國內(nèi)外空氣質(zhì)量模型研究進(jìn)展

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1、萬方數(shù)據(jù)2013年第3期環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展ENVIRONMENTANDSUSTAINABLEDEVELOPMENTNo．3，2013國內(nèi)外空氣質(zhì)量模型研究進(jìn)展薛文博王金南楊金田雷字汪藝梅陳曦(環(huán)境保護(hù)部環(huán)境規(guī)劃院大氣環(huán)境部／國家環(huán)境保護(hù)環(huán)境規(guī)劃與政策模擬重點實驗室，北京100012)【摘要】本文系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外空氣質(zhì)量模型的發(fā)展歷程及最新進(jìn)展，分析不同時期、不同類別空氣質(zhì)量模型的基本特征及適用條件，重點介紹ISC3、AERMOD、ADMS、CALPUFF四個法規(guī)化中小尺度空氣質(zhì)量模型及NAQPMS、WRF—CHEM、CAMx、CMAQ四個綜合型區(qū)域尺度空氣質(zhì)量模型的基本原理及典型特征。探討空氣

2、質(zhì)量模型在我國實踐應(yīng)用中存在的主要問題。最后分析我國建設(shè)法規(guī)化空氣質(zhì)量模型的必要性，并提出法規(guī)化模型建設(shè)的前置條件及核心內(nèi)容?！娟P(guān)鍵詞】空氣質(zhì)量模型；排放清單；法規(guī)化模型建設(shè)；CMAQ模型中圖分類號：X651文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1673—288X(2013)03一0014—07空氣質(zhì)量模型是基于人類對大氣物理和化學(xué)過程科學(xué)認(rèn)識的基礎(chǔ)上，運用氣象學(xué)原理及數(shù)學(xué)方法，從水平和垂直方向在大尺度范圍內(nèi)對空氣質(zhì)量進(jìn)行仿真模擬，再現(xiàn)污染物在大氣中輸送、反應(yīng)、清除等過程的數(shù)學(xué)工具，是分析大氣污染時空演變規(guī)律、內(nèi)在機理、成因來源、建立“污染減排”與“質(zhì)量改善”間定量關(guān)系及推進(jìn)我國環(huán)境規(guī)劃和管理向定量化、精

3、細(xì)化過渡的重要技術(shù)方法。近些年來，空氣質(zhì)量模擬技術(shù)發(fā)展迅速，相比其他環(huán)境要素的數(shù)學(xué)模擬技術(shù)最為成熟，當(dāng)前各種空氣質(zhì)量模型已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響評價、重大科學(xué)研究及環(huán)境管理與決策領(lǐng)域，已成為模擬臭氧、顆粒物、能見度、酸雨甚至氣候變化等各種復(fù)雜空氣質(zhì)量問題及研究區(qū)域復(fù)合型大氣污染控制理論的重要手段之一，并發(fā)展成為一門學(xué)科方向。特別是近幾年，空氣質(zhì)量模型在北京奧運會、上海世博會、廣州亞運會等重大會議空氣質(zhì)量保障及我國“十二五”主要大氣污染物總量控制、重點區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控規(guī)劃中發(fā)揮了不可替代的作用。本文系統(tǒng)總結(jié)了國內(nèi)外空氣質(zhì)量模型的發(fā)展歷程及最新進(jìn)展，分析了不同時期、不同類別空氣質(zhì)量模型的基本特

4、征及適用條件，總結(jié)了空氣質(zhì)量模型在我國實踐應(yīng)用中存在的主要問題。最后分析了我國建設(shè)法規(guī)化空氣質(zhì)量模型的必要性，并提出了法規(guī)化模型建設(shè)的前置條件及核心內(nèi)容。1空氣質(zhì)量模型發(fā)展歷程1．1空氣質(zhì)量模型基本理論空氣質(zhì)量模型一般考慮了以下大氣過程：排放(人為和自然源排放)、輸送(水平平流和垂直對流)、擴散(水平和垂直擴散)、化學(xué)轉(zhuǎn)化(氣、液、固相化學(xué)反項目資助：環(huán)境保護(hù)公益性行業(yè)科研專項(201209001)作者簡介：薛文博，博士研究生，主要研究方向為環(huán)境質(zhì)量模擬應(yīng))、清除機制(干濕沉降)等。其理論研究一直是沿著湍流擴散三個理論體系發(fā)展起來的，即梯度輸送理論(K理論)，統(tǒng)計理論和相似理論。(1)梯度輸

5、送理論(K理論)是在湍流半經(jīng)驗理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其缺陷體現(xiàn)在：一方面，它把無規(guī)則的湍渦看成分子熱運動，假定湍渦是流體微團(tuán)，與分子輸送模型具有相同屬性，由此得到的梯度與通量之間的線性關(guān)系，實質(zhì)上這只是一種假定。另一方面，近地層流場情況十分復(fù)雜，湍流輸送的性質(zhì)遠(yuǎn)非簡單的線性關(guān)系，尤其是湍流交換系數(shù)，它隨大氣湍流場的性質(zhì)及空間尺度而改變，其形式難以確定。因此梯度輸送理論在小尺度預(yù)測上缺陷很突出，但它在處理大尺度污染擴散問題上具有一定優(yōu)越性，能夠利用觀測的風(fēng)速廓線資料，不需假定某種分布形式，即可得到污染物的濃度分布。(2)統(tǒng)計理論是從湍流場的統(tǒng)計特征量出發(fā)，描述流場中擴散物質(zhì)的散布規(guī)律。泰勒把

6、擴散系數(shù)和湍流脈動場的統(tǒng)計特征量聯(lián)系起來，用氣象參數(shù)來表達(dá)這些統(tǒng)計特征量，找出擴散參數(shù)和氣象條件的聯(lián)系，導(dǎo)出了適用于連續(xù)運動擴散過程的泰勒公式。該理論的核心是擴散粒子關(guān)于時間和空間的概率分布，通過概率分布函數(shù)描述擴散粒子濃度的空間分布和時間變化。泰勒公式是在均勻、定常的假設(shè)條件下導(dǎo)出，而實際大氣并不符合這種條件，只有在下墊面開闊平坦、氣流穩(wěn)定的小尺度擴散處理中，才近似滿足這樣的條件。(3)相似理論是在量綱分析基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是研究近地層大氣湍流的一種有效理論方法。其基本原理是關(guān)于拉格朗日相似性的假設(shè)，假定流場的拉格朗日性質(zhì)僅決定于表征流場歐拉性質(zhì)的已知參數(shù)，粒子擴散的萬方數(shù)據(jù)薛文博等：國內(nèi)

7、外空氣質(zhì)量模型研究進(jìn)展·15·特征與流場的拉格朗日性質(zhì)相聯(lián)系。在上述假定下，可以把大氣擴散和風(fēng)速及溫度的空間分布聯(lián)系起來，但由于量綱分析的復(fù)雜性和不確定性，目前主要在小尺度的鉛直擴散問題中比較成功。1．2空氣質(zhì)量模型發(fā)展歷程與分類鑒于空氣質(zhì)量模型在大氣污染控制中的重要地位，開發(fā)和推廣新型的空氣質(zhì)量模型顯得尤為重要。自1970年到現(xiàn)在，USEPA或其他機構(gòu)共資助開發(fā)了三代空氣質(zhì)量模型：70年代到80年代，EPA