基于拉格朗日混合單粒子軌道模型的大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)研究*

沈 浩 劉端陽

(1.江蘇省江陰市氣象局，江蘇 無錫 214432；2.江蘇省氣象局，江蘇 南京 210008)

近年來，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，危險化學(xué)品泄漏、爆炸等大氣污染事件頻發(fā)，不僅給社會造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且給周邊環(huán)境和人類健康帶來了嚴重影響。在突發(fā)性大氣污染事件發(fā)生時，第一時間掌握污染物的擴散趨勢，能為災(zāi)害的預(yù)報預(yù)警提供必要的參考依據(jù)。污染物的擴散除了與自身化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，主要受氣象條件的影響，從現(xiàn)有觀測資料來看，針對污染物和影響污染物擴散的氣象要素的觀測多為定點觀測，且觀測要素有限，因而僅憑目前的觀測資料難以實現(xiàn)對污染物擴散情況的預(yù)報。數(shù)值模式具有精度高、時效長、可靠性高、內(nèi)容豐富、結(jié)果直觀的特性，可以滿足人們對大氣污染物擴散預(yù)報質(zhì)量的基本要求。

早在20世紀70年代，人們就已經(jīng)開始對污染物的輸送和擴散規(guī)律進行研究，并逐漸開展大氣污染的預(yù)報工作。20世紀80年代前，大氣污染預(yù)報多為經(jīng)驗預(yù)報，主要通過現(xiàn)有觀測資料對影響大氣污染物輸送和擴散的氣象因素進行分析，得出預(yù)報結(jié)論[1-5]。針對大氣污染物擴散預(yù)報的數(shù)值模式研究始于20世紀80年代中期，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，大氣污染物擴散模型正朝著更加精細化、多元化及更有針對性的方向發(fā)展。施介寬[6]利用傳統(tǒng)的高斯模型研究了垂直氣流對大氣污染物分布的影響，指出垂直氣流的存在將明顯影響高架源大氣污染物的分布，特別在下沉氣流中，地面污染物濃度將增大1～2個量級。朱黎明等[7]為準確預(yù)測煤層氣泄露污染的擴散路徑及范圍，針對高斯模型進行了改進，結(jié)果表明，改進后的高斯模型能夠較好地模擬煤層氣在空氣中的擴散分布狀況。李航等[8]采用WRF-CALPUFF模型結(jié)合美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)的再分析資料，對日本福島核電站2011年3月12日的核泄漏事故進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可以較好地反映核物質(zhì)擴散情況，尤其是關(guān)鍵時間節(jié)點的模擬結(jié)果與實際一致。馬春香等[9]針對幾種大氣污染物擴散模式的應(yīng)用進行了對比，結(jié)果表明：CAPPS模式應(yīng)用于國內(nèi)一些城市的大氣污染預(yù)報，方法簡單；NAQPM模式對物理/化學(xué)過程的處理、氣象場模擬、污染源排放、地域環(huán)境特征、數(shù)據(jù)處理分析與計算均采用較為科學(xué)的方案；ISC模式在污染源排放清單和氣象參數(shù)確定方面更加細致、準確。

拉格朗日混合單粒子軌道(HYSPLIT)模型是由美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實驗室與澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的一種用于計算和分析大氣污染物輸送軌跡、擴散濃度的專業(yè)模型。該模型具有處理多種氣象要素輸入場、多種物理過程和不同類型污染物排放源的功能，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物傳輸和擴散的研究中。本研究從數(shù)值預(yù)報角度入手，基于HYSPLIT模型中的部分模塊來搭建大氣污染物擴散預(yù)報模型，在突發(fā)性大氣污染事件發(fā)生時，可以即時模擬預(yù)報大氣污染物擴散趨勢，為災(zāi)害的處置和救援提供保障。

1 開發(fā)工具與運行環(huán)境

本研究基于Microsoft Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境中的Visual C#進行自主開發(fā)，通過構(gòu)建客戶端/服務(wù)器(C/S)架構(gòu)將HYSPLIT模型中的部分內(nèi)核重新進行整合，并實現(xiàn)了與大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)的對接。在利用Visual C#進行編程時采用了Microsoft.net Framework 4.0環(huán)境，因而大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)運行環(huán)境限于Microsoft.net Framework 4.0及以上版本。

2 大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)

大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要功能如下：

(1) 利用Visual C#編程實現(xiàn)大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)與HYSPLIT模型部分模塊接口的對接，并實現(xiàn)HYSPLIT模型參數(shù)設(shè)置和大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)功能性路徑設(shè)置的界面化，參數(shù)設(shè)置中污染源起始點位置、污染物起始濃度、污染物擴散起始時間和持續(xù)時間均可任意選取。

(2) 實現(xiàn)系統(tǒng)自動定時下載全球預(yù)報系統(tǒng)(GFS)的最新預(yù)報初始場數(shù)據(jù)，并自動刪除歷史數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)堆積。

模擬預(yù)報的質(zhì)量與精度：污染物輸送軌跡模擬初始場數(shù)據(jù)時效為180 h(7.5 d)，時間分辨率為1 h，空間分辨率為0.5°×0.5°；污染物擴散趨勢模擬初始場數(shù)據(jù)時效為84 h(3.5 d)，時間分辨率可達1 min，空間分辨率為0.5°×0.5°。

(3) 實現(xiàn)大氣污染物在不同高度輸送軌跡的模擬預(yù)報。

(4) 針對突發(fā)性大氣污染，實現(xiàn)即時模擬預(yù)報大氣污染物擴散趨勢。

圖1 大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Function chart of atmospheric pollutant diffusion forecast system

(5) 針對常規(guī)大氣污染源，實現(xiàn)定時定點批量模擬預(yù)報單污染源或多污染源的污染物擴散趨勢。定時模擬預(yù)報分3個時段：前天20：00至今天20：00(0～24 h)；今天20：00至明天20：00(24～48 h)；明天20:00至后天20：00(48～72 h)。

(6) 實現(xiàn)系統(tǒng)自動定時下載最新全球資料同化系統(tǒng)(GDAS)實況數(shù)據(jù)(時間分辨率為1 min，空間分辨率為1.0°×1.0°)。利用實況數(shù)據(jù)進行預(yù)報，實現(xiàn)對模擬預(yù)報結(jié)果的對比檢驗。

(7) 自動批處理預(yù)報數(shù)據(jù)成圖，并實現(xiàn)圖片的分類顯示。

3 大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)的界面介紹

3.1 大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)主界面

大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)主界面包含各項功能菜單和圖形顯示窗口，如圖2所示。

圖2 大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)主界面Fig.2 Main interface of atmospheric pollutant diffusion forecast system

(1) 軌跡預(yù)報菜單：用于設(shè)置大氣污染物輸送軌跡預(yù)報參數(shù)，并運行軌跡預(yù)報的模擬程序。

(2) 濃度預(yù)報菜單：用于設(shè)置大氣污染物擴散濃度的預(yù)報參數(shù)，并運行濃度預(yù)報的模擬程序。

(3) 實況模擬菜單：用于設(shè)置大氣污染物輸送軌跡和擴散濃度的實況模擬參數(shù)。

(4) 設(shè)置菜單：包括各項路徑設(shè)置和手動下載按鈕。

(5) 圖形顯示界面：系統(tǒng)自動批處理預(yù)報數(shù)據(jù)成圖，并實現(xiàn)圖片的分類顯示。

3.2 參數(shù)設(shè)置界面

參數(shù)設(shè)置界面(以濃度實況模擬為例)如圖3所示。參數(shù)一般包含：

(1) 模擬起始時間：指模擬預(yù)報個例的起始時間(以“年 月 日 時”形式描述，以全球通用協(xié)調(diào)時間(UTC)計)。

圖3 參數(shù)設(shè)置界面Fig.3 Interface of model parametric setup

(2) 模擬時間：指模擬預(yù)報個例的時間長度(以h為單位)。

(3) 模擬時間間隔：指模式模擬的時間間隔(以h或min為單位)。

(4) 污染物擴散速率：指污染源單位時間排放的污染物質(zhì)量(以mass/h為單位，mass為任意質(zhì)量單位)。

(5) 污染擴散起始時間：指污染物從污染源開始擴散的起始時間(以“年 月 日 時 分”形式描述，以UTC計)。

(6) 污染擴散持續(xù)時間：指污染物從污染源開始擴散到結(jié)束的時間(以h為單位)。

(7) 模擬區(qū)域中心經(jīng)緯度：指模擬的地理位置中心(以“緯度 經(jīng)度”形式描述，經(jīng)度和緯度均以°為單位)。

(8) 模擬區(qū)域范圍：以模擬區(qū)域中心為原點，以徑圈數(shù)和徑圈間距的乘積作為半徑。

(9) 起始位置個數(shù)：指污染源個數(shù)。

(10) 起始位置：指污染源的緯度、經(jīng)度、高度，以(“經(jīng)度 緯度 高度”形式描述，經(jīng)度和緯度均以°為單位，高度以m為單位)；如果有多個污染源，需逐個寫入污染源的起始位置。

4 天津“8·12”危險化學(xué)品倉庫爆炸事件模擬

4.1 污染物輸送軌跡

利用大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)，對2015年天津“8·12”危險化學(xué)品倉庫爆炸事件進行污染物輸送軌跡模擬，主要參數(shù)設(shè)置方案見表1。從各高度的污染物輸送軌跡看，模擬預(yù)報與實況預(yù)報基本吻合(見圖4(a)和圖4(b))?？傮w來看，此次爆炸事件產(chǎn)生的大氣污染物主要輸送方向為渤海灣方向。結(jié)合美國過境衛(wèi)星Terra于2015年8月13日3:00的監(jiān)測結(jié)果可以看出，爆炸后產(chǎn)生的煙團正向渤海灣傳輸，且污染物所在位置與模擬預(yù)報基本一致(見圖4(c))。污染物在24 h內(nèi)主要以水平輸送為主，垂直輸送很弱。隨著污染擴散時間的持續(xù)，不同高度的污染物在水平輸送方向上差異明顯。

圖4 污染物輸送軌跡比較Fig.4 Comparison of pollutant transport trajectory

參數(shù)設(shè)置模擬起始時間2015年8月12日12時模擬時間/h24污染擴散起始時間2015年8月12日15時30分起始位置(117.75°,39.04°,10m)模擬起始高度/hPa898、950、1005

表2 污染物擴散趨勢模擬的主要參數(shù)設(shè)置

4.2 污染物擴散趨勢

利用大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)，對2015年天津“8·12” 危險化學(xué)品倉庫爆炸事件進行污染物擴散趨勢模擬，主要參數(shù)設(shè)置方案見表2。從圖5可以看出，在爆炸后12 h內(nèi)，模擬預(yù)報的污染物擴散趨勢與實況預(yù)報基本吻合，說明大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)取得了較好的模擬預(yù)報效果。

5 結(jié) 語

大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)實現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置的界面化，能自動下載、讀取模擬預(yù)報的最新初始場數(shù)據(jù)和實況數(shù)據(jù)；采用C/S架構(gòu)搭建，穩(wěn)定性高、響應(yīng)快、界面簡潔美觀、操作簡單方便。當(dāng)突發(fā)性大氣污染事件發(fā)生時，可以利用該系統(tǒng)對污染物輸送軌跡和擴散趨勢進行即時模擬預(yù)報。大氣污染物擴散預(yù)報系統(tǒng)較好地模擬了2015年天津“8·12”危險化學(xué)品倉庫爆炸事件的污染物輸送軌跡和擴散趨勢，表明爆炸產(chǎn)生的污染物主要向渤海灣方向輸送，污染物主要以水平輸送為主，垂直輸送很弱。隨著污染擴散時間的持續(xù)，不同高度的污染物在水平輸送方向上差異明顯。

圖5 污染物擴散趨勢比較Fig.5 Comparison of pollutant diffusion tendency

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