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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模拟流场的运动 规律和污染物的扩散特征
2、，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Prarie Grass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
3、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，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
4、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
5、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-3 CMAQ），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
6、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-a
7、tmosphere）：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和互相影响。 2、多层网格（multiscale）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、可同时进行多种污染物浓度的预报，种类达80多种。 6、可供选择的化学机制：CB4和RADM2。 7、使用标准输入输出
8、界面NetCDF（I/O API），可以灵活的增加资料，便于模式扩充和节约时间。 8、模式开发使用CVS(Concurrent Version System)版本管理系统，适合于多人使用，便于用户个人编译模式，使操作者有更大的使用空间。,Models-3模式系统特点,Models-3模式系统流程图,中尺度气象模式MM5,SMOKE 排放模式系统,空气质量模式系统CMAQ,MM5模式系统流程图,CMAQ包含以下模块： 初始化模块ICON和边界值模块BCON：提供化学反应物的浓度场； 光解速率常数模块JPROC：计算不同时间不同地点的光分解率； CMAQ模式中最核心的部分化学反应机制处理模块CCT
9、M，处理 以下几种大气过程： 1、大气化学反应过程：两种可供选择的化学机制:CB4和RADM2，并且 也可以修改已经存在的化学机制或使用新的化学机制。 2、大气扩散和平流过程 3、污染物的烟羽扩散过程 4、云的化学过程：云在液相化学反应、垂直混合、气溶胶的湿清除方面都起着很重要的作用，另外云还会通过改变太阳辐射影响污染物的光化学过程。,CMAQ模式介绍,CMAQ模式系统流程图,CMAQ工作目录.txt,mm5output,mcip2,MM5V3.6,SMOKE模式系统,MM5V3.6,mcip2,SMOKE模式参数,SMOKE模式参数,IDA类型:包括国家、城市、企业代码、污染源代码、锅炉燃烧
10、类型、企业名称、烟囱高度、烟囱直径、烟气温度、排气速度、烟囱经纬度、第一种污染物年排放总量（如SO2）、第一种污染物每天排放量、第二种污染物年排放总量（如NOx）等。,模式参数设置,MM5模式参数 中心坐标:36.08N,103.8E 第一重格距是3km，格点数为49*61,t=10秒;第二1km，格点数为55*67,t=3秒,垂直23层 陆面过程模式选取Noah land-surface方案 选取简单冰相过程，Grell对流参数化方案， MRF行星边界层参数化方案，云辐射方案等,模式参数设置,CMAQ模式参数 格点数小于MM5格点数：为47*59和53*65 垂直12层，从低层到高层值：1，
11、0.99，0.98，0.97，0.96，0.8，0.7，0.6，0.5，0.3，0.2，0.1，0. 选用CB4化学机制：包括36种化学反应物、93种化学反应和11种光分解率。,个例选取兰州市,兰州市的能源结构是：以煤炭为主、以油、气和少量的焦炭为辅。2002年兰州市城市燃煤量为450.88万吨，占总能耗的64.87，燃油量为85.25万吨，占总能耗的24.56，燃气量为30.60万吨，占总能耗的10.43，焦炭为0.74万吨，占总能耗的0.14。其能源结构见图。,城市能源结构现状,兰州河谷城市大气污染形成原因示意图,个例选取兰州市,以上因素使得兰州市污染严重，成为我国大气污染最严重的城市之一
12、。上表是根据国家环保总局1998-1999年公布的全国空气质量所作出的排序（表中的排名是按污染的严重程度划分的，排名1表示污染最严重）。从表中可以看出，兰州市污染最严重周次占全年的比例比较高，城区的空气质量状况不容乐观。,表 兰州城区空气质量在全国46个城市中的排序情况,个例选取兰州市,针对兰州市非常特殊的山谷地形和严重的大气污染状况，许多学者做了大量工作，建立了不同类型的大气污染扩散模式，从最早的高斯扩散模式，到物理过程比较简单的二维模式，再到近年来的三维扩散模式，这些模式有的存在山谷地形城市应用时的局限性（如高斯模式），有的对大气化学机制描述简单和预报物种单一等缺陷。因此引进美国新一代空气
13、质量模式系统Models-3，将其应用于兰州市二氧化硫、氮氧化物、臭氧等污染物形成与输送的数值模拟研究中。,个例选取兰州市,兰州12月份污染比较严重，选取的模拟时段是2002年12月1日3日，从1日地面图中可以看出：兰州市处于地面高压前部的弱梯度中，天气阴，烟尘污染比较明显，在08时500 hpa图上，西北区处于偏西气流中，探空站资料，表明整层大气稳定，在800700 hpa之间为等温层，不利于气流向上扩散。2日兰州市处于地面高压中，西北区为偏西气流，兰州处于暖脊中，整层大气稳定，不利气流向上扩散。因此选取的模拟时段没有大的天气过程，基本代表了兰州市冬季比较稳定的大气边界层情况。,个例选取,S
14、O2模拟结果,模式验证及模拟结果分析,模拟的2002年12月2日SO2的日均浓度分布(单位：mg/m3),模拟的国控点SO2日均浓度值与监测值对比,SO2模拟结果,SO2模拟结果,SO2,模拟的SO2浓度南北剖面图 （2日08时）(单位：mg/m3)（a）经过1号监测点 （b）经过4号监测点,SO2模拟结果,NO2模拟结果,NO2和O3模拟结果,模拟的国控点NO2日均浓度值与监测值对比,NO2和O3模拟结果,NO2,NO2和O3模拟结果,O3,小结与讨论,以上将最新一代的空气质量模型Models-3引进，选取了一个2002年12月份的个例对模式进行了调试和模拟性能检验，有以下结论： 从对兰州市SO2，NO2和O3等污染物的初步模拟结果来看，该模式系统模拟出了SO2，NO2的空间分布趋势，模拟结果与监测结果比较吻合，模拟的污染物浓度场比较均匀。因此该模式系统对于复杂地形条件下的城市污染物的输送具有一定的模拟能力，可用于进一步的开发。,谢谢！,
