国内外空气质量模型研究进展

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1、万方数据2013年第3期环境与可持续发展ENVIRONMENTANDSUSTAINABLEDEVELOPMENTNo．3，2013国内外空气质量模型研究进展薛文博王金南杨金田雷字汪艺梅陈曦(环境保护部环境规划院大气环境部／国家环境保护环境规划与政策模拟重点实验室，北京100012)【摘要】本文系统总结了国内外空气质量模型的发展历程及最新进展，分析不同时期、不同类别空气质量模型的基本特征及适用条件，重点介绍ISC3、AERMOD、ADMS、CALPUFF四个法规化中小尺度空气质量模型及NAQPMS、WRF—CHEM、CAMx、CMAQ四个综合型区域尺度空气质量模型的基本原理及典型特征。探讨空气

2、质量模型在我国实践应用中存在的主要问题。最后分析我国建设法规化空气质量模型的必要性，并提出法规化模型建设的前置条件及核心内容。【关键词】空气质量模型；排放清单；法规化模型建设；CMAQ模型中图分类号：X651文献标识码：A文章编号：1673—288X(2013)03一0014—07空气质量模型是基于人类对大气物理和化学过程科学认识的基础上，运用气象学原理及数学方法，从水平和垂直方向在大尺度范围内对空气质量进行仿真模拟，再现污染物在大气中输送、反应、清除等过程的数学工具，是分析大气污染时空演变规律、内在机理、成因来源、建立“污染减排”与“质量改善”间定量关系及推进我国环境规划和管理向定量化、精

3、细化过渡的重要技术方法。近些年来，空气质量模拟技术发展迅速，相比其他环境要素的数学模拟技术最为成熟，当前各种空气质量模型已被广泛应用于环境影响评价、重大科学研究及环境管理与决策领域，已成为模拟臭氧、颗粒物、能见度、酸雨甚至气候变化等各种复杂空气质量问题及研究区域复合型大气污染控制理论的重要手段之一，并发展成为一门学科方向。特别是近几年，空气质量模型在北京奥运会、上海世博会、广州亚运会等重大会议空气质量保障及我国“十二五”主要大气污染物总量控制、重点区域大气污染联防联控规划中发挥了不可替代的作用。本文系统总结了国内外空气质量模型的发展历程及最新进展，分析了不同时期、不同类别空气质量模型的基本特

4、征及适用条件，总结了空气质量模型在我国实践应用中存在的主要问题。最后分析了我国建设法规化空气质量模型的必要性，并提出了法规化模型建设的前置条件及核心内容。1空气质量模型发展历程1．1空气质量模型基本理论空气质量模型一般考虑了以下大气过程：排放(人为和自然源排放)、输送(水平平流和垂直对流)、扩散(水平和垂直扩散)、化学转化(气、液、固相化学反项目资助：环境保护公益性行业科研专项(201209001)作者简介：薛文博，博士研究生，主要研究方向为环境质量模拟应)、清除机制(干湿沉降)等。其理论研究一直是沿着湍流扩散三个理论体系发展起来的，即梯度输送理论(K理论)，统计理论和相似理论。(1)梯度输

5、送理论(K理论)是在湍流半经验理论的基础上发展起来的。其缺陷体现在：一方面，它把无规则的湍涡看成分子热运动，假定湍涡是流体微团，与分子输送模型具有相同属性，由此得到的梯度与通量之间的线性关系，实质上这只是一种假定。另一方面，近地层流场情况十分复杂，湍流输送的性质远非简单的线性关系，尤其是湍流交换系数，它随大气湍流场的性质及空间尺度而改变，其形式难以确定。因此梯度输送理论在小尺度预测上缺陷很突出，但它在处理大尺度污染扩散问题上具有一定优越性，能够利用观测的风速廓线资料，不需假定某种分布形式，即可得到污染物的浓度分布。(2)统计理论是从湍流场的统计特征量出发，描述流场中扩散物质的散布规律。泰勒把

6、扩散系数和湍流脉动场的统计特征量联系起来，用气象参数来表达这些统计特征量，找出扩散参数和气象条件的联系，导出了适用于连续运动扩散过程的泰勒公式。该理论的核心是扩散粒子关于时间和空间的概率分布，通过概率分布函数描述扩散粒子浓度的空间分布和时间变化。泰勒公式是在均匀、定常的假设条件下导出，而实际大气并不符合这种条件，只有在下垫面开阔平坦、气流稳定的小尺度扩散处理中，才近似满足这样的条件。(3)相似理论是在量纲分析基础上发展起来的，是研究近地层大气湍流的一种有效理论方法。其基本原理是关于拉格朗日相似性的假设，假定流场的拉格朗日性质仅决定于表征流场欧拉性质的已知参数，粒子扩散的万方数据薛文博等：国内

7、外空气质量模型研究进展·15·特征与流场的拉格朗日性质相联系。在上述假定下，可以把大气扩散和风速及温度的空间分布联系起来，但由于量纲分析的复杂性和不确定性，目前主要在小尺度的铅直扩散问题中比较成功。1．2空气质量模型发展历程与分类鉴于空气质量模型在大气污染控制中的重要地位，开发和推广新型的空气质量模型显得尤为重要。自1970年到现在，USEPA或其他机构共资助开发了三代空气质量模型：70年代到80年代，EPA