兰州市大气污染及对策研究

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1、美国第三代空气质量模式Models-3的介绍及应用北京大学环境学院2005年10月安兴琴报告内容引言－大气质量模式发展Models-3模式介绍模式参数设置个例模拟结果小结与讨论第12届全国大气环境会议－丹东大气污染扩散的研究方法外场观测试验实验室风洞和水槽实验数值模拟引言利用地面监测站、气象观测塔、系留气球探空、雷达及卫星遥感等多种观测手段进行不同高度的大气边界层气象要素和大气污染物浓度监测，可以直接获得大气环境的有关参数，揭示大气运动的基本规律，为数值模式提供参数和对比依据.目前实验室广泛应用风洞试验和水槽试验来

2、模拟流场的运动规律和污染物的扩散特征，为理论研究和数值模式提供参数.利用数理方程来描述大气中各种复杂现象的运动过程和变化规律，全面揭示大气边界层结构特征和大气中各种污染物的物理、化学和生物学过程，定量模拟污染物扩散及浓度变化状况和趋势。大气质量模式发展60年代以来，大气质量模式发展经历了三代：第一代：基于质量守恒定律的箱模型和基于湍流扩散统计理论的高斯模型及萨顿模型,代表模式有ISC和EKMA模式等。第一代中应用最广泛的是高斯模型，该模型最初的发展是以Pasquill和Gifford为代表的大气扩散科学家，在分析P

3、rarieGrass现场观测数据后，得到的不同稳定度条件下大气扩散参数曲线为基础，模式中各大气稳定度对应的扩散参数依据Pasquill方法来确定。模型中假定污染物在空间遵循高斯分布，求解平流扩散方程的解析解，形成著名的Gaussian模式。该模型在60、70年代得到了广泛应用，也成为美国环保局UNAMAP系统的模式支柱，随后在高斯模式基础上，又发展了一些大气质量模式，如AQSTM模式（1976），MSDM(1978)，MESOPUFF(1979)，CRSTER和MPTER及ATDL模式等。引言70年代末80年代初，

4、随着对大气边界层湍流特征的研究，通过水箱试验、风洞模拟、数值试验和现场观测发现了高斯模式无法解答的问题。1983年Rao和Cteven研制的不利气象条件下空气污染模型，是利用数值法解大气湍流扩散方程的数值模型（K－理论），由此奠定了利用动力模型计算污染物浓度场的基础，在此基础上发展的第二代扩散模型已经加入地形和较为复杂的气象参数，模拟的气象场与实际大气比较吻合。具有不同于第一代模型的显著特点是抛弃了传统的Pasquill法，在对流条件下，扩散模式在烟流的垂直分布上采用非高斯算法，通常采用概率分布函数(PDF)。90

5、年代以来，随着计算机和大气化学分析技术的快速发展，模型描述的化学物理过程更接近于真实大气。目前这种基于大气物理－化学过程耦合的第二代动力数值模型，考虑了大气中气相和气溶胶化学及大气边界层物理和动力学相互作用，其典型特征是中尺度大气模型与大气化学模型耦合，是目前研究大气污染预报及大气污染问题的主要手段。引言大气质量模式发展引言第二代区域性大气质量模式系统功能组成结构图第二代的大气质量模式在设计上主要分别针对气态（如TAOM）或固态污染物（如RPM），对于各污染物之间的相互反应和相互转化考虑的不是很周全，而实际大气中的

6、各污染物有相当复杂的反应和气固态转换过程。因此在90年代末美国环保总局发展了基于一个大气理念的第三代空气质量模式系统（Models-3CMAQ），它是一个多模块集成、多尺度网格嵌套，代表了模式发展方向的新一代空气质量模式系统，其中增加了化学物与气象要素之间的反馈作用，实现了多物种（如臭氧、SO2、酸雨、气溶胶等）的同时模拟。对于大气物理化学过程的描述更加全面、细致。引言大气质量模式发展Models-3模式系统包括四大模块：(1)大气化学过程－输送过程耦合作用计算理论模型；(2)气象要素场的计算模型；(3)各类污染源

7、排放强度计算处理地理编码与投影系统；(4)空气质量保证与控制系统（QA/QC）。该模式系统具有决策支持和大气物理与大气化学动力耦合的研究功能，是一个将大气质量预报同大气质量保证和污染控制的决策支持体系紧密联系在一起的大气质量预警管理系统。Models-3模式系统介绍Models-3将各个方面的用途都集中在一个综合的模式系统中,便于环境科学家和环境工作者使用。主要特点：1、一个大气的概念（One-atmosphere）：Models-3突破了传统模式针对单一物种或单相物种的模拟，考虑了实际大气中不同物种之间的相互转换

8、和互相影响。2、多层网格（multi－scale）嵌套：将模拟的区域分成大小不同的网格范围来分别模拟，可提高模式的模拟准确度和速度。3、可供选择的多种用途：Models-3不仅用于各种大气污染物浓度的预测,而且可用于进行环境评估和环境控制决策。4、可供选择的多种空间尺度范围：用户可根据自己研究问题的需要，选择局地、城市、区域和大陆等多种尺度的研究范围。5、可