鎮(zhèn)江市環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式的選擇

張先寶

摘 要：本文針對《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警方法技術(shù)指南》推薦的中國的NAQPMS、美國的CMAQ、CAMx和WRF-Chem以及法國的Polyphemus五個模式，分別從區(qū)域位置、地形地貌、氣象氣候、污染源特點、顆粒物等質(zhì)量因子特點以及所需的條件五個指標(biāo)進(jìn)行分析，并提出模式選擇的思路與方法；最后，結(jié)合鎮(zhèn)江市區(qū)域、地形、氣候、污染源和PM成分等影響因素，綜合性比較分析，對鎮(zhèn)江環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式進(jìn)行的選擇。

關(guān)鍵詞：空氣質(zhì)量；數(shù)值預(yù)報；模式；選擇

近年來，我國京津冀和長三角等地區(qū)霧霾天氣多發(fā)，霧霾發(fā)生的特點不僅日數(shù)多，而且影響范圍廣。從污染因子分析，PM2.5已成為影響我國大氣環(huán)境質(zhì)量的首要污染物，并呈現(xiàn)典型的區(qū)域性、復(fù)合型污染特征[1-3]。預(yù)報模式運用主要經(jīng)歷經(jīng)驗預(yù)報、潛式預(yù)報、統(tǒng)計預(yù)報、數(shù)值預(yù)報、集合預(yù)報、多模式集合預(yù)報、資料同化等階段[4]。目前，地級城市還處于潛式預(yù)報或統(tǒng)計預(yù)報階段，正著手進(jìn)行數(shù)值預(yù)報開發(fā)研究工作，數(shù)值預(yù)報模式有很多種，因此，如何選擇適合當(dāng)?shù)氐念A(yù)報模式，是開發(fā)空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報工作首要問題。

1 空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報特點

空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模型均應(yīng)具有以下共同優(yōu)點：（1）應(yīng)充分考慮了各種大氣物理過程和各污染物間的化學(xué)反應(yīng)及氣固兩相轉(zhuǎn)化過程，可模擬多污染物間的協(xié)同效應(yīng)；（2）應(yīng)基于嵌套網(wǎng)格設(shè)計，可用于模擬局地、區(qū)域等多種尺度的大氣環(huán)境問題；（3）應(yīng)基于“一個大氣”的設(shè)計理念，通過一次工作可以同時模擬各種大氣環(huán)境問題，特別適用于模擬03、PM、酸雨等區(qū)域性復(fù)合型大氣污染過程[5]。但是不同的數(shù)值模式針對區(qū)域位置，預(yù)測范圍，適用條件和預(yù)報方式存在差別。因此，在構(gòu)建空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式時，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐那闆r、基礎(chǔ)資料的占有量、預(yù)報精度的要求以及經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)選擇合適的模式。

2 通用的空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式及其特點

2014年3月，中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警方法技術(shù)指南》，推薦環(huán)境空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式5種，主要為中國的NAQPMS模式、美國的CMAQ模式、CAMx模式和WRF-Chem模式以及法國的Polyphemus模式。

2.1 模式評價指標(biāo)

在選擇空氣資料數(shù)值預(yù)報模式時，需要評價的指標(biāo)有區(qū)域位置、地形地貌、氣象氣候、污染源特點以及所需的條件五個指標(biāo)。

2.2 模式區(qū)域位置適用范圍

CAMx為城市到洲際尺度，以中尺度模型提供氣象場驅(qū)動。CMAQ為城市和區(qū)域，對多種尺度、各種復(fù)雜的大氣環(huán)境污染問題進(jìn)行系統(tǒng)模擬。NAQPMS為城市到區(qū)域尺度，Polyphemus為局地小尺度到區(qū)域洲際大尺度。WRF-Chem為城市到區(qū)域尺度，常被用于研究城市復(fù)合污染特征。

2.3 模式地形地貌適用范圍

CAMx為適應(yīng)任何用來為環(huán)境模型提供輸入場的氣象模型。CMAQ為最初設(shè)計的目的在于將復(fù)雜的空氣污染問題如對流層的臭氧、PM、毒化物、酸沉降及能見度等問題綜合處理。NAQPMS為模式設(shè)計了東亞地區(qū)起砂機(jī)制模型，能較好的模擬沙塵的產(chǎn)生和輸送過程。Polyphemus為法國開發(fā)，適用北歐。WRF-Chem為最新發(fā)展的區(qū)域大氣動力-化學(xué)耦合模式。是在NCAR開發(fā)的中尺度數(shù)值預(yù)報氣象模式（WRF）中加人大氣化學(xué)模塊集成而成。

2.4 模式氣象氣候適用范圍

CAMx最著名的特點包括：雙向嵌套及彈性嵌套、網(wǎng)格煙羽（PiG）模塊、臭氧源分配技術(shù)（OSAT）、顆粒物源分配技術(shù)（PSAT）等，能適應(yīng)任何用來為環(huán)境模型提供輸入場的氣象模型。CMAQ為采用了“One-Atmosphere”的設(shè)計理念，能對多種尺度、各種復(fù)雜的大氣環(huán)境污染問題進(jìn)行系統(tǒng)模擬。NAQPMS為為三維歐拉輸送模式，垂直坐標(biāo)采用地形追隨坐標(biāo)，垂直方向不等距分為18層；水平結(jié)構(gòu)為多重嵌套網(wǎng)格，采用單向和雙向嵌套技術(shù)，水平分辨率一般為3～81公里。Polyphemus為運用包括高斯煙羽模型、歐拉化學(xué)傳輸模型以及格點煙羽模型等多種物理化學(xué)模型。WRF-Chem為對湍流交換、大氣輻射、積云降水、云微物理及陸面等多種物理過程均有不同的參數(shù)化方案，可以為化學(xué)模式在線提供大氣流場，模擬污染物輸送（包括平流、擴(kuò)散和對流過程）、干濕沉降、氣相化學(xué)、氣溶膠形成、輻射和光分解率、生物所產(chǎn)生的放射、氣溶膠參數(shù)化和光解頻率等過程。

2.5 模式模擬污染源的特點

CAMx為模擬SO2、NOx、PM、NH3、VOC等物質(zhì)傳輸。CMAQ為模擬過程充分考慮大氣中各種污染物之間的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)，能夠?qū)缀跛写髿馕廴疚镞M(jìn)行模擬。能考慮周邊環(huán)境及社會經(jīng)濟(jì)活動對大氣污染源的影響。NAQPMS為可用于多尺度污染問題的研究，不但可以研究區(qū)域尺度的空氣污染問題。WRF-Chem為污染源的氣溶膠模塊考慮了34種變量（一次、二次粒子），粗粒子源充分考慮人為源、海洋源和土壤塵源。

3 鎮(zhèn)江市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式的選擇

鎮(zhèn)江市地處我國四個明顯霾區(qū)之一的長江三角洲地區(qū)，作為一個受煤煙型污染較明顯的城市，其大氣污染已不再是受單一或少數(shù)幾個污染物的影響，而呈現(xiàn)出一種多元的復(fù)合型污染特征。對近幾年鎮(zhèn)江市塵霾污染成因分析發(fā)現(xiàn)，鎮(zhèn)江市的OC/EC大于2.2，已經(jīng)產(chǎn)生二次衍生氣溶膠。空氣質(zhì)量AQI數(shù)據(jù)監(jiān)測顯示，近幾年O3作為首要污染物出現(xiàn)的頻率有逐年增長的趨勢。根據(jù)《指南》推薦數(shù)值模式特點，結(jié)合鎮(zhèn)江當(dāng)?shù)馗饔绊懸蛩厍闆r，比較選擇相對適合鎮(zhèn)江市空氣質(zhì)量預(yù)報模式。

4 結(jié)論和建議

根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報預(yù)警方法技術(shù)指南》推薦的五種模式功能特點，與鎮(zhèn)江市區(qū)域大小、地形地貌、氣象條件、污染源性質(zhì)、PM成分特點、實現(xiàn)基礎(chǔ)等因素進(jìn)行比較，最終確定WRF-Chem模式適用于鎮(zhèn)江地區(qū)環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)的建設(shè)。

WRF-Chem模式的開發(fā)與應(yīng)用需要專業(yè)技術(shù)力量支持，作為地市級環(huán)境部門，應(yīng)與專業(yè)的軟件開發(fā)人員配合。目前，基于WRF-Chem模式鎮(zhèn)江市環(huán)境質(zhì)量預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)已得到開發(fā)與應(yīng)用，取得了初步的工作成效，適合在底子薄、技術(shù)能力和配套設(shè)施不足、資金有限的三、四線城市中參考推廣。

參考文獻(xiàn)

[1] Chan C K，Yao X.Air pollution in mega cities in China[J].Atmospheric Environment，2008，42：

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[5] 薛文博，王金南，楊金田，等.國內(nèi)外空氣質(zhì)量模型研究進(jìn)展.環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展[J].2013，3：14-18.