鎮江市環境空氣質量數值預報模式的選擇

張先寶

摘 要：本文針對《環境空氣質量預報預警方法技術指南》推薦的中國的NAQPMS、美國的CMAQ、CAMx和WRF-Chem以及法國的Polyphemus五個模式，分別從區域位置、地形地貌、氣象氣候、污染源特點、顆粒物等質量因子特點以及所需的條件五個指標進行分析，并提出模式選擇的思路與方法；最后，結合鎮江市區域、地形、氣候、污染源和PM成分等影響因素，綜合性比較分析，對鎮江環境空氣質量數值預報模式進行的選擇。

關鍵詞：空氣質量；數值預報；模式；選擇

近年來，我國京津冀和長三角等地區霧霾天氣多發，霧霾發生的特點不僅日數多，而且影響范圍廣。從污染因子分析，PM2.5已成為影響我國大氣環境質量的首要污染物，并呈現典型的區域性、復合型污染特征[1-3]。預報模式運用主要經歷經驗預報、潛式預報、統計預報、數值預報、集合預報、多模式集合預報、資料同化等階段[4]。目前，地級城市還處于潛式預報或統計預報階段，正著手進行數值預報開發研究工作，數值預報模式有很多種，因此，如何選擇適合當地的預報模式，是開發空氣質量數值預報工作首要問題。

1 空氣質量數值預報特點

空氣質量數值預報模型均應具有以下共同優點：（1）應充分考慮了各種大氣物理過程和各污染物間的化學反應及氣固兩相轉化過程，可模擬多污染物間的協同效應；（2）應基于嵌套網格設計，可用于模擬局地、區域等多種尺度的大氣環境問題；（3）應基于“一個大氣”的設計理念，通過一次工作可以同時模擬各種大氣環境問題，特別適用于模擬03、PM、酸雨等區域性復合型大氣污染過程[5]。但是不同的數值模式針對區域位置，預測范圍，適用條件和預報方式存在差別。因此，在構建空氣質量數值預報模式時，應根據當地的情況、基礎資料的占有量、預報精度的要求以及經濟性等指標選擇合適的模式。

2 通用的空氣質量數值預報模式及其特點

2014年3月，中國環境監測總站發布《環境空氣質量預報預警方法技術指南》，推薦環境空氣質量數值預報模式5種，主要為中國的NAQPMS模式、美國的CMAQ模式、CAMx模式和WRF-Chem模式以及法國的Polyphemus模式。

2.1 模式評價指標

在選擇空氣資料數值預報模式時，需要評價的指標有區域位置、地形地貌、氣象氣候、污染源特點以及所需的條件五個指標。

2.2 模式區域位置適用范圍

CAMx為城市到洲際尺度，以中尺度模型提供氣象場驅動。CMAQ為城市和區域，對多種尺度、各種復雜的大氣環境污染問題進行系統模擬。NAQPMS為城市到區域尺度，Polyphemus為局地小尺度到區域洲際大尺度。WRF-Chem為城市到區域尺度，常被用于研究城市復合污染特征。

2.3 模式地形地貌適用范圍

CAMx為適應任何用來為環境模型提供輸入場的氣象模型。CMAQ為最初設計的目的在于將復雜的空氣污染問題如對流層的臭氧、PM、毒化物、酸沉降及能見度等問題綜合處理。NAQPMS為模式設計了東亞地區起砂機制模型，能較好的模擬沙塵的產生和輸送過程。Polyphemus為法國開發，適用北歐。WRF-Chem為最新發展的區域大氣動力-化學耦合模式。是在NCAR開發的中尺度數值預報氣象模式（WRF）中加人大氣化學模塊集成而成。

2.4 模式氣象氣候適用范圍

CAMx最著名的特點包括：雙向嵌套及彈性嵌套、網格煙羽（PiG）模塊、臭氧源分配技術（OSAT）、顆粒物源分配技術（PSAT）等，能適應任何用來為環境模型提供輸入場的氣象模型。CMAQ為采用了“One-Atmosphere”的設計理念，能對多種尺度、各種復雜的大氣環境污染問題進行系統模擬。NAQPMS為為三維歐拉輸送模式，垂直坐標采用地形追隨坐標，垂直方向不等距分為18層；水平結構為多重嵌套網格，采用單向和雙向嵌套技術，水平分辨率一般為3～81公里。Polyphemus為運用包括高斯煙羽模型、歐拉化學傳輸模型以及格點煙羽模型等多種物理化學模型。WRF-Chem為對湍流交換、大氣輻射、積云降水、云微物理及陸面等多種物理過程均有不同的參數化方案，可以為化學模式在線提供大氣流場，模擬污染物輸送（包括平流、擴散和對流過程）、干濕沉降、氣相化學、氣溶膠形成、輻射和光分解率、生物所產生的放射、氣溶膠參數化和光解頻率等過程。

2.5 模式模擬污染源的特點

CAMx為模擬SO2、NOx、PM、NH3、VOC等物質傳輸。CMAQ為模擬過程充分考慮大氣中各種污染物之間的復雜化學反應，能夠對幾乎所有大氣污染物進行模擬。能考慮周邊環境及社會經濟活動對大氣污染源的影響。NAQPMS為可用于多尺度污染問題的研究，不但可以研究區域尺度的空氣污染問題。WRF-Chem為污染源的氣溶膠模塊考慮了34種變量（一次、二次粒子），粗粒子源充分考慮人為源、海洋源和土壤塵源。

3 鎮江市空氣質量數值預報模式的選擇

鎮江市地處我國四個明顯霾區之一的長江三角洲地區，作為一個受煤煙型污染較明顯的城市，其大氣污染已不再是受單一或少數幾個污染物的影響，而呈現出一種多元的復合型污染特征。對近幾年鎮江市塵霾污染成因分析發現，鎮江市的OC/EC大于2.2，已經產生二次衍生氣溶膠。空氣質量AQI數據監測顯示，近幾年O3作為首要污染物出現的頻率有逐年增長的趨勢。根據《指南》推薦數值模式特點，結合鎮江當地各影響因素情況，比較選擇相對適合鎮江市空氣質量預報模式。

4 結論和建議

根據《環境空氣質量預報預警方法技術指南》推薦的五種模式功能特點，與鎮江市區域大小、地形地貌、氣象條件、污染源性質、PM成分特點、實現基礎等因素進行比較，最終確定WRF-Chem模式適用于鎮江地區環境空氣質量預測預報系統的建設。

WRF-Chem模式的開發與應用需要專業技術力量支持，作為地市級環境部門，應與專業的軟件開發人員配合。目前，基于WRF-Chem模式鎮江市環境質量預測預報系統已得到開發與應用，取得了初步的工作成效，適合在底子薄、技術能力和配套設施不足、資金有限的三、四線城市中參考推廣。

參考文獻

[1] Chan C K，Yao X.Air pollution in mega cities in China[J].Atmospheric Environment，2008，42：

1352-2310.

[2] 賀克斌，楊復沫，段風魁，等.大氣顆粒物與區域復合污染[M].北京：科學出版社.2011.

[3] 薛文博，付飛，王金南，等.中國PM2.5跨區域傳輸特征數值模擬研究.中國環境科學[J].2014，34（6）.

[4] 環境保護部.大氣顆粒物來源解析技術指南[Z].2013.

[5] 薛文博，王金南，楊金田，等.國內外空氣質量模型研究進展.環境與可持續發展[J].2013，3：14-18.