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(xué)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(yīng)以及它對污染物的化學(xué)物理過程、變化、分布的影響。其次，結(jié)合污染源Nudging和CMAQ-MOS技術(shù)來對城市大氣污染數(shù)值技術(shù)的修正，從而改進了對城市污染趨勢及污染物濃度的預(yù)報，使得城市大氣環(huán)境數(shù)值技術(shù)更具有應(yīng)用價值和可行度。

【關(guān)鍵詞】大氣環(huán)境數(shù)值技術(shù)；集成；改進；應(yīng)用

A 隨著社會經(jīng)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(zhì)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(shù)的手段對污染物于大氣中所經(jīng)歷的各種化學(xué)和物理過程進行模擬來研究城市的大氣環(huán)境的。由于當(dāng)前各種有關(guān)的化學(xué)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(yù)測和數(shù)值模擬水平最關(guān)鍵的因素。

關(guān)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(yù)測預(yù)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(shù)支持，以及為研究提供足夠的科學(xué)證據(jù)，從而以此來調(diào)控治理大氣污染和預(yù)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(chǔ)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(yù)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(shù)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(nèi)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(yù)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(nèi)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(yù)報思路的結(jié)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(xué)模型，然后再通過中心測點的城市大氣數(shù)值產(chǎn)品對周圍污染物的濃度進行預(yù)報。此外，在空氣質(zhì)量的預(yù)報方面，要進行在面的基礎(chǔ)上進行多點試驗，CMAQ-MOS技術(shù)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(shù)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(zhǔn)確客觀的描述，這在一定程度上使得城市空氣質(zhì)量在數(shù)值預(yù)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(shù)進行改進，從而對排放源清單的模式和預(yù)報偏差進行修正。例如，可以在城市空氣污染的預(yù)報中使用MOS的方法，并結(jié)合動力統(tǒng)計，形成了CMAQ-MOS技術(shù)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(chǔ)上建立起一個數(shù)學(xué)模型，然后嘗試預(yù)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(shù)的改進，能在排放源問題這方面克服其所產(chǎn)生的預(yù)報偏差，使得預(yù)報空氣質(zhì)量的水平得到提高和實際應(yīng)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(guān)模式對污染物的觀測值和濃度的比例進行模擬來構(gòu)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(diào)整過程中，多數(shù)城市進行模擬的結(jié)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(xué)物理反應(yīng)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(dāng)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(dāng)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(dāng)它化學(xué)反應(yīng)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(yù)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(yù)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(shù)的應(yīng)用

城市的大氣污染數(shù)值技術(shù)在各類大氣預(yù)報和模擬中得到了廣泛的應(yīng)用。如通過對修正源“Nudging”結(jié)果應(yīng)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(jié)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(chǔ)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(jié)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(zhì)并對比相應(yīng)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(fēng)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(fēng)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(yīng)相對而言會比冬天更加顯著。再次，可以利用CMAQ空氣質(zhì)量模式對城市冠層內(nèi)的污染物的轉(zhuǎn)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(yīng)。

關(guān)于城市大氣環(huán)境數(shù)值技術(shù)的應(yīng)用，就現(xiàn)階段來看，CMAQ城市空氣質(zhì)量的預(yù)報系統(tǒng)已在我國的氣象中心建立起來，而該系統(tǒng)的預(yù)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(shù)的結(jié)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(shù)將為我國空氣質(zhì)量的預(yù)報提供了更具有具有科學(xué)性、可靠性的參考和技術(shù)支持。

4.結(jié)束語

關(guān)于城市大氣污染的模擬技術(shù)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(yīng)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(zhǔn)確預(yù)報提供一份技術(shù)的支持。

【參考文獻】

[1]徐大海，朱蓉.大氣平流擴散的箱格預(yù)報模型與污染潛勢指數(shù)預(yù)報[J].應(yīng)用氣象學(xué)報，2000，11（1）.

[2]房小怡.城市空氣質(zhì)量數(shù)值預(yù)報模式系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2004，24（1）.