摘要：模式模拟，具有空间和时间分布的连续性特征，有多种化学过程和输送模拟的试验方案可选择等优势，在研究区域大气空气质量研究领域过程中发挥着重要作用。本文系统地介绍了主要空气质量模式在大气环境科学中的重要作用、主要分类及其发展阶段。详细阐述了ISCST3、多维多箱模型、ADMS－URBAN、CAMx及CMAQ等空气质量模式的框架原理、主要特征及其在空气质量管理和规划中的应用，并指出今后模型的发展方向。
关键词：空气质量模式；ISCST3；多维多箱模型；ADMS－URBAN
中图分类号： X823文献标识码：A文章编号：1007-0370（2011）07-0089-02
前言
目前，城市、区域以及全球范围的大气污染物的输送、转化、沉降及其对生态环境的影响受到国内外学者的密切关注[1]。借助计算机数值求解大气污染物输送/扩散方程来研究各种尺度的大气污染物输送与沉降规律，具有时间和空间的连续性，是观测站点直接观测的有利补充。自20世纪80年代以来出现了一批区域污染物输送模式，这些模式分别研究了欧洲、北美和东亚等地区SO2、NOx、O3、大气气溶胶等的分布、输送和沉降[2]。大气质量数值模拟技术系统广泛应用于对各种大气污染物在不同尺度下的不同类型污染过程进行模拟，已经成为大气环境研究中不可缺少的组成部分[3~11]。
目前应用较为广泛的区域环境质量模型包括简单的扩散模式（如工业多源模式ISCST3等）、建立在质量平衡理论上的箱式模式（如多维多箱模型等）、针对特定污染问题研究的欧拉数值模型、以及综合的多污染物、多尺度空气质量模式（如CAMx、Models-3等）以及一些大气环流与化学完全在线耦合大气—化学模式（如RAMS-Chem、MM5-Chem、WRF-Chem等）。以下将对上述各代表性的空气质量模式及其应用现状进行简要介绍：
1ISCST3
ISCST3（Industrial Sources Complex Short/Long Term Version 3）模型是美国国家环保局开发并在美国推广使用的一个大气污染物扩散模型。主要用于计算点源、面源、线源、体源等在内的综合性工业源的SO2、TSP、NOx和CO等一次污染物的环境浓度，以及颗粒物的沉积和干、湿沉降量。清华大学、北京大学等单位在“北京市大气污染控制对策研究”中应用该模型对北京市大气中颗粒物、SO2和NOx的污染趋势进行了预测，结合预测结果，提出了北京市环境质量达标总体控制方案[12]；清华大学在我国酸沉降控制规划与对策研究过程中，开发应用有关模型对我国东部地区硫沉降进行模拟，在研究过程中对开发的模式和性能进行了分析，并结合SO2等酸性物质的排放，对东部地区硫沉降的情况进行了预测分析[13]；应高祥等人为了精确地估算产业部门不同类别与特征的大气污染源对指定区域的污染强度，采用暴露效率概念及其研究方法，以北京城区为例，应用大气污染扩散模型ISCST3，由污染排放数据、全年逐时气象数据以及市区人口分布，求得1999年各污染源对北京市区SO2，PM10，NOx等污染物浓度的贡献率和北京城区居民的暴露效率[14]；陈开平等人则将ISCLT3模型应用在烟台市空气污染综合控制规划中，模拟了SO2、NOx长期平均浓度，进行了城市空气污染特征分析及控制效果的预测，结果表明ISCLT模型完全适用于在气象参数的获得受到限制的情况下模拟大气污染物的长期浓度分布，部分高架污染源以及低架点源是烟台市SO2污染的主要来源，在市中心区，环境空气中NOx浓度的2/3来源于机动车排放，实施综合治理方案后，区域SO2浓度基本达到国家一级标准[15]；郝吉明等人研究建立了以GIS为平台的北京市机动车排放清单，获得了北京市规划市区内分车型以及分区域的机动车排放分担率，在此基础上，采用修正的ISCST3模型模拟了1995年规划市区CO和NOx浓度的时空分布情况，并分析了机动车排放对北京市大气浓度的贡献率，结果表明，1995年北京市规划市区CO和NOx 的年排放分担率分别达到了76.8%和40.2%，相应的年浓度分担率则分别为76.5%和68.4%，在城市中心区以及道路边，2种污染物的浓度分担率则更高，在北京市对机动车排放污染实施控制是有效削减CO和NOx的主要途径[16]；杜鹏飞等为了定量分析能源政策和城市用地布局对大气环境质量的影响，给城市总体规划提供决策支持，以南宁市为例，应用ISCLT-3模型和情景分析相结合的方法对SO2控制策略进行模拟研究，结果表明：若不采取任何控制措施，到2010年，研究区域的SO2年日平均浓度将达58μg/m3，超标率（浓度年均值超过国家二级标准的区域面积占总面积的比例）为38.94%，单一的控制措施可以减轻污染水平，但不能完全满足国家二级标准要求，若采取综合控制策略，平均浓度达到34μg/m3，所有网格均满足国家二级标准要求[17]。
2多维多箱模型
多维多箱模型是北京工业大学开发的一种应用起来较为方便、实用性较强的大气环境预测模型，是在单箱模型的基础上应用质量平衡原理建立起来的，该模型反映了大气污染物的三维扩散、污染物的化学转化及物理清除过程，并能对城市不同功能区的空气质量进行预测，预测结果具有较高的精度。在对污染物长期浓度预测时，该模型比国际较先进的Airshed空气质量预测模型的精度一般要高出5个百分点。
多维多箱模型具有内部机理清晰明了、计算简单、容易调试、应用方便等特点，特别适用于对城市不同功能区的低矮面源以及无组织面源的污染扩散进行预测。它既考虑到了铅垂方向和横风向污染物的扩散及风场随高度的变化，又考虑到了物理干沉积、湿沉积和化学变化对污染物浓度的影响，计算结果较为准确。程水源等应用发展的高斯-箱式复合模型系统分别模拟研究了中国唐山市区和丰南区空气污染状况，并根据模拟结果给出了主要污染物PM10和SO2 的削减规划。2002年北京工业大学应用多维多箱模型和高斯模型耦合研究了唐山市的大气环境质量，在此基础上确定了唐山市的大气环境容量，并提出了唐山市大气环境质量达标规划。
3ADMS－URBAN
ADMS－URBAN模型是比较典型的新一代空气质量模型，由英国剑桥环境研究中心（CERC）开发。该模型与以往相对简单模型相比较，具有能同时处理所有类型的污染源；具有单独的气象预处理模块系统；引入了化学模块等特点。但是该模型同样缺点也很明显。首先，模拟范围相对较小，在气象场比较均匀的情况下，可以模拟50～70km以内的区域，对于更大范围的污染物输送影响不能作出响应；其次，该模型的气象模块需要的气象要素只有6种，并且该气象模块不能用来预测；第三，该模型在存在海陆风环流的海岸地区的使用受到较大限制。
4CAMx
CAMx模式是美国ENVIRON公司在UAM-V模式基础上开发的综合空气质量模式，具有双向嵌套网格功能，可对高架点源采用快速、结构简单的GREASD PinG方法，同时考虑了干沉降和湿沉降，垂直输送和扩散利用Crank-Nicholson方法求解，水平平流和扩散使用Smolarkiewicz的解法，气相化学机理采用改进的CBM2 IV机理，机理中更新了个别自由基的终止反应，并增加了新物种OLE2和COC，用ENVIRON CMC解法求解，同时考虑了气溶胶化学。
王雪松和李金龙利用三维区域空气质量模式CAMx模拟了京、津地区对流层大气光化学过程，运用臭氧源识别技术研究不同地区、不同种类污染源排放对北京市城近郊区臭氧浓度的影响，并统计分析这一地区的臭氧来源构成，结果表明：北京市城近郊区排放的污染物对本地及其下风地区的臭氧生成有显着影响，北京市城近郊区的各类排放源中，流动源对臭氧生成贡献最大，油品储运和溶剂使用与工业源的臭氧生成贡献也占有较高份额，天然源排放对臭氧生成的贡献很小，另外，研究表明北京地区的臭氧生成具有区域特征，气象和源排放条件会对这一地区臭氧来源的构成产生较大影响，周边地区污染物排放的影响应予以关注；王雪松和李金龙等利用三维区域空气质量模式CAMx，对北京地区夏季PM10浓度的时间变化规律和空间分布特征进行了数值模拟研究。结果表明，北京市城近郊区夏季的PM10具有明显的时空变化规律，一般在半夜前后和早晨常表现出较高的浓度；中午前后由于大气化学转化对二次气溶胶的生成贡献，在城市地区也会表现出一定的高浓度值，傍晚前后往往是一天中浓度最低的时段，PM10的空间分布与源排放关系密切，中午前后的空间分布会体现出光化学反应对其二次生成作用的影响，二次气溶胶在PM10中占有相当的份额，对于PM10中硫酸盐和硝酸盐的浓度变化，其中的二次组分起主要决定作用，而有机碳气溶胶以及PM10的浓度水平和变化规律则主要受一次成分的影响[18]；
5Models-3/CMAQ
第三代空气质量模式系统Models-3（Third-Generation Air Quality Modeling System）是美国环保署（USEPA）为将各种模拟复杂大气物理、化学过程的模式系统化，以应用于环境影响评价及决策分析而发展的系统，该模式将天气系统与中、小尺度气象过程对污染物的输送、扩散、转化和迁移过程的影响融为一体考虑，同时兼顾了区域与城市尺度之间大气污染物的相互影响，以及污染物在大气中的气相各种化学过程，包括液相化学过程、非均相化学过程、气溶胶过程和干湿沉积过程对浓度分布的影响，可用于区域与城市尺度对流层臭氧、大气气溶胶、能见度和其他空气污染物的预报和环境评价。CMAQ设计为多重网格嵌套模式，所谓多重网格嵌套模式是将模拟区域按照不同的网格分辨率和覆盖范围来分别进行计算，在模拟目标区域之外，首先以较粗的网格分辨率进行模拟，为内层细网格模拟提供边界条件，从而使内层细网格模拟的准确度提高。这样做好处有二：第一，在粗网格时总网格数变少，运算时间得以有效的减少；第二，在细网格部分，由于边界层条件是由外层网格所提供，而非固定值，因而考虑了区域输送的影响，可以增加内层目标区域模拟的准确度。
Models-3模式结构严谨，体系完整，系统也十分灵活，可以根据研究的需要选择适合的模型并加入其模式体系，而且与应用软件的结合良好。CMAQ模式中包括许多模块，其中最主要的是化学输送模块CCTM。CCTM模块的这些过程主要分为三种。第一种是通过一个先进的光分解模块（JPROC）来计算的与辐射有关的光分解过程。第二种是污染物的扩散过程。第三种是云相关的物理和化学过程。
目前Models-3空气质量模式是国内研究较多的空气质量模式之一。中国科学院大气物理研究所张美根利用建立起来的区域大气模拟系统（RAMS）和公共多尺度大气质量模式（CMAQ）耦合的空气质量模式系统，结合为ACE-Asia、TRACE-P试验准备的东亚地区1°×1°污染源资料，对东亚地区2001年春季气溶胶的输送及其化学转化过程进行了研究，为了检验模式系统的模拟效果，将模拟的硫酸盐、硝酸盐和铵盐气溶胶的浓度与TRACE-P观测期间获取的观测值进行了比较，结果显示模拟值与观测值具有相当好的一致性，模式很好地反映了气溶胶浓度的分布特征和变化规律，再现了很多观测到的重要特征；刘煜等通过模式结果与NOx、CO、O3、NH3、HNO3、SO2和PM2.5的观测浓度对比，说明CMAQ空气质量模式能够较好地模拟华北地区污染物的变化，北京地区边界层高度在白天较高，中午平均高度为1500m的特点使得SO2、NH3和HNO3可以输送到边界层上部850hPa，硫酸盐、铵盐和硝酸盐分别在边界层上部和下部形成各自的高浓度区，由于PM2.5的寿命较长，因此可以被输送到对流层的中层，形成深厚的气溶胶层，构成了北京地区气溶胶的穹隆，模式结果表明如要控制华北地区夏季大气中气溶胶的浓度，除了减少SO2和NOx的排放以及一次气溶胶的排放外，降低大气中NH3的排放也是有效办法之一[19]。
6结论
综上所述，区域大气质量数值模拟技术在模拟和预测空气质量上已取得了一定的成果。但是，要模拟预测出目前以区域性大气复合污染为特征的空气质量还需进一步开发建立出一个嵌套诸多城市群的、多过程的以阐明区域性各种复合污染（如沙尘暴、光化学污染、城市可悬浮颗粒物、酸雨等）的变化规律及其区域影响的模式，从而为合理制定污染源排放控制对策和城区科学规划提供准确的基础数据。
参考文献
[1] 江学顶, 夏北成. 珠江三角洲城市群热环境空间格局动态. 生态学报. 2007,27 (4): 1461~1470.
[2] 郑永光, 朱佩君, 陈尊裕等. 东南亚地区生物体燃烧影响华南地区对流层臭氧垂直分布的个例分析. 地球物理学报. 2004 47(5): 767~775.
[3] 余贞寿, 廖胜石, 黄克慧. 0414号台风“云娜”的数值模拟.气象学报. 2005. 63(6): 903~914.
[4] 余文卓, 顾钧. ARPS气象模式在静风条件下的模拟应用. 苏州大学学报(自然科学版). 2000 16(2): 80~106.
[5] 游春华, 蔡旭晖, 宋宇等. 京津地区夏季大气局地环流背景研究. 北京大学学报(自然科学版), 2006. 42(6): 779~783.
[6] 孙兰涛, 宋宇, 张蕴斐等. 一个嵌套于MM5的高分辨率大气边界层模式. 海洋预报. 2005.22(增刊): 94~105.
[7] 王宝民, 孙向明, 刘辉志等. 二维街谷热力动力场数值模拟.北京大学学报(自然科学版). 2004. 40(5): 774~780.
[8] 陈炯, 王建捷. 边界层参数化方案对降水预报的影响. 应用气象学报. 2006, 17(S1): 11~17.
[9] 邓雪娇, 黄健, 吴兑等. 深圳地区典型大气污染过程分析. 中国环境科学. 2006, 26(Suppl.): 7~11.
[10] 李元平, 梁爱民, 张中锋等. 北京地区一次冬季平流雾过程数值模拟分析. 云南大学学报(自然科学版). 2007, 29 (2): 167～172.
[11] Amit P. Kesarkar, Mohit Dalvi, Akshara Kaginalkar and Ajay Ojha. Coupling of the Weather Research and Forecasting Model with AERMOD for pollutant dispersion modeling. A case study for PM10 dispersion over Pune, India. Atmospheric Environment. 2007,41(9): 1976-1988.
[12] 清华大学、北京大学. 北京市大气污染控制对策研究. 2002.
[13] 清华大学. 我国酸沉降控制规划与对策研究. 2000.
[14] 应高祥, 陆永琪, 郝吉明等. 北京城市大气污染源的暴露效率研究. 城市环境与城市生态. 2002, 15(4): 33~35.
[15] 陈开平, 马永亮, 傅立新. ISC长期模型在烟台市空气污染控制规划中的应用. 上海环境科学. 2002, 21(8): 494~513.
[16] 郝吉明, 吴烨, 傅立新等. 北京市机动车污染分担率的研究. 环境科学. 2001. 22(5): 1~6.
[17] 杜鹏飞, 杜娟, 郑筱津等. 基于ISC3模型的南宁市SO2污染控制策略. 清华大学学报(自然科学版). 2005. 45(9): 1209~1212.
[18] 王雪松, 李金龙. 北京地区臭氧源识别个例研究. 北京大学学报(自然科学版. 2003. 39(2): 244~253.
[19] 刘煜, 李维亮, 周秀骥. 夏季华北地区二次气溶胶的模拟研究.中国科学D辑: 地球科学 2005, 35 (增刊Ⅰ): 156~166.
收稿日期：2011-05-24
作者简介：郭建秋（1982-），女，助理工程师，研究方向：环境影响评价.
