城市大氣環(huán)境數(shù)值技術的集成、改進和應用研究

馬輝

【摘 要】目前，市大氣環(huán)境數(shù)值研究面臨的兩大難題：一是由于城市冠層的動力熱力的特殊性，對污染物的化學物理過程造成的影響；二是如何更新排放源的清單。對此，本文主要通過對城市冠層中的大氣環(huán)境數(shù)值模擬系統(tǒng)的集成，進而研究城市大氣的動力以及熱力效應以及它對污染物的化學物理過程、變化、分布的影響。其次，結合污染源Nudging和CMAQ-MOS技術來對城市大氣污染數(shù)值技術的修正，從而改進了對城市污染趨勢及污染物濃度的預報，使得城市大氣環(huán)境數(shù)值技術更具有應用價值和可行度。

【關鍵詞】大氣環(huán)境數(shù)值技術；集成；改進；應用

A 隨著社會經濟的發(fā)展和城市規(guī)模的不斷擴大，資源的緊缺、環(huán)境的惡化、人口的膨脹等現(xiàn)象嚴重制約了我國城市的可持續(xù)發(fā)展，尤其大氣污染嚴重影響了北京、上海、廣州等一線城市的生活質量，因此對大氣環(huán)境的研究和改善已迫在眉睫。目前為止，主要是通過數(shù)值技術的手段對污染物于大氣中所經歷的各種化學和物理過程進行模擬來研究城市的大氣環(huán)境的。由于當前各種有關的化學機制不斷完善，氣象場和排放源的精度和客觀性成為了影響大氣環(huán)境預測和數(shù)值模擬水平最關鍵的因素。

關于城市大氣污染的研究，我們必須建立起一套完整的城市環(huán)境評估和預測預警的系統(tǒng)，并為城市的規(guī)劃和人類的健康提供一定的技術支持，以及為研究提供足夠的科學證據(jù)，從而以此來調控治理大氣污染和預警嚴重的環(huán)境污染事件。 空氣污染數(shù)值的模擬主要是建立在污染源的排放清單和氣場數(shù)據(jù)的的基礎上的。但由于污染分布的空間變化比較快且排放強度比較大，因此它給環(huán)境數(shù)值的預報和模擬造成了巨大的困難。

1.城市大氣環(huán)境數(shù)值技術的集成

天氣系統(tǒng)以及城市污染源兩者的相互作用，使得多種污染物在城市尺度范圍內具有了相近的變化趨勢，但污染源在事件變化和空間分布上卻極度不均勻，遠郊地區(qū)的污染源在排放強度方面遠遠比城市地區(qū)低，并且郊區(qū)和城市的污染源在極度變化方面的差異也非常顯著，尤其是城市地區(qū)的污染源排放的強度在采暖期這一階段會變得很高。而CMAQ模式能夠有效預報城市污染物的變化趨勢，并且效果十分顯著。由于不同測點的污染物在城市尺度內會具有同步性和同位相的變化特征，因此，我們可以通過對點與面預報思路的結合，建立起一個中心測點以及其它方位的測點的大氣環(huán)境污染數(shù)學模型，然后再通過中心測點的城市大氣數(shù)值產品對周圍污染物的濃度進行預報。此外，在空氣質量的預報方面，要進行在面的基礎上進行多點試驗，CMAQ-MOS技術的集成在實用性方面具有很大的潛力。

2.城市大氣環(huán)境數(shù)值技術的改進

由于現(xiàn)有污染源的排放清單對于城市地區(qū)的污染源的變化特征和時空的分布很難作出一個準確客觀的描述，這在一定程度上使得城市空氣質量在數(shù)值預報方面的水平受到了很大的制約。由此，我們需要對城市大氣污染數(shù)值技術進行改進，從而對排放源清單的模式和預報偏差進行修正。例如，可以在城市空氣污染的預報中使用MOS的方法，并結合動力統(tǒng)計，形成了CMAQ-MOS技術方法，即在對前期大氣狀況中數(shù)值模式和觀測資料的基礎上建立起一個數(shù)學模型，然后嘗試預報后期污染物的濃度，這種改進方法在污染物濃度方面，提高了CMAQ模式的振幅。通過城市大氣環(huán)境數(shù)值技術的改進，能在排放源問題這方面克服其所產生的預報偏差，使得預報空氣質量的水平得到提高和實際應用的價值也大大提升了。

在中國北方的多個城市，過運用污染源“Nudging”的修正模型對有毒氣體的排放強度進行修正試驗，同時參照有關模式對污染物的觀測值和濃度的比例進行模擬來構造出污染源的傾向項，從而利用模式迭代計算的方法對城市排放源的強度進行修正。此外，在污染源的調整過程中，多數(shù)城市進行模擬的結果都在不斷逼近觀測值，達到收斂的效果，而在這個過程中也有少數(shù)城市的污染源“Nudging”出現(xiàn)了發(fā)散的現(xiàn)象。通過對排放源和Nudging化學物理反應過程對部分地區(qū)污染的貢獻率進行分析計算可得：對于二氧化硫，當它的排放源污染嚴重影響到局地的濃度時，則“Nudging”的過程會得到一定的收斂，當傳輸作用的貢獻率最大并且持有與排放源相反的變化趨勢時，“Nudging”的過程則會出現(xiàn)發(fā)散的現(xiàn)象。而對于二氧化氮，當它化學反應的貢獻率最大的時候，“Nudging”的過程會得到一定的收斂，否則，“Nudging”的過程會發(fā)散。通過這兩者的計算分析表明，“Nudging”修正源的采用能夠使得CMAQ模式預報污染物濃度的水平會得到顯著的提高，并且也能有效改善了對污染物自身的變化趨勢預報的效果，具有很高的可信度。

3.城市大氣環(huán)境數(shù)值技術的應用

城市的大氣污染數(shù)值技術在各類大氣預報和模擬中得到了廣泛的應用。如通過對修正源“Nudging”結果應用，對上海和北京在某一天的PM10、二氧化硫、二氧化氮濃度的模擬，對比了觀測資料和模擬結果，可發(fā)現(xiàn)模式模擬的變化趨勢和濃度會與實際情況非常接近，誤差值很小，只是PM10的模擬濃度會相對于實際情況有所偏低。在這個基礎上，通過對本地和其周邊的污染源對上海、廣州、北京等地污染源的貢獻進行研究可以發(fā)現(xiàn)：周邊對上海PM濃度的貢獻率非常高，可高至五分之二，二氧化氮貢獻率最低位十分之一，而對二氧化硫的貢獻率達到十分之三；而周邊對廣州的二氧化氮和二氧化硫的貢獻率比較小，為十分之一左右。其次，MM5中尺度的氣象模式也可被利用，并結合城市冠層的參數(shù)化方案和傳統(tǒng)邊界層的參數(shù)化方案模擬夏季和冬季的大氣邊界層的熱力動力性質并對比相應的觀測資料，可以發(fā)現(xiàn)城區(qū)的溫度會因為城市區(qū)域的建筑群和下墊面力動力熱力的作用而升高，并且風速也會在它們的動力熱力作用下減小，增強了端流動能，明顯形成了端能增強區(qū)、阻風區(qū)和增溫區(qū)著三大區(qū)域。而位于城市建筑群附近的高值中心，會逐漸向郊區(qū)進行遞減，因此它的動力熱力效應相對而言會比冬天更加顯著。再次，可以利用CMAQ空氣質量模式對城市冠層內的污染物的轉化、擴散和傳輸過程進行模擬，可以發(fā)現(xiàn)污染物的濃度會在城市建筑群的多尺度的堆積作用下顯著增強，并且污染物的分布形狀也會與建筑群的布局互相呼應。

關于城市大氣環(huán)境數(shù)值技術的應用，就現(xiàn)階段來看，CMAQ城市空氣質量的預報系統(tǒng)已在我國的氣象中心建立起來，而該系統(tǒng)的預報方法就是通過“Nudging”修正成果和城市大氣環(huán)境數(shù)值技術的結合實現(xiàn)的。而目前，該模式還處于試運行的階段，在未來的發(fā)展中，這項技術將為我國空氣質量的預報提供了更具有具有科學性、可靠性的參考和技術支持。

4.結束語

關于城市大氣污染的模擬技術方面所進行的研究，本文只能簡要分析了城市大氣環(huán)境數(shù)字值的集成、改進和應用。對于它的發(fā)展前景和操作過程還有待更多的專家參與到研究過程中來，從而為對氣污染有效準確預報提供一份技術的支持。

【參考文獻】

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