大气模型发展简史与简介.doc

大气模型进展简史与简介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集中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简单的物理和化学过程 它的物理表述即模 拟均匀混合的大气物质沿风向运动的状况 在大气物质从地面对高层运动的过程中， 其 运动规章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 大路建设工程环评标准-大气局部》，中国环境影响评价培训教材等文献中推举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， 并进展了适当地拓展与加深可以处理点源、面源、体源、线源 对于推测计算结果，可以查看§各承受点地面高程及其等高线图§各承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 § 还可以任意转变各污染源的排放率〔排放强度〕以观看不同排放率下的浓度变化状况§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，大家慎重使用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，的法 规模型将承受 ISC3 的输入与输出构造、应用最的集中理论和计算机技术更 ISC3 计 算机程序、必需保证能够模拟目前 ISC3 能模拟的大气过程与排放源20 世纪 90 年月中后期，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 集中模型o该系统以集中统计理论为动身点， 假设污染物的浓度分布在肯定程度上听从高斯分 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、 平坦地形和简单地形、 地面源和高架源等多种排放集中情形的模拟 和推测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 围推测的精准性是其他模型不能比较的， 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 推举的由 Sigma Research Corporation〔现在是 Earth Tech, Inc 的子 公司〕开发的空气质量集中模式,CALPUFF 模型是由 CALMET 气象模块、 CALPUFF 烟团集中模块和 CALPOST 后 处理模块三局部组成。

CALPUFF 是用于非定常、非稳态的气象条件下,模拟污染物集中、迁移以及转化 的多层、多物种的高斯型烟团集中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、局部烟羽穿透和海 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去除 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,包括必需的逐时气象数据、地形数据、土地利用数据,模型可 以处理干湿沉降、化学转化、海岸和简单地形在处理〉 50km 的区域时,应优先考虑4 ADMS 模型〔 3D 高斯〕由剑桥环境争辩公司进展的 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细心设计以适用于不同程度的应用 全部的 模型都经过了广泛严密的论证全部的 ADMS 模型都具有中文版ADMS-城市, 是大气集中模型系统〔ADMS〕系列中的最简单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 集中。

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，可以考虑到的集中问题包括最简洁的〔例如，一个孤立的点源或单个道路源〕到最简单的城市问题〔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〕它对争辩大气质量治理措施特别有用， 例如计算先进技术的引进，低排污区对污染状况 的影响，燃料的转变，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 Map I nfo 以及 ESRI 的 ArcView 可以完全有机的连接 我们推举将 ADMS- 城市与这两个地理信息系统中的任何一种一起使用 由于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 Map Info 的供给者供给ADMS-城市与其它用于城市地区的大气集中模型的一个显著的区分是 ADMS-城市应用了现有的基于 Monin — Obukhov 长度和边界层高度描述边界层构造的参数的最物 理学问。

其它模型使用 Pasquill 稳定参数的不准确的边界层特征定义在这个最的方 法中， 边界层构造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集中过程 可以更真实地表现出来，所猎取的污染物的浓度的推测结果通常是更准确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，更可信表1模 型 粗略对比功能气象数据ADMS、AERMOD 模式地面、高空数据，也可仅使用地面数据导则推举模式 EIAA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混合层高度边界层参数地形分类地形处理烟羽抬升到混合层顶部， 承受局部反射、局部穿透，穿透局部又局部返回对流混合层、稳定边界层摩擦速度、莫宁-奥布霍夫长度、对流速 度尺度、机械和对流混合层高度、热通量按土地分类给出各种地面的粗糙度有地形的预处理按空气湍流构造和尺度概念，湍流集中 有参烟羽抬升到混合层顶部，承受 全反射阅历公式计算或 Holzworth风速、风向、稳定度、混合层 高度:城市、农村、平坦和简单地形 : 没有集中参数和大气稳定度不连 续，集中参数和大气稳定度数化方程给出，集中参数、稳定度 用连续参数表示稳定度分类承受分类Pasquill建筑物下洗功能 有 没有不稳定条件下的垂直扩 散米用非正态的 PDF 格式承受正态分布这一代模型在 1970 到 1980 年期间它被广泛应用于把握臭氧的战略评估中。

时期，由于计算机平台还未得到广泛的推广，所以无法进展较为简单的计算和分 而第一代模型因其较为简洁的理论根底和计算使它得以适应了这一限制条件，在这一析从而得到进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进展，拉格朗日轨迹模型不行避开地渐渐显示出它的缺点 首先由于该模型所模拟的物理过程过于简洁，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，并且模拟的尺度到达几十公里使得流场比较简单时， 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格外粗略的处理，当这些过程已相当重要或者作为争辩对象时，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头将目光投向了一种的具有三维空间效应的模型即其次代空 气质量模型一欧拉网格模型， 这种模型以其对物理过程准确合理的描述以及对整个模拟区域大气浓度的推测很快在大气环境争辩领域崭露头角1.2 其次代空气质量模型一欧拉数值模型其次代空气质量模型一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很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争辩但是由于这种模型的构造过 于简单以至于非专业人士无法对其进展操作，所以 USEPA 已于最近停顿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，但是历经屡次 改 进，直到 80 年月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、准确的 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 推举的用于模拟光化学污染状况的模 型，并被广泛应用于验证美国大都市中臭氧浓度的达标状况以及评估大气污染把握战略的有 效性RADM 模型的进展最初主要是被应用于争辩酸沉降的，但是该模 型也同样包括 臭氧以及 SOx 和 NOx 的化学根底与前两个模型相比，RADM 的单元格以及模拟区域 的尺寸要大的多，这主要是由于该模型关注的是形成缓慢、 转移范围大的酸物质第一代和其次代大气模型的特性比较如表 1-2-1 所示表 2 第一其次代大气模型的特性比较名称OZIPM/EKMAUAMRADMROM构造拉格朗日轨迹三维欧拉数值三维欧拉数值三维欧拉数值〔箱式〕模型模型模型模型模拟对象城市内臭氧城市内臭氧地区性臭氧和地区性臭氧和网格定义-18km20-80km酸沉降4-8km酸沉降一维设计目的模拟城市的氧模拟在区域内 光模拟光化学污 染化物运动过程化学污染物 的沉物的形成和 沉降降过程的大气过 程缺点模拟二次污染 物构造过于陈旧 和如臭氧和颗 粒物构造简单，无法构造简单， 无法 简单，致使非 专〔PM 〕时， 其同时模拟多种 污 同时模拟多种 污 业人士无法 操作化学机理过 于复染物对大气 质量 染物对大气 质量杂的共同影。