計(jì)算機(jī)建模及其在空氣質(zhì)量模擬和預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

王曉云

摘要：在計(jì)算機(jī)工程技術(shù)管理領(lǐng)域，關(guān)于工程管理、軍事管理、交通科學(xué)、生命科學(xué)、人文領(lǐng)域，都會(huì)有所涉及。本文圍繞計(jì)算機(jī)建模及其在空氣質(zhì)量模擬和預(yù)測(cè)中的應(yīng)用展開論述，對(duì)計(jì)算機(jī)在空氣污染之力中的運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)加以分析，愚弄空氣質(zhì)量建模的方法，對(duì)比了各類模型的建模機(jī)理，特別是當(dāng)今被廣泛應(yīng)用的cMAQ模型，歐拉三維格點(diǎn)的模型結(jié)構(gòu)、區(qū)域性環(huán)境規(guī)劃等的特征，作用、準(zhǔn)確度加以詳細(xì)的論證，對(duì)于各個(gè)敏感度板塊的控制污染預(yù)警、預(yù)報(bào)等方面的評(píng)估，決策中的運(yùn)用等展開了總結(jié)和展望，針對(duì)未來的空氣質(zhì)量建模的發(fā)展提出了建設(shè)性的意見和建議。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)模型；空氣污染治理；響應(yīng)面模型

人類對(duì)世界的認(rèn)知，很多時(shí)候可以通過數(shù)學(xué)模型的建立來達(dá)到目的。通過不斷完善知識(shí)積累，人們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上將數(shù)學(xué)模型加以修正，得到了關(guān)于世界的認(rèn)識(shí)的方向，得到了有利的決策，并加以演變，增加了人們的認(rèn)識(shí)的水平，預(yù)測(cè)事物的發(fā)展方向，掌握了得到了研究對(duì)象的復(fù)雜的認(rèn)識(shí)度。將這個(gè)決策參與到事物的演化過程中，對(duì)復(fù)雜的研究對(duì)象進(jìn)行了掌握后，再進(jìn)行簡(jiǎn)化，將模型沿著時(shí)間軸的方向不斷地延到了典型性的指標(biāo)，描述為一個(gè)過程，的不同性質(zhì)的研究目標(biāo)，最終降低了觀測(cè)、試驗(yàn)、計(jì)算等的成本。在條件允許的情況下，通過因子的調(diào)整，得到了研究對(duì)象的準(zhǔn)確的逼近值，得到了事物的最終的發(fā)展軌跡。

1.計(jì)算機(jī)與數(shù)學(xué)建模

經(jīng)過模型的建立，問題被轉(zhuǎn)化為了數(shù)學(xué)問題。為了得到數(shù)學(xué)模型的求解，將大量的數(shù)學(xué)推力運(yùn)用計(jì)算的方法加以計(jì)算。數(shù)學(xué)建模的載體是電子計(jì)算機(jī)。在二戰(zhàn)期間，美國(guó)使用了大量的軍用數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)彈飛行軌跡的計(jì)算，這些數(shù)據(jù)需要一種工具來進(jìn)行大量的計(jì)算，為了解決這一難題，電子計(jì)算機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。隨著計(jì)算機(jī)建模技術(shù)的快速發(fā)展，工程領(lǐng)域被擴(kuò)展到了非工程領(lǐng)域。數(shù)學(xué)建模得到了實(shí)際的解決，實(shí)際問題擁有了解決的道路，現(xiàn)代的數(shù)學(xué)建模大部分是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。

2.計(jì)算機(jī)建模與空氣質(zhì)量的模擬

大氣研究應(yīng)用計(jì)算機(jī)建模技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)?shù)膹V泛。經(jīng)過研究，空氣質(zhì)量的計(jì)算也得到了一種計(jì)算方法，那就是建立在氣象學(xué)的原理和假設(shè)的基礎(chǔ)上的方法，使用數(shù)學(xué)方法對(duì)大氣中的污染物的形成和排放乃至清除的過程進(jìn)行計(jì)算。

1）大氣模型的基本功能是將地區(qū)的源排放、地形等作為資料加以輸入，形成各種關(guān)于地區(qū)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，包含了污染物濃度等重要數(shù)據(jù)。再就是根據(jù)一個(gè)污染事件的情況，進(jìn)行模擬和分析。得到了最有效的科研和環(huán)境管理的手段，可以模擬、可以分析。這一科學(xué)模型的建議自上世紀(jì)60年代開始發(fā)展起來，從美國(guó)的實(shí)驗(yàn)室走出來，形成了卓有成效的空氣質(zhì)量模型的研發(fā)成果。70年代末期，空氣模型中的復(fù)雜的物理和化學(xué)機(jī)制帶來了第二代模型的出現(xiàn)。不過此時(shí)的空氣質(zhì)量模型是以大氣污染問題為核心的。應(yīng)用在技術(shù)上的范圍較為狹窄。隨著技術(shù)的進(jìn)步，又在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了大尺度的大氣污染問題模擬的方法的探索，網(wǎng)絡(luò)嵌套技術(shù)開始出現(xiàn)，應(yīng)用在各種空氣質(zhì)量模型上。到了90年代，第三代空氣質(zhì)量模型出現(xiàn)了。多重網(wǎng)絡(luò)潛逃技術(shù)，即大氣模型不再局限在單一的污染問題上，整個(gè)大氣成為了研究對(duì)象，絕大多數(shù)大氣污染物被模擬出來，各種大氣環(huán)境問題被模擬成大氣物理和化學(xué)過程。

上述過程中，第一代到第三代空氣質(zhì)量模型呈現(xiàn)多樣化，按照發(fā)展階段加以分類，按照分類標(biāo)準(zhǔn)分為模擬尺度、包含了微尺度、程式尺度、區(qū)域尺度等多尺度嵌套。計(jì)算方法又可分為統(tǒng)計(jì)模型、高斯模型等類型，建模機(jī)理又可分為3網(wǎng)絡(luò)嵌套技術(shù)等。

其中CMAQ是現(xiàn)代大氣研究中具有影響力的空氣質(zhì)量模型。不僅可以模擬污染物，而且能夠?qū)⒋髿馑枷胂嗷シ磻?yīng)，轉(zhuǎn)化為經(jīng)典，采用多重網(wǎng)格嵌套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大尺度區(qū)域的大氣污染物的輸送、擴(kuò)散和沉降。以低分辨率進(jìn)行模擬并將模擬目區(qū)域，在提供目標(biāo)便捷的同時(shí)按照不同的網(wǎng)格分辨率加以計(jì)算，節(jié)省了計(jì)算資源，提高了計(jì)算效率。而且能夠在區(qū)域模擬結(jié)果中不斷開發(fā)出具有良好性能的模塊化的模型。CMAQ包含了初始、邊界條件以及化學(xué)輸送模塊、光解速率模塊等。核心的模塊是CCTM，大氣的氣相和液相的化學(xué)反應(yīng)均可模擬。氣溶膠化學(xué)和動(dòng)力過程、云化學(xué)過程等。在氣相的反應(yīng)中包含了多個(gè)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的選項(xiàng)，常用的模型包括了CB05等。這些模型能夠?qū)馊苣z的硫酸鹽、硝酸鹽等的濃度加以模擬，得到了SOA的氣固平衡模型的細(xì)化了的研究成果。

2）在原有模型的基礎(chǔ)上，成分可以被動(dòng)態(tài)地模擬出機(jī)理，模式機(jī)理和結(jié)構(gòu)被做了大量的改進(jìn)和調(diào)整后，細(xì)化為氨、鈉、鎂、鋁、硅等等，通過CMAQ模式機(jī)理中形成了懸浮顆粒的成分，原來的懸浮顆粒中的分類，這些，并且在濃度的分布、空間變化上、季節(jié)的模擬更加接近觀測(cè)值。例如在建模機(jī)理上氨和汞的排放的處理上，其特殊性在于，將排放源，如土壤和睡眠之間的動(dòng)態(tài)交換，采用雙向通量的方法，來表達(dá)出氨和汞的排放，這一改進(jìn)降低了模式模擬的氨的濕沉降和觀測(cè)值相比較的誤差。為了更好地計(jì)算出大氣雙向耦合運(yùn)行模式，在源排放方面，由于大氣中的氮化物是模擬的準(zhǔn)確度的重要來源，因此，中活躍氮化物和臭氧的濃度上層閃電是NOX，被大大地改進(jìn)了。一種，WRF模式出現(xiàn)了，相對(duì)原來的獨(dú)立模式，WRF的運(yùn)行結(jié)果可以大氣動(dòng)力和化學(xué)過程使用高精度的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地模擬，將氣象信息加以輸入得到耦合模式，將CMAO的空間被節(jié)省下來，研究氣溶膠的輻射效應(yīng)受到大氣動(dòng)力系統(tǒng)的影響后，經(jīng)過對(duì)氣溶膠濃度、組分、尺寸等計(jì)算出氣溶膠的光學(xué)效應(yīng)來。專業(yè)昂，CMAQ計(jì)算的氣溶膠的濃度就隨著時(shí)間和空間的變化，被直接應(yīng)用在WRF的輻射計(jì)算中，得到了氣象模塊和大氣化學(xué)模塊的雙向耦合。

3）特別現(xiàn)在出現(xiàn)的云計(jì)算條件下，以前單一提高服務(wù)器陛能來加快運(yùn)行速度的情況得到了徹底的顛覆，所以硬件設(shè)備不再是制約模型復(fù)雜性和計(jì)算速度的因素，為快速得到數(shù)據(jù)結(jié)果而創(chuàng)造了有利條件，而且通過普通電腦也可以進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率。

3.結(jié)語

在當(dāng)前大氣污染日益嚴(yán)重的情況，有害氣體排放居高不下，空氣質(zhì)量建模廣泛應(yīng)用，必須具有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，而且還要制定污染源控制的對(duì)策，作為切實(shí)進(jìn)行空氣質(zhì)量評(píng)估和預(yù)報(bào)預(yù)警的手段。endprint