臭氧數(shù)值預(yù)報(bào)模型綜述

劉 烽，徐怡珊

1.Atmospheric Research Centre, Illinois State Water Survey, University of Illinois at Urbana-Champaign, Illinois 61820 2.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044 3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

臭氧數(shù)值預(yù)報(bào)模型綜述

劉 烽1，2，徐怡珊3

1.Atmospheric Research Centre, Illinois State Water Survey, University of Illinois at Urbana-Champaign, Illinois 61820 2.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044 3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100012

光化學(xué)大氣質(zhì)量模型在研究臭氧(O3)污染以及O3預(yù)報(bào)方面具有核心作用，是O3污染防治決策者的有力工具。文章結(jié)合目前中國(guó)及國(guó)際區(qū)域尺度光化學(xué)大氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型的研究與應(yīng)用，重點(diǎn)論述與O3有關(guān)的大氣化學(xué)過(guò)程在數(shù)值預(yù)報(bào)模型中的數(shù)學(xué)表達(dá)和計(jì)算方法,闡述大氣物理與大氣化學(xué)過(guò)程在主流大氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模型中的實(shí)現(xiàn)方法及其優(yōu)勢(shì)和缺陷，介紹用于數(shù)值預(yù)報(bào)模型的大氣物理過(guò)程和湍流參數(shù)化方案的最新進(jìn)展。就當(dāng)前O3數(shù)值模擬的主要輸入資料進(jìn)行討論，強(qiáng)調(diào)那些易被忽視但又顯著影響模型預(yù)報(bào)能力和效果的諸多因素以及模型效果評(píng)估的重要性。結(jié)合O3與復(fù)合型大氣污染的關(guān)系，強(qiáng)調(diào)區(qū)域大氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模型的發(fā)展趨勢(shì)與方向以及在大氣環(huán)境管理方面的意義和作用。

近地層臭氧；臭氧預(yù)報(bào)；空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報(bào)模型

近地層臭氧(O3)是非常重要的大氣污染成分之一，超過(guò)大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)水平的高濃度O3嚴(yán)重危害人群健康與生態(tài)環(huán)境。近地層O3屬于二次污染物，是光化學(xué)煙霧的主要成因與重要指標(biāo)，特別是夏季，已經(jīng)成為世界許多大城市空氣中的首要污染物。中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的城市O3超標(biāo)率已高達(dá)100%～200%，根據(jù)72個(gè)監(jiān)測(cè)站的O3觀測(cè)資料分析顯示，O3日最大8 h平均質(zhì)量濃度從2013年的約139.0 μg/m3增至2015年的約150.0 μg/m3，而超標(biāo)城市從23%增至38%[1-2]。O3作為一種強(qiáng)氧化劑，在諸多對(duì)流層化學(xué)過(guò)程中起重要作用，參與許多有機(jī)化合物的分解氧化、SO2和NOx的轉(zhuǎn)化過(guò)程。此外，O3作為一種非常重要的溫室氣體，在氣候變化研究中扮演重要角色。由于O3引發(fā)的大氣污染與氣候變化等緊迫環(huán)境問(wèn)題，30多年來(lái)對(duì)流層O3研究一直受到科學(xué)界和環(huán)境管理層的重視。尤其是最近十幾年，近地層O3的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)研究逐步進(jìn)入更廣泛更深入的階段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，近地層O3預(yù)報(bào)不但成為環(huán)境管理與空氣質(zhì)量研究的重要手段之一，而且已經(jīng)列入許多發(fā)達(dá)國(guó)家的大氣環(huán)境法規(guī)體系，此外，O3預(yù)報(bào)也是目前中國(guó)空前發(fā)展的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分。

一般來(lái)講，O3預(yù)報(bào)模型分為統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型和數(shù)值預(yù)報(bào)模型[3]。為滿足統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)要求的樣本長(zhǎng)度和檢驗(yàn)要求，建立統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)模型通常需要足夠長(zhǎng)的時(shí)間序列樣本資料，由于氣象條件對(duì)O3影響的時(shí)間尺度，至少以日平均或更長(zhǎng)尺度平均濃度為預(yù)報(bào)因子，因此統(tǒng)計(jì)模型在大尺度空間或長(zhǎng)時(shí)間序列分析方面具有一定優(yōu)勢(shì)[4-11]。但在統(tǒng)計(jì)模型的樣本區(qū)間內(nèi)，一般假設(shè)前體物的排放是不變的，從而無(wú)法對(duì)污染物排放削減計(jì)劃的環(huán)境效益進(jìn)行定量化評(píng)估；此外，O3濃度水平取決于氣象條件和大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，而且這種依賴關(guān)系是高度非線性的，統(tǒng)計(jì)模型無(wú)法表達(dá)這種非線性關(guān)系的物理內(nèi)涵，也因此無(wú)法解釋大氣物理過(guò)程和大氣化學(xué)轉(zhuǎn)化是如何影響預(yù)報(bào)結(jié)果的。隨著超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，基于地球物理流體力學(xué)理論的數(shù)值預(yù)報(bào)方法，已經(jīng)成為當(dāng)前大氣環(huán)境研究和管理的重要手段，本文將重點(diǎn)介紹O3數(shù)值預(yù)報(bào)模型的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用。

1 空氣質(zhì)量數(shù)值模型簡(jiǎn)介

空氣質(zhì)量數(shù)值模型自20世紀(jì)70年代以來(lái)已有數(shù)十年的發(fā)展歷史，世界各國(guó)和地區(qū)根據(jù)不同需要開(kāi)發(fā)了50多種不同模型，但主要分為三大類(lèi)：①局地中小尺度的擴(kuò)散模型， 如美國(guó)環(huán)保局(USEPA)的法規(guī)模型AEROMOD、CALPUFF和英國(guó)的ADMS；②受體模型，如CALINE3、CAL3QHC、CAL3QHCR、CTDMPLUS等；③區(qū)域大氣光化學(xué)模型，如WRF-Chem、CMAQ和CAMx。其中擴(kuò)散模型和受體模型不包含化學(xué)過(guò)程，僅僅考慮風(fēng)輸送和湍流擴(kuò)散等物理過(guò)程，因此無(wú)法預(yù)測(cè)和模擬O3濃度。O3預(yù)報(bào)事實(shí)上是空氣質(zhì)量數(shù)值模型的主要任務(wù)之一，這種模型基于大氣動(dòng)力學(xué)、大氣物理、大氣化學(xué)以及陸面過(guò)程等數(shù)學(xué)物理方程組的數(shù)值求解，可研究和分析O3濃度與排放源、氣象條件、大氣化學(xué)成分、干濕沉降及其他要素之間的定量關(guān)系，識(shí)別污染成因，既可用于歷史污染成因的源解析，也可對(duì)未來(lái)排放源治理方案與措施的有效性進(jìn)行評(píng)估。空氣質(zhì)量數(shù)值模型目前已成為許多國(guó)家大氣環(huán)境質(zhì)量管理的有力工具。中國(guó)近年來(lái)由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，尤其是冬季的PM2.5及春、夏季的O3嚴(yán)重超標(biāo)。空氣質(zhì)量數(shù)值模型可以幫助我們定量化識(shí)別這些污染過(guò)程的來(lái)源，從而提出污染控制方案。空氣質(zhì)量數(shù)值模型的最終目的是作為環(huán)境保護(hù)法規(guī)的一部分，為環(huán)境管理層和決策者提供改善空氣環(huán)境質(zhì)量的科學(xué)依據(jù)，以獲得可持續(xù)發(fā)展。中國(guó)目前尚無(wú)自主開(kāi)發(fā)的法規(guī)模型，既無(wú)區(qū)域空氣質(zhì)量模型應(yīng)用導(dǎo)則也無(wú)模型認(rèn)證制度[12]，因此，發(fā)展適合中國(guó)環(huán)境保護(hù)特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展型式的大氣環(huán)境質(zhì)量模型及應(yīng)用體系，勢(shì)在必行。

2 O3形成的化學(xué)機(jī)制與數(shù)學(xué)表達(dá)

O3屬于二次污染物，通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化生成，大氣化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中O3的源和匯由化學(xué)機(jī)制完成。化學(xué)機(jī)制是O3數(shù)值預(yù)報(bào)模型中最重要的組成之一，其中化學(xué)反應(yīng)方程、數(shù)學(xué)表達(dá)以及數(shù)值計(jì)算方法構(gòu)成了化學(xué)機(jī)制的基本三要素。

對(duì)流層或近地層大氣中NO2的光解是三重態(tài)氧原子O(3P)的唯一重要來(lái)源：

而O(3P)與O2結(jié)合便形成O3：

式中M可以是惰性分子，如N2或O2。顯然這個(gè)過(guò)程依賴足夠的太陽(yáng)輻射(hv)。O(3P)與O2結(jié)合而產(chǎn)生的O3可立即與NO發(fā)生反應(yīng)：

對(duì)潔凈大氣而言，不存在由NO轉(zhuǎn)化為NO2的其他化學(xué)過(guò)程，上述反應(yīng)在日間幾小時(shí)內(nèi)達(dá)到一個(gè)平衡態(tài)：

式中：J1是NO2光解系數(shù)；K3是式(3)的反應(yīng)常數(shù)；[X]表示物質(zhì)X的濃度。O3的濃度取決于NO2與NO的濃度比：

除式(3)外，其他任何由NO轉(zhuǎn)化為NO2的化學(xué)過(guò)程，如NO與揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的反應(yīng)，都將導(dǎo)致O3的凈增加。由于污染大氣含有大量來(lái)自人為排放源和自然排放源的VOCs(如烷烴、烯烴、醛、酮和芳香烴等)，致使大氣化學(xué)過(guò)程非常復(fù)雜。O3的去除或破壞過(guò)程中也包含在VOCs系列反應(yīng)中，而啟動(dòng)這一系列反應(yīng)的是羥自由基(OH)的介入。在晴天污染大氣中OH的主要來(lái)源有2個(gè)：①O3光解后與水汽的快速反應(yīng)[式(6)、式(7)]；②光解過(guò)程和相應(yīng)的醛、酮的化學(xué)反應(yīng)。以烷烴(RH)與OH反應(yīng)生成烷基(R)為例：

上述OH的去除過(guò)程則形成了O3的匯，OH與NO2化合反應(yīng)并形成氣態(tài)硝酸(HNO3)：

來(lái)自式(9)的過(guò)氧自由基或羧自由基(RO2)還可與NO2反應(yīng)形成過(guò)氧硝酸鹽(RO2NO2)：

許多過(guò)氧硝酸鹽不穩(wěn)定，因此不能有效去除自由基。穩(wěn)定的過(guò)氧硝酸鹽不但可有效去除過(guò)氧自由基并可形成重要的二次污染物。如式(15)生成二次污染物過(guò)氧乙酰硝酸鹽(PAN)，R代表乙酰基。過(guò)氧自由基之間的反應(yīng)也可以造成自由基損失， 如超氧化氫自由基的自反應(yīng)：

作為O3的源和匯，上述反應(yīng)僅僅是大氣化學(xué)中最基本部分，如何全面表達(dá)對(duì)流層大氣O3的化學(xué)體系，計(jì)算O3的化學(xué)源和匯以及氣溶膠和顆粒物的前體物的影響，一般由化學(xué)機(jī)制完成。

20世紀(jì)50年代，化學(xué)機(jī)制只有幾個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)時(shí)也不了解OH的重要性。而當(dāng)前的化學(xué)機(jī)制可包含105個(gè)量級(jí)的化學(xué)反應(yīng)，由英國(guó)利茲大學(xué)開(kāi)發(fā)的主化學(xué)機(jī)制(MCM)是目前最為詳盡的大氣化學(xué)機(jī)制[13-14]，其中包括12 700個(gè)化學(xué)反應(yīng)、4 400種化學(xué)物質(zhì)， MCM試圖以顯式化學(xué)反應(yīng)方程表達(dá)所有已知的大氣化學(xué)反應(yīng)，其最新版本是MCMv 3.3.1[15]。顯然，MCM直接用于大氣質(zhì)量模型，巨量的CPU時(shí)間將使計(jì)算過(guò)程變得極其漫長(zhǎng)和昂貴，并失去預(yù)報(bào)的時(shí)效意義，此外，某些快速反應(yīng)無(wú)法正確獲得中間產(chǎn)品和反應(yīng)常數(shù)，因此，研究者開(kāi)發(fā)了有許多簡(jiǎn)化或壓縮的化學(xué)機(jī)制，包括簡(jiǎn)化的MCM化學(xué)機(jī)制(如CRIMECH 或CRI)[16-17]，如以碳鏈結(jié)構(gòu)壓縮(lumped structure)的CB-IV、CB05、CB6和CBMZ化學(xué)機(jī)制；以分子壓縮(molecule lumped)的RADM、RADM2，定義替代物種(surrogate species)或模擬物種(model species)代表一組反應(yīng)物， 如RACM和ReLACS， 這些化學(xué)機(jī)制的重要差別就是如何簡(jiǎn)化處理VOCs有機(jī)化學(xué)部分。目前用于區(qū)域大氣化學(xué)模型和O3模擬的主要大氣光化學(xué)機(jī)制見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，WRF-Chem化學(xué)機(jī)制選項(xiàng)最多，而CAMx 和CMAQ分別僅有3個(gè)不同氣態(tài)化學(xué)機(jī)制可供選擇。

表1 用于空氣質(zhì)量模型的大氣光化學(xué)機(jī)制

注：“a”表示氣態(tài)化學(xué)機(jī)制且不含氣溶膠化學(xué)；“b”表示結(jié)構(gòu)壓縮機(jī)制；；“c”表示分子壓縮機(jī)制。

STOCKWELL等[28]對(duì)空氣質(zhì)量數(shù)值模型中氣態(tài)化學(xué)機(jī)制和對(duì)流層化學(xué)進(jìn)行了綜合論述；JIMENEZ等[29]利用箱模型 (box model) 對(duì)主要的7種化學(xué)機(jī)制的化學(xué)行為和模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，這些機(jī)制對(duì)O3濃度的模擬非常接近，主要差別表現(xiàn)在對(duì)HNO3、HO2和PAN的模擬結(jié)果。最近，DERWENT等[30]用箱模型對(duì)7個(gè)化學(xué)機(jī)制進(jìn)行敏感性實(shí)驗(yàn)，比較O3產(chǎn)生率對(duì)NOx和VOCs削減的響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)減少30% NOx會(huì)導(dǎo)致OH的減少，而減少30% VOCs會(huì)導(dǎo)致OH的增加，但采用不同的化學(xué)機(jī)制，OH對(duì)減少NOx和VOCs的響應(yīng)比O3敏感，即不同化學(xué)機(jī)制中的OH對(duì)NOx和VOCs的削減響應(yīng)不同，這將導(dǎo)致有毒有害污染物(包括顆粒物)化學(xué)行為和形成過(guò)程存在差異。因此，選用不同化學(xué)機(jī)制，得出的O3控制方案可能會(huì)有差別，了解這種差異對(duì)決策者非常重要。如果考慮氣溶膠和云化學(xué)，可以進(jìn)一步研究大尺度酸沉降和有機(jī)汞沉積等問(wèn)題。可以看出，化學(xué)機(jī)制在對(duì)流層大氣化學(xué)模擬中的重要性和復(fù)雜性。

表1所用的化學(xué)機(jī)制描述O3化學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和反應(yīng)過(guò)程，包括單分子、雙分子和三分子反應(yīng)，以及相應(yīng)的一階、二階和三階化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。以[Xi]表示某化學(xué)物質(zhì)Xi的濃度，根據(jù)物質(zhì)守恒原理，其局地變化可用化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)生(源)和去除(匯)表達(dá)，即大氣化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程：

式中：JA為組分A的一階反應(yīng)常數(shù)，s-1；k2與k3表示雙分子、三分子反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)，單位分別為cm3/(mol·s)和 cm6/(mol2·s)； [A]、[B]和[C]表示參與單分子、雙分子和三分子反應(yīng)物質(zhì)的摩爾混合比濃度；[M]為空氣數(shù)密度, mol/cm3，與氣壓和溫度有關(guān)。

化學(xué)物質(zhì)A發(fā)生光化學(xué)分解的過(guò)程：

由于光解反應(yīng)引起的單分子A的濃度變化可由方程(19)表示：

式中：σX(λ)表示A 的光吸收截面；φi(λ,T,…)表示該光解反應(yīng)的量子產(chǎn)生率，是紫外光或可見(jiàn)光波長(zhǎng)λ和溫度T的函數(shù)；I為波長(zhǎng)為λ的入射太陽(yáng)輻射通量。值得注意的是， 吸收截面和量子產(chǎn)生率這2個(gè)參數(shù)均由實(shí)驗(yàn)獲得，同一光解反應(yīng)在不同機(jī)制中，吸收截面和量子產(chǎn)生率的取值可能相差較大，這2個(gè)參數(shù)也是確定光化學(xué)反應(yīng)常數(shù)的最大誤差來(lái)源，如O3濃度預(yù)測(cè)的不確定性很大程度上受化學(xué)反應(yīng)(1)NO2和HCHO光化學(xué)系數(shù)的影響[31]。如何使用精確的參數(shù)計(jì)算光化學(xué)反應(yīng)常數(shù)以及其他化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，除跟進(jìn)最新大氣化學(xué)實(shí)驗(yàn)成果外，需參考國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)法國(guó)大氣化學(xué)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)評(píng)估小組(Task Group on Atmospheric Chemical Kinetic Data Evaluation)[32]以及美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(NASA Jet Propulsion Laboratory)的推薦值[33]。光化學(xué)反應(yīng)常數(shù)另外一個(gè)誤差來(lái)源就是入射太陽(yáng)輻射通量[34-37]，很大程度上受大氣層中氣溶膠與云的影響，由于氣溶膠單次散射反照率的不確定性和云本身的復(fù)雜性，對(duì)確定精確的光化學(xué)反應(yīng)常數(shù)造成了很大挑戰(zhàn)。北京大學(xué)環(huán)境模擬與污染控制國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室對(duì)NO2光解系數(shù)進(jìn)行了有趣的實(shí)驗(yàn)研究[38]，其成果對(duì)分析北京地區(qū)長(zhǎng)期大氣氧化性趨勢(shì)和城市O3污染具有重要意義。

式(17)也可以通過(guò)化學(xué)生產(chǎn)項(xiàng)Pi和損失項(xiàng)L[Xi]表示為

如果有N個(gè)化學(xué)物質(zhì)，則有N個(gè)這樣的方程組成一個(gè)閉合的常微分方程組(ODEs)，有n個(gè)化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)機(jī)制，一般n>N。真實(shí)大氣環(huán)境中的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程是同時(shí)發(fā)生的，不同化學(xué)物質(zhì)的生命周期因化學(xué)反應(yīng)的快慢可以相差幾個(gè)量級(jí), 因此，這些ODEs的數(shù)值解是隨時(shí)間變化很快的函數(shù)，只在非常短的時(shí)間內(nèi)才會(huì)穩(wěn)定，所以這些ODEs是剛性的[39]。針對(duì)大氣化學(xué)反應(yīng)方程的剛性問(wèn)題[40]，人們已提出多種求解方案以提高計(jì)算效率，如QSSA[41]、α-QSS[42]，BDF[43]，隱含Runge Kutta方法[44-46]以及Rosenbrock方法[47-48]。目前廣泛應(yīng)用于大氣化學(xué)模擬的KPP (Kinetic PreProcessor)工具包[49-54]，不但包含表1所列出的常用的化學(xué)機(jī)制，而且提供上述主流ODEs數(shù)值解方案，其開(kāi)放性功能可允許用戶改進(jìn)現(xiàn)有的化學(xué)機(jī)制或自主開(kāi)發(fā)新的化學(xué)機(jī)制。目前， KPP已經(jīng)成功植入CMAQ[55-56]，WRF-Chem[57]、GEOS-Chem[58]、ECHAM5/MESSy[59]等大氣化學(xué)輸送模型， KPP極大提高了上述模型大氣化學(xué)過(guò)程的模擬精度和計(jì)算效率。盡管研究者在大氣化學(xué)機(jī)制和ODEs求解方案方面做了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究，尋求最佳模擬精度與計(jì)算效率的平衡點(diǎn)，在大氣化學(xué)輸運(yùn)模型的運(yùn)行中，大氣化學(xué)動(dòng)力學(xué)的ODEs求解仍占50%～95% 的CPU時(shí)間。超級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得計(jì)算效率大幅提高，但是隨著人類(lèi)對(duì)大氣化學(xué)過(guò)程認(rèn)知的不斷探索，模型中大學(xué)化學(xué)過(guò)程趨于更加復(fù)雜，尤其是在氣態(tài)化學(xué)機(jī)制中增加氣溶膠化學(xué)過(guò)程，通過(guò)非均相化學(xué)反應(yīng)過(guò)程研究氣態(tài)物質(zhì)與顆粒物之間的轉(zhuǎn)化。未來(lái)將有更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果、更復(fù)雜的化學(xué)機(jī)制、更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。

3 O3數(shù)值預(yù)報(bào)模型中的物理過(guò)程

3.1風(fēng)輸送過(guò)程

O3模擬的時(shí)間尺度與平均風(fēng)場(chǎng)代表的時(shí)間尺度有關(guān)，一般用小時(shí)平均風(fēng)場(chǎng)計(jì)算輸送項(xiàng)，因此，獲取的O3濃度場(chǎng)以小時(shí)濃度為最基本時(shí)間尺度，由于風(fēng)速與風(fēng)向變化引起的下風(fēng)向O3濃度場(chǎng)變化最為顯著，風(fēng)場(chǎng)資料的可靠性對(duì)O3模擬準(zhǔn)確性和精度起著關(guān)鍵作用。然而，風(fēng)的變化不但發(fā)生在所有時(shí)間尺度，而且大氣動(dòng)量通量的高度非線性特征，基于半經(jīng)驗(yàn)理論的次網(wǎng)格尺度湍流參數(shù)化具有極大的不確定性，這是長(zhǎng)久以來(lái)在風(fēng)預(yù)測(cè)和模擬領(lǐng)域所面臨的難題，目前所有的區(qū)域氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模型在小時(shí)和更短時(shí)間尺度上的風(fēng)預(yù)測(cè)水平未見(jiàn)大的改進(jìn)。折中的方案就是利用觀測(cè)資料的四維同化技術(shù)調(diào)整初始場(chǎng)，強(qiáng)迫模型的預(yù)測(cè)結(jié)果更趨于觀測(cè)事實(shí)，對(duì)中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)而言，由于非線性系統(tǒng)對(duì)初始值的敏感性，低預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率可能為基于預(yù)測(cè)結(jié)果的決策帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)。因此，根據(jù)空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的時(shí)間尺度要求，基于天氣預(yù)報(bào)獲得大氣參數(shù)的大氣質(zhì)量預(yù)報(bào)，僅限于短期(如3 d以內(nèi))預(yù)報(bào)為宜。

3.2湍流傳輸和湍流擴(kuò)散過(guò)程

為描述大氣湍流過(guò)程對(duì)O3或其他標(biāo)量物質(zhì)空間分布的影響，需要對(duì)次網(wǎng)格湍流通量進(jìn)行參數(shù)化，參數(shù)化以后派生1個(gè)或多個(gè)系數(shù)，通常稱(chēng)湍流交換系數(shù)，把所有未知的湍流物理過(guò)程都人為地放入該參數(shù)，計(jì)算湍流交換系數(shù)的變量由氣象資料或氣象模型提供，最新版本的WRF3.9中含有13個(gè)不同的邊界層參數(shù)化方案供用戶選擇，在湍流閉合方案的選擇時(shí)，最好保證氣象模型和空氣質(zhì)量模型的一致性。

湍流交換系數(shù)是否與湍流擴(kuò)散物質(zhì)本身有關(guān)，至今沒(méi)有令人信服的結(jié)論[60]。除了湍流動(dòng)量通量系數(shù)，人們假設(shè)所有標(biāo)量物質(zhì)通量(如水汽通量、熱量通量、污染物通量等)參數(shù)化后的湍流交換系數(shù)是相同的，由于缺乏湍流的確定性理論，通過(guò)半經(jīng)驗(yàn)的湍流通量參數(shù)化方案計(jì)算湍流擴(kuò)散作用，因污染物湍流通量極難觀測(cè)而使其驗(yàn)證變得非常困難，湍流通量參數(shù)化方案引起的不確定性必然存在。最初的湍流參數(shù)化方案基于一階渦黏性理論(即K理論)，用來(lái)表示次網(wǎng)格湍流擴(kuò)散和混合過(guò)程，K理論屬于局地湍流閉合方案，只能處理標(biāo)量物質(zhì)網(wǎng)格與網(wǎng)格之間的傳輸，這種“弱交換過(guò)程”可以成功描述水平湍流擴(kuò)散和弱湍流交換過(guò)程[61-63]，但在具有強(qiáng)烈垂直熱力湍流交換的對(duì)流混合邊界層往往失敗，因?yàn)樗荒軌蛎枋隹缍嗑W(wǎng)格的大尺度湍渦的交換過(guò)程[25]，因此，人們提出非局地湍流通量參數(shù)化方案(如YSU、ACM2)，雖然這些方案大多是基于K理論的修正和改造，但是非局地湍流方案的確改善了垂直湍流交換過(guò)程的描述,尤其適用于具有強(qiáng)烈垂直交換的熱力對(duì)流邊界層(CBL)[64-65]，采用不同的湍流變化方案，O3模擬結(jié)果差異顯著，而且對(duì)NOx和VOCs排放的敏感性不同[66]，盡管不同方案得到的大氣邊界層特征差異顯著，尤其在邊界層高度(PBL height)方面差異巨大，但除O3外，對(duì)氣溶膠和PM2.5的模擬，YSU等非局地方案同樣顯示其優(yōu)勢(shì)[67]。合理的大氣邊界層湍流物理過(guò)程是準(zhǔn)確模擬地面O3濃度和其他空氣污染物的關(guān)鍵，具有普適性的湍流參數(shù)化方案是大氣邊界層科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展方向。

3.3干濕沉降去除過(guò)程

（一）經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)增長(zhǎng)。2005年以來(lái)德國(guó)經(jīng)濟(jì)逐漸向好，其中，2006年經(jīng)濟(jì)增速達(dá)3.7%，為自1991年以來(lái)最高水平。金融危機(jī)后德國(guó)經(jīng)濟(jì)率先復(fù)蘇，2010年經(jīng)濟(jì)增速達(dá)4.08%，成為歐元區(qū)經(jīng)濟(jì)“領(lǐng)頭羊”。2012年歐債危機(jī)爆發(fā)后，德國(guó)經(jīng)濟(jì)增速短時(shí)下滑，但仍高于歐盟其他發(fā)達(dá)國(guó)家。2017年德國(guó)GDP增長(zhǎng)2.2%，創(chuàng)2011年以來(lái)最高水平。

干沉降為大氣質(zhì)量模型提供了底邊界條件，是地面對(duì)近地層大氣中污染物的捕獲過(guò)程，強(qiáng)烈受季節(jié)和下墊面性質(zhì)影響。許多污染物通過(guò)干沉降而從大氣中去除，干沉降作為O3的一個(gè)匯，是O3從大氣中被去除的一個(gè)重要過(guò)程，O3的干沉降過(guò)程不可逆，為單向沉降。由于干沉降與下墊面性質(zhì)有關(guān)，所以大范圍氣態(tài)污染物的干沉降觀測(cè)非常困難。干沉降與近地層湍流通量有關(guān)，因而一般也用梯度-通量關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化，在模型中與模型最低層的湍流擴(kuò)散結(jié)合在一起隱性求解。WESELY等[68]提出的干沉降參數(shù)化方法目前已用于許多空氣質(zhì)量模型，其中的空氣動(dòng)力學(xué)阻力系數(shù)ra、準(zhǔn)層流副層阻力系數(shù)rb和下墊面阻力系數(shù)rc等受地表覆蓋、植被、地表粗糙度、摩擦速度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、溫度、相對(duì)濕度和土壤含水量等因素的影響，由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。另一用于CAMx模型的干沉降過(guò)程是將植被對(duì)氣態(tài)物質(zhì)的捕獲與葉面積指數(shù)(LAI)結(jié)合，由于LAI可由衛(wèi)星資料獲得，使得干沉降速率的計(jì)算更直接，用于加拿大空氣質(zhì)量的日預(yù)報(bào)，經(jīng)過(guò)與O3和SO2通量觀測(cè)結(jié)果比較，具有一定的精度[69]。CMAQ模型中，提供一個(gè)地面過(guò)程模型(LSM) 與熱量通量、水汽通量以及化學(xué)物質(zhì)的干沉降耦合模塊[70]，干沉降計(jì)算所用的參數(shù)均來(lái)自氣象模型，其優(yōu)點(diǎn)是地面過(guò)程和邊界層特征在空氣質(zhì)量模型中與氣象模型具有一致性。

濕沉降是由云的掃并和降水洗出造成的，也是大氣獲得凈化的有效途徑，氣態(tài)污染物被云、雨、霧滴吸收和捕獲，以及在液滴表面發(fā)生的異相化學(xué)反應(yīng)而被去除的過(guò)程均為濕沉降。由于O3易溶于水，云霧降水很容易將O3去除，因而大多數(shù)O3空氣質(zhì)量模型對(duì)濕沉降過(guò)程要求不高，此外，對(duì)氣象模型而言，云和降水預(yù)報(bào)仍屬難題，尤其是對(duì)小尺度降水量和降水位置預(yù)報(bào)包含極大的不確定性，由此獲得的濕沉降可能引起O3預(yù)報(bào)的極大誤差。但考慮氣態(tài)污染物與氣溶膠的化學(xué)轉(zhuǎn)化、二次氣溶膠的形成以及氣溶膠與細(xì)顆粒對(duì)云霧里物理過(guò)程的影響，模型中的濕過(guò)程不可或缺。

4 離線和在線耦合大氣化學(xué)模型

就獲得氣象信息的方式，空氣質(zhì)量模型分為離線模型和在線耦合模型2種基本類(lèi)型。

離線模型用獨(dú)立氣象預(yù)報(bào)模型的運(yùn)行結(jié)果(如風(fēng)、溫、濕、氣壓，水汽、熱通量以及輻射等物理量的同步預(yù)報(bào)值)驅(qū)動(dòng)空氣質(zhì)量模型，這類(lèi)模型如CMAQ、CAMx、全球大氣化學(xué)輸運(yùn)模型MOZART等[71]，不能實(shí)現(xiàn)氣象與空氣污染過(guò)程的互反饋機(jī)制，但計(jì)算資源要求低，運(yùn)行時(shí)間短。

在線耦合模型，顧名思義就是將氣象模型與空氣質(zhì)量模型耦合在一起，在一個(gè)積分步長(zhǎng)內(nèi)和同一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上同時(shí)求解大氣物理與大氣化學(xué)控制方程組，實(shí)現(xiàn)氣象條件與空氣污染物過(guò)程的相互作用機(jī)制，例如，預(yù)報(bào)的O3濃度場(chǎng)會(huì)影響下一步的輻射過(guò)程，隨輻射變化引起的溫度、壓力與風(fēng)等的變化會(huì)影響下一步的O3濃度場(chǎng)，所以這種耦合是雙向的，但計(jì)算昂貴，CPU時(shí)間長(zhǎng)。這類(lèi)模型包括區(qū)域大氣化學(xué)輸運(yùn)模型WRF-Chem、區(qū)域空氣質(zhì)量模型WRF-CMAQ、全球大氣化學(xué)輸運(yùn)模型GEOS-Chem以及CAM-chem[72]等。在線耦合模型符合“一個(gè)大氣”原則，與實(shí)際大氣過(guò)程相一致，能夠?qū)崿F(xiàn)多過(guò)程、多尺度之間的反饋和相互作用，因此，該類(lèi)模型是空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)模型或大氣化學(xué)輸運(yùn)模型的發(fā)展趨勢(shì)和方向。中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所開(kāi)發(fā)的NAQPMS (Nested Air Quality Modeling System) 模型[73]屬于在線耦合模型，最初旨在研究沙塵輸送與顆粒物污染過(guò)程，經(jīng)過(guò)30年發(fā)展和完善，目前可用于顆粒物和O3的模擬研究與預(yù)報(bào)[74-75]，而且在中國(guó)北京、上海等多個(gè)城市和地區(qū)用于實(shí)施空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)[76]，但該模型的氣象模塊是基于MM5[77]中尺度天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng), 而MM5目前已被WRF完全取代。

5 O3預(yù)報(bào)模型的輸入資料

5.1靜態(tài)或慢變化地理資料

氣象模型或耦合模型中的氣象模塊，在模擬地面物理過(guò)程(如動(dòng)量、感熱、潛熱、水汽通量、生物排放等)需要輸入地理資料，包括地形，水陸邊界等靜態(tài)資料以及植被、葉面積指數(shù)(LAI)、土壤覆蓋，土壤含水量、地面反照度等慢變化(如季節(jié)或年變化)資料，這些資料大部分由衛(wèi)星反演資料生成(如MODIS資料[78])，在不同地理位置具有不同的時(shí)空分辨率。模型分辨率的確定，首先需要考慮模擬區(qū)域是否可以獲得與之匹配的下墊面資料，高分辨率模擬需要有高分辨率地理資料作支撐，WRF模型系統(tǒng)附帶比較完整的地理輸入資料[79]，如最新版本的WRF3.9附有高分辨率的全球地形和土壤類(lèi)型資料(1～20 km)，高分辨率MODIS LAI資料(1～20 km)，高分辨率地面覆蓋資料MODIS (0.5～1 km)，但MODIS地面覆蓋資料大多數(shù)是美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)20世紀(jì)70年代的資料，不能反映快速發(fā)展地區(qū)和城市的現(xiàn)狀；而WRF提供的NLCD(National Land Cover Database)資料，包括NCLD2006, NLCD 2011(0.3～1 km)[80-81]，僅覆蓋美國(guó)本土。這些地理資料尤其對(duì)城市高分辨率模擬非常重要，應(yīng)根據(jù)模擬區(qū)域的具體情況進(jìn)行更新和修訂，以保證模型能夠再現(xiàn)正確的地面過(guò)程。有關(guān)氣象和空氣質(zhì)量模擬對(duì)地理輸入資料的質(zhì)量要求和敏感性研究，中國(guó)鮮有報(bào)道， 但地理輸入資料是實(shí)現(xiàn)O3模擬的關(guān)鍵一環(huán)。完善和提高中國(guó)地理網(wǎng)格資料庫(kù)的精度和分辨率將是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)，無(wú)疑對(duì)提高氣象、空氣質(zhì)量模擬以及O3的數(shù)值預(yù)報(bào)可靠性具有深遠(yuǎn)意義。

5.2初始和邊界條件

氣象模型的初始化和邊界條件較大氣化學(xué)模型更容易獲得，如NCAR GRIB資料、NOAA/NCEP 實(shí)時(shí)資料、ECMWF全球資料、NCEP NOMADS GRIB 資料以及用于四維資料同化的觀測(cè)資料等，具體要求可參照不同氣象模型的初始化和邊界條件生成的說(shuō)明。本節(jié)討論的初始和邊界條件是指區(qū)域空氣質(zhì)量模型或區(qū)域O3模擬所需要的大氣化學(xué)成分的初始濃度場(chǎng)和邊界條件，如果是分層嵌套模擬，初始和邊界條件僅提供給最外層粗網(wǎng)格。在無(wú)法獲得初始濃度場(chǎng)和邊界條件的情況下，可設(shè)定一個(gè)覆蓋最外層網(wǎng)格的附加模擬區(qū)域，利用長(zhǎng)期背景場(chǎng)和觀測(cè)資料設(shè)定其初始濃度場(chǎng)和邊界條件，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的運(yùn)行，由于實(shí)時(shí)排放源和氣象場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)，模型在附加模擬區(qū)域的結(jié)果可為最外層網(wǎng)格提供動(dòng)態(tài)的初始和邊界條件。如果最外層直接設(shè)定為定常邊界條件，模擬區(qū)域無(wú)法獲得外部背景O3濃度變化信息，因此只限于短時(shí)期(如一周左右)的區(qū)域和城市尺度的O3模擬。為了反映網(wǎng)格外部O3及其前體物變化對(duì)網(wǎng)格內(nèi)部O3濃度的影響，一般由全球大氣化學(xué)輸送模型提供化學(xué)物質(zhì)的初始場(chǎng)和邊界條件，目前普遍運(yùn)用的有全球模型包括NCAR 的MOZART[82]和CAM-CHEM以及哈佛大學(xué)開(kāi)發(fā)的GEOS-Chem模型結(jié)果，由于MOZART-4已由CAM-chem取代，MOZART資料只有2013年8月以前的資料[83]。由于不同的全球大氣化學(xué)模型內(nèi)嵌不同的化學(xué)機(jī)制，使用不同的大氣環(huán)流模型獲得大尺度氣象場(chǎng)，因此，獲得的O3背景濃度差別顯著[84]。

5.3氣象資料

物理傳輸過(guò)程需要三維風(fēng)速場(chǎng)資料，由氣象數(shù)值預(yù)報(bào)模型獲得，在線耦合模型在運(yùn)行中自動(dòng)獲取，離線模型則需事先獨(dú)立運(yùn)行氣象預(yù)報(bào)模型型MM5或WRF以獲得氣象資料，在使用氣象模型的資料以前，需要對(duì)氣象模型的預(yù)測(cè)能力和效果進(jìn)行評(píng)估。在沒(méi)有獲得足夠可靠的氣象場(chǎng)前，運(yùn)行O3預(yù)報(bào)模型都是徒勞無(wú)益的。湍流擴(kuò)散項(xiàng)主要涉及邊界層次網(wǎng)格參數(shù)化方案 (PBL scheme)，這些方案需要溫度、水汽以及熱通量與氣象場(chǎng)有關(guān)的物理量；此外，大氣化學(xué)動(dòng)力學(xué)方程組中，空氣數(shù)密度與許多大氣化學(xué)反應(yīng)常數(shù)均與溫度和氣壓有關(guān)。區(qū)域氣象模型應(yīng)以WRF為首選，雖然MM5仍然用于某些研究目的， 但MM5研究團(tuán)隊(duì)已完全轉(zhuǎn)入開(kāi)發(fā)和改進(jìn)WRF中的物理方案，國(guó)內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)[85-87]，WRF模擬的變量誤差一般均低于MM5，在線耦合的WRF-Chem在預(yù)報(bào)地面O3的表現(xiàn)也優(yōu)于MM5/CMAQ[88]，目前MM5已完全由WRF取代，新一代的WRF應(yīng)用更為普遍。

5.4源排放資料

源排放資料是是指模擬區(qū)域內(nèi)大氣污染物排放率及其時(shí)空分布，是除氣象資料之外的另一個(gè)至關(guān)重要的O3數(shù)值模擬輸入資料，準(zhǔn)確的污染源資料直接決定O3模擬結(jié)果的誤差與偏差大小，所以源排放資料又是模型結(jié)果不確定性因素的主要原因之一。

排放源一般分為人為源與自然源，人為源資料一般由各省市提供的排放源清單為基礎(chǔ)，再利用源處理工具和模型進(jìn)行處理以滿足O3模型對(duì)源輸入的格式要求，美國(guó)環(huán)保局建有五大類(lèi)源清單(emission inventory)，包括點(diǎn)源、非點(diǎn)源或面源、道路交通源，非道路交通源(火車(chē)、輪船、飛機(jī)等)和以天為單位統(tǒng)計(jì)的野火事件源清單，提供包括各州、縣以及部落為單位的大氣標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的污染物排放量[89]，其中，道路交通源排放結(jié)果來(lái)自美國(guó)環(huán)保局自主開(kāi)發(fā)的MOVES[90]模型，該模型內(nèi)嵌交通車(chē)輛管理注冊(cè)信息庫(kù)、油料使用和化學(xué)成分庫(kù)等，利用交通模型獲得的交通流量時(shí)空分布估算NOx、CO及顆粒物排放率。最新版MOVES 也包含非道路交通排放源的計(jì)算功能。各類(lèi)源清單包括生物源排放，根據(jù)經(jīng)濟(jì)和人口發(fā)展數(shù)據(jù)，美國(guó)環(huán)保局每年更新并向大眾公開(kāi)發(fā)布。中國(guó)由清華大學(xué)主導(dǎo)的中國(guó)多尺度排放清單模型(MEIC)已經(jīng)發(fā)布以2008年和2011年為基準(zhǔn)年的亞洲排放清單[91-92]，排放數(shù)據(jù)包括電力、工業(yè)、民用、交通和農(nóng)業(yè)等5個(gè)部門(mén)，提供0.25°、0.5°和1.0° 3種空間分辨率的逐月網(wǎng)格化排放清單，并可按SAPRC99、SAPRC07、CB05、CBIV和RADM2等5種化學(xué)機(jī)制輸出。但該排放源清單的時(shí)空分辨率仍然無(wú)法滿足高分辨率尤其是城市尺度的O3模擬。因此，更細(xì)致的排放源清單需要結(jié)合衛(wèi)星遙感資料和更多的地面污染源調(diào)查和分析，這將是一個(gè)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。

自然排放源包括生物排放、閃電產(chǎn)生的NO2排放及野火燃燒產(chǎn)生大量的CO、CO2和NOx等。中國(guó)大陸上空平均每年(1997—2012年)因閃電而產(chǎn)生的NO2大約23萬(wàn)t(以氮計(jì)大約0.07 Tg)[93]，而且東部多于西部，閃電產(chǎn)生的高空NOx，其在對(duì)流層停留時(shí)間更長(zhǎng)，因此，對(duì)對(duì)流層O3的影響不能忽視。野火產(chǎn)生大量的CO2和有機(jī)揮發(fā)物，對(duì)下風(fēng)向段時(shí)間O3濃度水平影響明顯[94]，中國(guó)這方面?zhèn)€例和研究較少。另一個(gè)巨大的VOC排放源就是生物或植物，其源揮發(fā)性有機(jī)化合物(BVOCs)是植物體內(nèi)通過(guò)次生代謝途徑合成的低沸點(diǎn)、易揮發(fā)的碳?xì)浠衔铩娜虺叨瓤矗珺VOCs (主要是異戊二烯和單萜)約占VOCs排放總量的90%，遠(yuǎn)高于人為源VOCs排放。目前生物排放源的估算模型有BEIS3[95]和MEGAN[96]，其輸入資料包括土地利用、植被覆蓋、LAI、排放因子以及溫度、太陽(yáng)輻射等氣象資料，BEIS3和MEGAN均已耦合到CMAQ模型，在處理閃電、野火(FINN) 和生物 (MEGAN) 排放方面，WRF-Chem均有可選模塊，在線計(jì)算CO、NO2和VOC自然排放率并以排放源形式進(jìn)入化學(xué)模塊, 也可獨(dú)立計(jì)算由SMOKE[97]處理，與人為排放源合并后，為CAMQ或CAMx模型提供排放源輸入。

排放源清單獲得以后，需要針對(duì)不同的空氣質(zhì)量模型對(duì)原始排放資料進(jìn)行預(yù)處理，處理后的結(jié)果必須與所選擇的化學(xué)機(jī)制以及模型分辨率(水平與垂直方向)相一致，尤其要對(duì)排放源中大量具體的VOCs進(jìn)行化學(xué)形態(tài)分析，分類(lèi)組合或壓縮到模型化學(xué)機(jī)制所定義的VOCs中，一般而言，模型的排放源輸入資料應(yīng)為小時(shí)格點(diǎn)資料，包括CO、NO、NO2、SO2、和各種化學(xué)機(jī)制中的VOCs，如果考慮顆粒物，還應(yīng)包括SO2、NH3、PM2.5和PM10的初始排放率。由于氣態(tài)污染物與氣溶膠之間的非均相化學(xué)反應(yīng)，會(huì)生成復(fù)雜的二次污染物(如PM1.0、PM2.5等)，最新CMAQ模型中攜帶的化學(xué)機(jī)制包含氣溶膠化學(xué)部分，因此，CMAQ排放源必須提供顆粒物前體物的排放資料。模型所用的排放是以通量形式表達(dá)的，氣態(tài)物質(zhì)排放單位是每個(gè)格點(diǎn)mol/s，顆粒物排放單位是每格點(diǎn)mg/s，回收所有網(wǎng)格上的排放值并在日、月、年時(shí)間尺度上求和，應(yīng)該與模擬區(qū)域的總排放量相吻合，根據(jù)模型水平網(wǎng)格分辨率，誤差不應(yīng)該超過(guò)1%～3%。排放源資料的處理工具由以前的FREDS、EMS-95、EPS和目前最新的SMOKE，與大氣質(zhì)量模型同步發(fā)展[98]。SOMKE源分類(lèi)與其相應(yīng)的空間映射關(guān)系(spatial surrogate)文件，可以計(jì)算城市和區(qū)域污染源削減計(jì)劃實(shí)施以后污染源排放的時(shí)空分布，根據(jù)更新的源清單，空氣質(zhì)量模型則可以預(yù)測(cè)削減措施以后的O3水平，并對(duì)削減措施進(jìn)行評(píng)估。

6 模型預(yù)報(bào)效果評(píng)估

無(wú)論使用哪種模型，模擬結(jié)果的驗(yàn)證和模型整體表現(xiàn)評(píng)估是預(yù)報(bào)可靠性的重要保障，是識(shí)別提高模擬質(zhì)量因素的關(guān)鍵，由于不同的模型使用不同的方法和參數(shù)化方案，給客觀和定量化比較模型與模型之間的結(jié)果帶來(lái)困難，由于不同地區(qū)的自然條件與控制污染水平不同，在一個(gè)地區(qū)表現(xiàn)良好的模型并不意味著可以直接用于其他地區(qū)。利用實(shí)驗(yàn)結(jié)果和觀測(cè)事實(shí)驗(yàn)證模型的預(yù)報(bào)效果和可靠性是最基本的方法，這包括利用模型區(qū)域現(xiàn)有的氣象觀測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)資料，其他研究項(xiàng)目的觀測(cè)，以及為模型評(píng)估而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果等。許多嚴(yán)重的O3污染事件發(fā)生在特定的氣象條件下，模型對(duì)這種特定條件的捕獲也是檢驗(yàn)?zāi)Ｐ皖A(yù)報(bào)能力的重要指標(biāo)之一。

在線耦合模型的評(píng)估，需要對(duì)氣象預(yù)報(bào)參數(shù)和O3及其他污染物預(yù)報(bào)量同時(shí)進(jìn)行，評(píng)估方法與離線模型相同。具體評(píng)估過(guò)程是獲取模型與觀測(cè)點(diǎn)的比對(duì)資料，并對(duì)觀測(cè)值時(shí)間序列數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行分析，確認(rèn)數(shù)據(jù)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制過(guò)程(QA/QC)，然后計(jì)算一系列定量評(píng)估的統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)，評(píng)估模型輸出資料的準(zhǔn)確性和精度。其中最重要的3個(gè)指標(biāo)是均方根誤差(RMSE)、標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差(NMB)和決定系數(shù)(R2)，它們顯示出預(yù)報(bào)與觀測(cè)的偏差和相關(guān)程度，具有更強(qiáng)的指導(dǎo)意義。除了通過(guò)統(tǒng)計(jì)顯著性檢驗(yàn)的相關(guān)性，R2值高只能說(shuō)明模型預(yù)測(cè)的時(shí)間變化形態(tài)與觀測(cè)有較好的一致性，但不能說(shuō)明預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值的偏差程度。如模型篩選或單個(gè)模型多參數(shù)化方案的敏感性實(shí)驗(yàn)，取RMSE和NMB最低、R2最高的作為候選預(yù)報(bào)模型，但因不同模型對(duì)不同的要素有不同的預(yù)報(bào)能力和優(yōu)勢(shì)，因此，有人用多模型結(jié)果的算術(shù)平均值作為預(yù)報(bào)結(jié)果，即集合預(yù)報(bào)，是一種折中方案。除利用統(tǒng)計(jì)參數(shù)值進(jìn)行分析模型預(yù)報(bào)能力外，值得推薦的模型統(tǒng)計(jì)參數(shù)評(píng)估方法是Taylor提出的多要素單一圖示法[99]，將不同預(yù)測(cè)變量的精度、偏差和相關(guān)性，展示在一張圖上，一目了然。關(guān)于如何設(shè)定上述參數(shù)的基準(zhǔn)值而判定模型是否通過(guò)檢驗(yàn)這一問(wèn)題，雖然有人提出 “目標(biāo)值”(goal) 和 “基準(zhǔn)值”(criteria)[100-101]作為判斷模型是否通過(guò)(pass/fail) 效果檢驗(yàn)的基準(zhǔn)條件，但上述統(tǒng)計(jì)參數(shù)值顯然與模擬時(shí)間的長(zhǎng)短有關(guān)，更長(zhǎng)的模擬時(shí)間經(jīng)歷更多時(shí)空尺度的氣象和污染過(guò)程，因此，同一模型在不同時(shí)間尺度上的模擬效果和表現(xiàn)可能非常不同；另一方面不同的模式設(shè)置，是否利用觀測(cè)資料同化技術(shù)等，不能一概用同一基準(zhǔn)值檢驗(yàn)和評(píng)估模式效果。美國(guó)環(huán)保局不推薦使用這種“基準(zhǔn)值”方法用于判斷模型的模擬結(jié)果是否可以接受。美國(guó)環(huán)保局的《O3、顆粒物和區(qū)域性霾空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)的模擬指南》認(rèn)為，這種判定閾值僅僅作為改進(jìn)模型的一個(gè)參考和指示，而不能作為模式評(píng)估的基準(zhǔn)方法，美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)的AMET(Atmospheric Model Evaluation Tool) 是專(zhuān)門(mén)為氣象和大氣化學(xué)輸送模型而設(shè)計(jì)的評(píng)估系統(tǒng)[102]。中國(guó)有關(guān)模型評(píng)估研究較少，有學(xué)者曾就中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所的NAQPMS模型對(duì)江蘇省的PM2.5模擬結(jié)果實(shí)施模型評(píng)估[103]。

觀測(cè)資料的獲取是模型預(yù)報(bào)效果評(píng)估的第一步，中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)[104]包含地面、高空、數(shù)值預(yù)報(bào)、雷達(dá)和衛(wèi)星資料，地面站小時(shí)數(shù)據(jù)包括氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、水汽壓、風(fēng)、降水的要素小時(shí)觀測(cè)值；高空資料包括89個(gè)中國(guó)探空站各點(diǎn)規(guī)定等壓面和特征層位勢(shì)高度、溫度、露點(diǎn)溫度、方向、風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)；數(shù)值預(yù)報(bào)包括分辨率30、10 km預(yù)報(bào)產(chǎn)品；雷達(dá)資料包括處理后的統(tǒng)一格式單站多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)與圖像資料；衛(wèi)星資料包括中國(guó)風(fēng)云(一號(hào)、二號(hào)、三號(hào))，美國(guó)NOAA (15-18)和NASA (AQUA，TERRA)極軌衛(wèi)星與不同搭載平臺(tái)，日本(MTSAT)和歐洲(METEOSAT)靜止氣象衛(wèi)星的一級(jí)衛(wèi)星數(shù)據(jù)與掃描圖像。上述氣象資料可用于模型預(yù)報(bào)效果的定量評(píng)估和定性分析。

與氣象觀測(cè)與氣象觀測(cè)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)行相比，環(huán)境監(jiān)測(cè)與大氣化學(xué)成分檢測(cè)起步較晚，中國(guó)的環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,已經(jīng)進(jìn)入到自動(dòng)監(jiān)測(cè)階段，城市空氣自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、區(qū)域監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、質(zhì)量保證、質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目趨于完善。2012年開(kāi)始發(fā)布O3的常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)果。環(huán)境保護(hù)部網(wǎng)站 (http://www.mep.gov.cn) 和 “中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)”可獲得2013年12月以后6種污染物(PM2.5，PM10， SO2，CO、NO2和O3)的日平均濃度[105]，中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心網(wǎng)站 (http://www.cnemc.cn) 可以獲得小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)資料，但目前尚無(wú)獲取逐年小時(shí)平均濃度觀測(cè)資料的開(kāi)放平臺(tái)，這可能是促進(jìn)中國(guó)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)完善的關(guān)鍵一步。可靠的污染源清單和完善的環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)數(shù)據(jù)是促進(jìn)中國(guó)空氣質(zhì)量模型發(fā)展的主要瓶頸，是實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量模型用于環(huán)境管理和決策的主要局限。

7 最新區(qū)域空氣質(zhì)量模型特征與發(fā)展趨勢(shì)

O3空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)的目的：①健康預(yù)警。當(dāng)污染超過(guò)特定的水平，為公眾提供預(yù)警，預(yù)報(bào)越可靠效果就越顯著，預(yù)警指導(dǎo)對(duì)O3或顆粒物污染敏感的特定人群采取措施，預(yù)防污染對(duì)健康的威脅和傷害。②現(xiàn)有污染源控制。識(shí)別超標(biāo)期間的各類(lèi)污染源貢獻(xiàn)，有針對(duì)性地提出削減措施，避免盲目和高成本的污染源治理方案。③業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。區(qū)域高濃度灰霾和O3威脅航空安全，傷害戶外作業(yè)人員健康，危及農(nóng)業(yè)甚至糧食安全，危害自然公園或生態(tài)保護(hù)區(qū)生態(tài)系統(tǒng)等，污染預(yù)報(bào)可提供更安全和更有效的活動(dòng)計(jì)劃資訊。④應(yīng)急計(jì)劃。森林大火、突發(fā)事故等可由一個(gè)固定區(qū)域和地點(diǎn)排放大量污染物進(jìn)入大氣，可引起交通事故和航空災(zāi)難以及下風(fēng)向的一次和二次污染，有效的煙羽和濃度預(yù)報(bào)可以有效降低此類(lèi)突發(fā)事件的經(jīng)濟(jì)和健康損失。

先進(jìn)的空氣質(zhì)量模型在其開(kāi)發(fā)和研究過(guò)程中增添了許多分析工具，如CMAQ和CAMx模型，均有源解析技術(shù) (SAT)、過(guò)程分析 (PA)、高階直接耦合源敏感性分析 (Decoupled Direct Method (DDM) and High-Order DDM (HDDM) Source Sensitivity)。SAT可定量估算不同區(qū)域、不同類(lèi)別污染源和不同前體物對(duì)O3或PM2.5形成的獨(dú)立貢獻(xiàn)。如一個(gè)省的O3預(yù)報(bào)，利用SAT可以定量識(shí)別鄰省和本省的污染源對(duì)本地區(qū)O3的貢獻(xiàn)大小，從而了解本省為O3達(dá)標(biāo)而需要的污染源削減力度和治理方案。同樣，SAT可以識(shí)別點(diǎn)源、面源、道路交通源和非道路交通源等分別對(duì)O3的貢獻(xiàn)。PA則可深度分析模型運(yùn)行中大氣物理和大氣化學(xué)過(guò)程對(duì)局地O3生成的影響，如利用化學(xué)過(guò)程分析(CPA)可以劃分模擬區(qū)域O3污染是屬于NOx控制型 (NOx-limited)還是VOCs控制型 (VOC-limited)，由于O3濃度水平與NOx和VOC排放存在復(fù)雜的非線性響應(yīng)關(guān)系，因此這對(duì)提供和評(píng)價(jià)污染源控制措施極為重要。DDM或HDDM可計(jì)算O3對(duì)初始濃度場(chǎng)、外邊界輸入和人為排放的敏感性系數(shù)，DDM可以分析未來(lái)的污染源削減方案和管理措施實(shí)施后是否可以實(shí)現(xiàn)O3或其他污染物達(dá)標(biāo)。WANG 等[106]用CAMx及其OSA分析了北京市2000年夏季一次O3污染事件的成因和來(lái)源，認(rèn)為該O3污染屬于VOCs控制型。需要說(shuō)明是，同一個(gè)城市和地區(qū)，其控制型類(lèi)別可隨時(shí)間發(fā)生變化。

最新大氣質(zhì)量模型的發(fā)展趨勢(shì)，取決于人們大氣污染過(guò)程的最新認(rèn)識(shí)，早期我們強(qiáng)調(diào)酸雨、懸浮顆粒物，今天的PM2.5污染作為優(yōu)先研究和控制對(duì)象，但有關(guān)O3的污染我們了解更少，徐曉斌[2]就中國(guó)霾和O3的污染現(xiàn)狀和研究進(jìn)展做了深入分析和總結(jié)，WANG等[1]就中國(guó)O3污染的現(xiàn)狀和成因，搜集大量國(guó)內(nèi)外學(xué)者有關(guān)中國(guó)O3污染的研究信息和成果，做了深入細(xì)致的分析和綜述，認(rèn)為城市中心和區(qū)域傳輸是O3污染的主要貢獻(xiàn)因素, 呼吁應(yīng)加快地區(qū)性NOx和VOC的綜合治理步伐。事實(shí)上，中國(guó)大氣污染早已進(jìn)入復(fù)合物污染時(shí)代，主要城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)同時(shí)面臨霾和O3污染的困擾，尤其是重污染引起的健康憂慮與風(fēng)險(xiǎn)已不容忽視[107-108]，隨著針對(duì)PM2.5治理力度的增加，城市及城市周邊地區(qū)的工業(yè)排放將顯著削減，導(dǎo)致灰霾爆發(fā)形成的硫酸鹽和銨鹽濃度將大大降低[109]，近地層空氣透明度將得以改善，到達(dá)近地層的太陽(yáng)輻射會(huì)增加或恢復(fù)到正常值，如果交通狀況依舊，O3污染將更加突出。

總之，霾污染與光化學(xué)污染交替出現(xiàn)，并且存在內(nèi)在的聯(lián)系和反饋，再現(xiàn)這種復(fù)合污染的基本特征，是最新大氣質(zhì)量模型的首要任務(wù)；復(fù)合污染防治從系統(tǒng)性觀念出發(fā)，認(rèn)為O3與PM2.5同源污染物產(chǎn)生的二次污染，其污染水平是系統(tǒng)內(nèi)各種過(guò)程的非線性相互作用的結(jié)果，因此不能考慮單一污染物的控制與削減， 如有人用模型以及SAT和PA分析后， 建議VOC與NOx的削減比例為1∶2[110]，可以有效降低珠江三角洲地區(qū)城市和工業(yè)區(qū)O3峰值。復(fù)合污染的這些特征，部分可由獨(dú)立脫線模型表現(xiàn)出來(lái)，但完全在線耦合具有雙向反饋的最新空氣質(zhì)量模型才是研究復(fù)合污染的基本方向和趨勢(shì)，其成果不但對(duì)城市灰霾與O3復(fù)合型污染的防治具有理論指導(dǎo)意義，而且將影響今后空氣質(zhì)量管理模型和標(biāo)準(zhǔn)體系。

8 結(jié)語(yǔ)

區(qū)域性大氣質(zhì)量數(shù)值模型定量描述大氣物理與大氣化學(xué)過(guò)程，提供O3濃度水平對(duì)其前體物排放的響應(yīng)關(guān)系，為大氣環(huán)境管理與O3污染防治提供科學(xué)支撐和依據(jù)。在中國(guó)日益嚴(yán)重的O3和PM2.5污染情勢(shì)下，以大氣物理、大氣化學(xué)和地球流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)的數(shù)值模型是研究這種污染成因和提出治理措施的必要手段。受發(fā)展水平和歷史局限，中國(guó)目前污染源資料的數(shù)量和質(zhì)量水平，距離完全利用這種手段所要達(dá)到的目的相差甚遠(yuǎn)，是目前模擬系統(tǒng)的短板，所以，清華大學(xué)在發(fā)展污染源清單方面的不懈努力，尤其是其主導(dǎo)的中國(guó)多尺度排放清單模型(MEIC)，給予數(shù)值模型的有效應(yīng)用帶來(lái)發(fā)展和期待。作為驗(yàn)證和提高模型預(yù)報(bào)質(zhì)量的關(guān)鍵，地面環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享和質(zhì)量控制意義重大。除此之外的所有基礎(chǔ)資料系統(tǒng)，是研究當(dāng)前復(fù)合污染問(wèn)題的重要支撐和保障，有了這些基本資料，就有能力獲得更具說(shuō)服力的科學(xué)依據(jù)解決和參與與中國(guó)大氣環(huán)境污染有關(guān)的國(guó)內(nèi)爭(zhēng)議和國(guó)際對(duì)話，有更多的機(jī)會(huì)利用最先進(jìn)的在線耦合大氣質(zhì)量模型，服務(wù)于空氣質(zhì)量管理和決策系統(tǒng)，促進(jìn)中國(guó)自身的法規(guī)模型系統(tǒng)的發(fā)展和建設(shè)。

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ReviewofSurfaceOzoneModelingSystem

LIU Feng1，2, XU Yishan3

1.Atmospheric Research Centre, Illinois State Water Survey, University of Illinois at Urbana-Champaign, Illinois 61820, USA 2.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China 3.State Environmental Protection Key Laboratory of Quality Control in Environmental Monitoring, China National Environmental Monitoring Centre, Beijing 100012, China

Photochemical air quality models play a key role in scientific investigation of ozone pollution and prediction of surface ozone levels. It provides quantitative support for the decision-makers in developing policies and strategies to reduce ozone pollution. As a review, this article discusses the current strengths and weaknesses of photochemical transport models from an intellectual point of view how those models deal with chemical and physical processes in the troposphere. Therefore, chemistry mechanisms used for photochemical air quality models and uncertainties caused by chemical kinetic rates are described in details. Advanced physical processes and planetary boundary schemes. As the main causes for uncertainties of model results, the preparation of model inputs including static geographical data, meteorological data, and emissions are well introduced. The importance of model performance evaluation is addressed. Finally, due to nonlinearly combined effect of ozone and other air pollutants including primary precursors and secondary aerosols on air quality, the model development and model application road map toward a multiple-pollutant air quality management are given at the end.

surface ozone; ozone prediction; air quality modeling system

X84

：A

：1002-6002(2017)04- 0001- 16

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.04.01

2017-05-10;

：2017-05-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃試點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目“大氣污染成因與控制技術(shù)研究”(2016YFC0203304)

劉 烽(1962-)，男，陜西富平人，博士，教授。

徐怡珊