時(shí)模擬預(yù)報(bào)。大氣污染物擴(kuò)散預(yù)報(bào)系統(tǒng)較好地模擬了2015年天津“8·12”危險(xiǎn)化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)爆炸事件的污染物輸送軌跡和擴(kuò)散趨勢(shì)，表明爆炸產(chǎn)生的污染物主要向渤海灣方向輸送，污染物主要以水平輸送為主，垂直輸送很弱。隨著污染擴(kuò)散時(shí)間的持續(xù)，不同高度的污染物在水平輸送方向上差異明顯。

圖5 污染物擴(kuò)散趨勢(shì)比較Fig.5 Comparison of pollutant diffusion tendency

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