空氣品質模型

空氣品質模型是基於人類對大氣物理和化學過程科學認識的基礎上，運用氣象學原理及數學方法，從水平和垂直方向在大尺度範圍內對空氣品質進行仿真模擬，再現污染物在大氣中輸送、反應、清除等過程的數學工具，是分析大氣污染時空演變規律、內在機理、成因來源、建立“污染減排”與“質量改善”間定量關係及推進我國環境規劃和管理向定量化、精細化過渡的重要技術方法。

基本介紹

• 中文名：空氣品質模型
• 外文名：air quality model
• 基本理論：梯度輸送理論、統計理論等
• 分類：城市模型、區域模型和全球模型
• 典型模型：法規化中小尺度模型等
• 作用：分析大氣污染時空演變規律等

簡介

空氣品質模型是用數學方法來模擬影響大氣污染物的擴散和反應的物理和化學過程。基於輸入的氣象數據和污染源信息如排放率，煙囪高度等，這些模型可以模擬直接排入大氣的一次污染物和由於複雜的化學反應形成的二次污染物。這些模型對空氣品質管理是非常重要的，因為他們被許多機構用來測算源分擔率，同時幫助制定有效的削減污染物排放的政策。例如空氣品質模型可以用來預測一個新的污染源會不會達標排放，如果超標的話，還可以給出適當的控制措施。此外，空氣品質模型還可以預測未來新的政策法規實施後的污染物的濃度。可以估計政策法規的有效性以及減少人類和環境暴露。

基本理論

空氣品質模型一般考慮了以下大氣過程：排放（人為和自然源排放）、輸送（水平平流和垂直對流）、擴散（水平和垂直擴散）、化學轉化（氣、液、固相化學反應）、清除機制（乾濕沉降）等。其理論研究一直是沿著湍流擴散三個理論體系發展起來的，即梯度輸送理論（K理論），統計理論和相似理論。

（1）梯度輸送理論（K理論）是在湍流半經驗理論的基礎上發展起來的。其缺陷體現在：一方面，它把無規則的湍渦看成分子熱運動，假定湍渦是流體微團，與分子輸送模型具有相同屬性，由此得到的梯度與通量之間的線性關係，實質上這只是一種假定。另一方面，近地層流場情況十分複雜，湍流輸送的性質遠非簡單的線性關係，尤其是湍流交換係數，它隨大氣湍流場的性質及空間尺度而改變，其形式難以確定。因此梯度輸送理論在小尺度預測上缺陷很突出，但它在處理大尺度污染擴散問題上具有一定優越性，能夠利用觀測的風速廓線資料，不需假定某種分布形式，即可得到污染物的濃度分布。

（2）統計理論是從湍流場的統計特徵量出發，描述流場中擴散物質的散布規律。泰勒把擴散係數和湍流脈動場的統計特徵量聯繫起來，用氣象參數來表達這些統計特徵量，找出擴散參數和氣象條件的聯繫，導出了適用於連續運動擴散過程的泰勒公式。該理論的核心是擴散粒子關於時間和空間的機率分布，通過機率分布函式描述擴散粒子濃度的空間分布和時間變化。泰勒公式是在均勻、定常的假設條件下導出，而實際大氣並不符合這種條件，只有在下墊面開闊平坦、氣流穩定的小尺度擴散處理中，才近似滿足這樣的條件。

（3）相似理論是在量綱分析基礎上發展起來的，是研究近地層大氣湍流的一種有效理論方法。其基本原理是關於拉格朗日相似性的假設，假定流場的拉格朗日性質僅決定於表征流場歐拉性質的已知參數，粒子擴散的特徵與流場的拉格朗日性質相聯繫。在上述假定下，可以把大氣擴散和風速及溫度的空間分布聯繫起來，但由於量綱分析的複雜性和不確定性，目前主要在小尺度的鉛直擴散問題中比較成功。

發展歷程

鑒於空氣品質模型在大氣污染控制中的重要地位，開發和推廣新型的空氣品質模型顯得尤為重要。自1970年到現在，USEPA或其他機構共資助開發了三代空氣品質模型：70年代到80年代，EPA推出了第一代空氣品質模型，這些模型又分為箱式模型、高斯擴散模型和拉格朗日軌跡模型，其中高斯擴散模型主要有ISC、AERMOD、ADMS等，拉格朗日模型如OZIP/EKMA、CALPUFF等；80年代到90年代的第二代空氣品質模型主要包括UAM、ROM、RADM在內的歐拉格線模型；90年代以後出現的第三代空氣品質模型是以CMAQ、CAMx、WRF－CHEM、NAQPMS為代表的綜合空氣品質模型，即“一個大氣”的模擬系統。

（1）第一代空氣品質模型主要包括了基於質量守恆定律的箱式模型、基於湍流擴散統計理論的高斯模型和拉格朗日軌跡模式。當時的模型一般以Pasquill和Gifford等研究者得出的離散不同穩定度條件下的大氣擴散參數曲線和Pasquill方法確定的擴散參數為基礎，採用簡單的、參數化的線性機制描述複雜的大氣物理過程，適用於模擬惰性污染物的長期平均濃度。高斯模式（如ISC、AERMOD、ADMS）由於其結構簡單，對輸入數據的要求不高以及計算簡便，20世紀60年代以後，在大氣環境問題中得到了最為廣泛的套用。但近年來城市及區域環境問題如細粒子、光化學煙霧等往往與污染物在大氣中的化學反應緊密相關，而第一代模型沒有或僅有簡單的化學反應模組，這使它們的套用受到了很大限制。但是這些模型結構簡單、運算速度快、長期濃度模擬的準確度高，至今仍在常規污染物模擬方面被廣泛使用。值得注意的是第一代空氣品質模型的劃分並不是非常明確，例如ADMS、AERMOD、CALPUFF模型套用了90年代以來大氣研究的最新成果，與傳統的第一代模型已有很大不同。

（2）20世紀70年代末80年代初，隨著對大氣邊界層湍流特徵的研究，研究者開展了大量室內試驗、數值試驗和現場野外觀測等工作，發現高斯模型對許多問題都無法解答，這逐漸推動了第二代空氣品質模型的發展。第二代歐拉數值空氣品質模型中加入了比較複雜的氣象模式和非線性反應機制，並將被模擬的區域分成許多三維格線單元。模型將模擬每個單元格大氣層中的化學變化過程、雲霧過程，以及位於該格線周邊的其他單元格內的大氣狀況，這包括污染源對格線區域內的影響以及所產生的乾、濕沉降作用等。這類模型在1980－1990年期間被廣泛套用。這一時期一些三維城市尺度

光化學污染模式（如CIT、UAM等模式）、區域尺度光化學模式ROM以及酸沉降模式（RADM、ADOM、STEM等模式）開始得到研究。我國第二代空氣品質模型主要有中國科學院雷孝恩基RADM模型建立的高解析度對流層化學模式HRCM，中國科學院大氣物理所等研發的區域空氣品質模式RAQM和三維時變歐拉型區域酸沉降模式RegADM等。

（3）第二代空氣品質模式在設計上僅考慮了單一的大氣污染問題，對於各污染物間的相互轉化和相互影響考慮不全面，而實際大氣中各種污染物之間存在著複雜的物理、化學反應過程。因此，20世紀90年代末美國環保局基於“一個大氣”理念，設計研發了第三代空氣品質模式系統Medels－3/CMAQ，CMAQ是一個多模組集成、多尺度格線嵌套的三維歐拉模型，突破了傳統模式針對單一物種或單相物種的模擬，考慮了實際大氣中不同物種之間的相互轉換和互相影響，開創了模式發展的新理念。當前主流的第三代空氣品質模式還包括CAMx、WRF－CHEM等。特別是美國大氣研究中心NCAR開發的WRF－CHEM模式考慮了氣象和大氣污染的雙向反饋過程，在一定程度上代表了區域大氣模式未來發展的主流方向。中國的第三代空氣品質模式以中國科學院大氣物理所自主研發的嵌套格線空氣品質預報模式NAQPMS為代表，目前已在北京、上海、深圳、鄭州等城市空氣品質實時預報業務中得以套用。

分類

無論是一代、二代或三代空氣品質模型按照尺度劃分，大致可以分為城市模型、區域模型和全球模型（如GEOS－Chem）；按機理劃分，可分為統計模型和數值模型，前者是以現有的大量數據為基礎做統計分析建立的模型，後者則是對污染物在大氣中發生的物理化學過程（如傳輸、擴散、化學反應等）進行數學抽象所建立；從流體力學的角度看，空氣品質模型又分為拉格朗日模型和歐拉模型，前者由跟隨流體移動的空氣微團來描述污染物濃度的變化，後者則相對於固定坐標系研究污染物的運動，以空間內固定的微元為研究對象；從模型研究對象來看，空氣品質模型又分為擴散模式、光化學氧化模式、酸沉降模式、氣溶膠細粒子模式和綜合性空氣品質模式。

典型空氣品質模型

空氣品質數值模式已經有數十年的發展歷史，在世界範圍內產生了數十個不同的模式，當前國際上典型的空氣品質模式主要包括ISC3、AERMOD、ADMS、CALPUFF等法規化中小尺度模型，NAQPMS、CAMX、WRF－CHEM、CMAQ等綜合型區域尺度模型和GEOS－CHEM等全球尺度空氣品質模型。

法規化中小尺度模型

ISC3、AREMOD、ADMS、CALPUFF均屬於第一代空氣品質模型，是最典型的法規化中小尺度模型。按照模型法規化進程劃分，ISC3屬於第一代法規性模型，而AREMOD、ADMS、CALPUFF為第二代法規性模型。四個模型的優點均在於結構簡單、計算速度快、基礎數據要求低等。其簡單易用的優點奠定了其成為法規化模型的基礎。不足之處體現在適用尺度相對較小、沒有化學過程或化學過程較為簡化，基本理論假設過於理想，不能很好的模擬O₃、PM2.5、酸雨等區域性複合型大氣污染過程。從實踐套用來看，ADMS、AREMOD、CALPUFF模型多用於環境影響評價和城市尺度一次污染物的模擬，尤其是在國內外環境影響評價領域發揮了主力軍作用，已被多個國家定為法規化模型。國家環保部發布的《環境影響評價技術導則大氣環境》（HJ2.2－2008）奠定了ADMS、AERMOD、CALPUFF三個模型的在我國環境影響評價領域的法規地位。

1、ISC3模型

ISC3（Industrial Source Complex 3）模式屬於第一代法規模式，是美國環保局開發的一個複合工業源空氣品質擴散模式，其公式利用穩態封閉型高斯擴散方程。ISC3模式的適用範圍一般小於50km，模擬物質一般為一次污染物。

模式可處理各種煙氣抬升和擴散過程，如靜風、風廓線指數、煙囪頂端尾流、城市建築下洗、污染物轉化、沉積和沉降等。可對點源、面源、線源、體源等多種污染源進行模擬；可輸出多種污染物濃度以及顆粒物的沉積和乾、濕沉降量等計算結果；污染物可選取SO2、TSP、PM10、NOx等；可選擇逐時、數小時、日、月及年等多種平均模擬時段。

ISC3與AERMOD、ADMS對比，它的最大的優勢是其操作簡單，ISC3需要的輸入數據相對較少，而且可以利用NWS（美國國家氣象局）航空數據。當污染物質為惰性物質，氣象條件單一時，除污染源排放參數以外，ISC3要求氣象數據為風向、風向角、大氣穩定度、混合層高度、接受點地形高度、建築物的維度。

ISC3的主要劣勢是大氣邊界層結構知識已經發展進步到新的階段，而模型對湍流擴散過程的模擬並沒有跟上時代發展。ISC3的局限性如下：（1）沒有考慮建築物對周圍點源擴散的影響；（2）沒有考慮流線反射對煙羽軌跡的影響；（3）沒有考慮煙羽抬升過程中尾流速度缺失的影響；（4）沒有解決近處尾流截獲遠處尾流中物質的問題；（5）兩個下洗方程的接口不連續；（6）沒有考慮低矮建築物對周圍風向影響；（7）小風穩定條件下，污染濃度估計過大。

2、AERMOD模型

AERMOD由美國國家環保局聯合美國氣象學會組建的法規模式改善委員會開發。其目標是開發一個能完全替代ISC3的法規模型，新模型將採用ISC3的輸入與輸出結構、套用最新的擴散理論和計算機技術。

20世紀90年代中後期，法規模式改善委員會在ISC3模型框架的基礎上成功開發出AERMOD擴散模型，AERMOD系統包括AERMET氣象、AREMAP地形、AERMOD擴散三個模組，適用範圍一般小於50km。該系統以高斯統計擴散理論為出發點，假設污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。可用於鄉村環境和城市環境、平坦地形和複雜地形、低矮面源和高架點源等多種排放擴散情形的模擬和預測。

AERMOD是一種穩態煙羽模型。在穩定邊界層（SBL），將垂直和水平方向的濃度分布看作高斯分布。在對流邊界層（CBL），將水平分布也看作是高斯分布，但是垂直分布考慮用機率密度函式來描述。另外，在對流邊界層中，AERMOD考慮“煙羽抬舉”（plumelofting）現象：從浮力源出來的部分煙羽物質，先是升到邊界層頂部附近並在那裡停留一段時間，然後混合入對流邊界層內部中。AERMOD計算穿透進入穩定層的部分煙羽，允許它在某些情況下重新返回邊界層內。無論在穩定邊界層還是在對流邊界層中，AERMOD均考慮了彎曲煙羽導致的水平擴散加強現象。

AERMOD具有以下特點：（1）以行星邊界層（PBL）湍流結構及理論為基礎。按空氣湍流結構和尺度概念，湍流擴散由參數化方程給出，穩定度用連續參數表示；（2）中等浮力通量對流條件採用非正態的PDF模式；（3）考慮了對流條件下浮力煙羽和混合層頂的相互作用；（4）對簡單地形和複雜地形進行了一體化的處理；（5）可以計算城市邊界層，建築物下洗，以及乾、濕沉降等清除過程。

3、ADMS模型

ADMS模型是由英國劍橋環境研究中（CERC）開發的一套先進的三維高斯型大氣擴散模型，屬新一代大氣擴散模型，適用範圍一般小於50km。ADMS可模擬點源、面源、線源和體源排放出的污染物在短期（小時平均、日平均）和長期（年平均）的濃度分布，還包括一個街道窄谷模型，適用於簡單和複雜地形，同時也可考慮建築物下洗、濕沉降、重力沉降和乾沉降以及化學反應等功能。ADMS模型耦合了大氣邊界層研究的最新進展，利用常規氣象要素來定義邊界層結構。

ADMS模型與其它大氣擴散模型的一個顯著區別是：使用了最小莫寧－奧布霍夫（Monin－Obukhov）長度和邊界結構的最新理論，精確定義邊界層特徵參數；另外ADMS模型在不穩定條件下摒棄了高斯模式體系，採用高斯機率密度函式（PDF）及小風對流模式。

ADMS利用莫寧－奧布霍夫（Monin－Obukhov）長度表示大氣穩定程度，定義用Lo表示。在白天，由於地表受熱，大氣處於不穩定狀態，這時Lo是負值；而在夜間，由於地表輻射冷卻，大氣處於穩定狀態，這時Lo是正值。如果Lo絕對值接近於零，表明大氣非常不穩定（負值時）或非常穩定（正值時）。在城市區域由於地表障礙物（如建築物）產生的機械擾動會使得邊界層趨向中性。因此，在城市區域的穩定時間段（夜間），估算的莫寧長度值可能比實際情況要偏小，即偏向穩定。為了解決這個問題，在模式中穩定時間段里設定一個最小的Lo值。最小Lo值根據障礙物高度對區域流場影響的大小確定。

4、CALPUFF模型

CALPUFF是三維非穩態拉格朗日擴散模式系統，與傳統的穩態高斯擴散模式相比，它能更好的處理長距離污染物傳輸（50km以上的距離範圍）。它由西格瑪研究公司（Sigma Research Corporation）開發，是USEPA長期支持開發的首選法規化模型。

CALPUFF模型系統包括三部分：CALMET、CALPUFF、CALPOST，以及一系列對常規氣象、地理數據進行預處理的程式。CALMET氣象模型用於在三維格線模型區域上生成小時風場和溫度場。CALPUFF非穩態三維拉格朗日煙團輸送模型利用CALMET生成的風場和溫度場檔案，輸送污染源排放的污染物煙團，模擬擴散和轉化過程。CALPOST通過處理CALPUFF輸出檔案，生成所需濃度檔案用於後處理及可視化。

CALPUFF具有以下自身的優勢和特點：（1）能用於模擬從幾十到幾百公里中等尺度的環境問題；（2）能模擬一些非穩態的情況（靜小風、熏煙、環流、地形和海岸效應）；（3）氣象模型包括了陸上和水上邊界層模型，可以利用MM5或WRF中尺度氣象模式輸出的格線風場作為觀測數據，或者作為初始猜測風場；（4）採用地形動力學、坡面流參數方法對初始猜測風場進行分析，適合於粗糙、複雜地形條件下的模擬；（5）加入了處理針對面源浮力抬升和擴散的功能模組。

綜合型區域尺度模型

事實上大氣污染過程異常複雜，各種污染物之間存在極為複雜的物理、化學反應及氣固兩相轉化過程。儘管我國已確定了部分法規化模型，但這些過於簡單的空氣品質模型很難再現真實的大氣污染過程。由於科學研究與環境決策的目的在於追求大氣模擬的真實性、內生原理性和污染過程的系統性，因此在科學研究與環境決策領域較少使用ADMS、AREMOD、CALPUFF等已有法規化模型，套用最多的均為第三代綜合性空氣品質模型，如：NAQPMS、CAMx、WRF－CHEM及CMAQ等。這些模型均具有以下共同優點：（1）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）基於嵌套格線設計，可用於模擬局地、區域等多種尺度的大氣環境問題；（3）基於“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，特別適用於模擬O3、PM2.5、酸雨等區域性複合型大氣污染過程。存在的不足是：（1）對氣象、污染源等基礎數據要求過於苛刻。尤其是對排放清單中的污染物排放量要求具體到每一個化學物種、每一個格線及每小時。由於排放清單的複雜性，排放清單編制已成為一個新的研究領域；（2）功能靈活多樣，但可操作性降低。為增加模型開發及套用的靈活性，第三代模型均無可視化操作界面，採用模組化集成設計方式，使用者必須熟悉模型的架構、基本物理化學原理及模型程式代碼；（3）計算機專業知識要求大幅度提高。第三代空氣品質模型計算量極大，多運行在基於LINUX作業系統的高性能集群計算機平台，需較高硬體資源及專門人員負責平台的日常管理和維護；（4）海量輸入輸出數據需要分析及可視化。第三代空氣品質模型輸入輸出數據少則數百G，多則數千G，海量數據的管理、分析及可視化大幅增加了工作成本。

1、NAQPMS模型

嵌套格線空氣品質預報系統（NAQPMS）由中國科學院大氣物理研究所自主開發研製。該模式系統經歷了近20年的發展，通過集成自主開發的一系列城市、區域尺度空氣品質模式發展而成。NAQPMS為三維歐拉輸送模式，垂直坐標採用地形追隨坐標，垂直方向不等距分為18層；水平結構為多重嵌套格線，採用單向和雙向嵌套技術，水平解析度一般為3－81公里。NAQPMS由四個子系統組成，分別為基礎數據系統、中尺度天氣預報系統、空氣污染預報系統和預報結果分析系統。

NAQPMS可用於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（如臭氧、細顆粒物、酸雨、沙塵等污染物的跨界跨國輸送等），還可以研究城市尺度空氣污染的發生機理及其變化規律，以及不同尺度之間的相互影響過程。NAQPMS模式目前主要套用於空氣品質預報領域，已在北京、上海、深圳、鄭州等城市的空氣品質預報業務中得到大量套用。

2、WRF－CHEM模型

WRF－Chem模式是美國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）中加入大氣化學模組集成而成。中尺度數值預報模式（WRF）是一個完全可壓非靜力模式，對湍流交換、大氣輻射、積雲降水、雲微物理及陸面等多種物理過程均有不同的參數化方案，可以為化學模式線上提供大氣流場，模擬污染物輸送（包括平流、擴散和對流過程）、乾濕沉降、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。WRF－CHEM的最大優點是氣象模式與化學傳輸模式在時間和空間解析度上完全耦合，實現真正的線上反饋。該模式尚在我國尚處於探索研究階段，套用案例相對較少。

3、CAMx模型

CAMx模式是美國ENVIRON公司在UAM－V模式基礎上開發的綜合空氣品質模式，它將“科學級”的空氣品質模型所需要的所有技術特徵合成為單一系統，可用來對氣態和顆粒物態的大氣污染物在城市和區域的多種尺度上進行綜合性評估。CAMx除具有第三代空氣品質模型的典型特徵之外，CAMx最著名的特點包括：雙向嵌套及彈性嵌套、格線煙羽（PiG）模組、臭氧源分配技術（OSAT）、顆粒物源分配技術（PSAT）等。

CAMx可以在三種笛卡兒地圖投影體系中進行模擬：通用的橫截墨卡托圓柱投影（Universal Transverse Mercator）、旋轉的極地立體投影（Rotated Polar Stereographic）和蘭伯特圓錐正形投影（Lambert Conic Conformal）。CAMx也提供在彎曲的線性測量經緯度格線體系中運算的選項。此外，垂直分層結構是從外部定義的，所以各層高度可以定義為任意的空間或時間的函式。這種在定義水平和垂直格線結構方面的靈活性，使CAMx能適應任何用來為環境模型提供輸入場的氣象模型。

4、Models－3/CMAQ模型

CMAQ模型是我國套用最廣泛、最為成熟的第三代空氣品質模型，由USEPA於1998年第一次正式發布。CMAQ最初設計的目的在於將複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，為此Models－3/CMAQ模式最大的特色即採用了“One－Atmosphere”的設計理念，能對多種尺度、各種複雜的大氣環境污染問題進行系統模擬，CMAQ模型目前已成為美國EPA套用於環境規劃、管理及決策的準法規化模型。該模型的特點在於：（1）可以同時模擬多種大氣污染物，包括臭氧、PM、酸沉降以及能見度等各種環境污染問題在不同空間尺度範圍內的行為；（2）充分利用了最新的計算機硬體和軟體技術，如高性能計算、模組化設計、可視化技術等，使空氣品質模擬技術更高效、更精確，且套用領域趨於多元化。

Models－3/CMAQ系統由排放清單處理模型（SMOKE）、中尺度氣象模型（mm5模型或WRF模型等）和通用多尺度空氣品質模型（CMAQ）三部分組成，其中CMAQ是整個系統的核心。CMAQ模型主要由邊界條件模組BCON、初始條件模組ICON、光解速率模組JPROC、氣象－化學預處理模組MCIP和化學輸送模組CCTM構成。CMAQ模型的關鍵部分是化學輸送模組CCTM，污染物在大氣中的擴散和輸送過程、氣相化學過程、氣溶膠化學過程、液相化學過程、雲化學過程以及動力學過程都由該模組模擬完成。其它模組的主要功能主要是為CCTM提供輸入數據和相關參數。CCTM模組提供了多種氣相化學機制和氣溶膠化學機制供使用者選擇，輸出結果包括各種氣態污染物和氣溶膠組分在內的污染物逐時濃度，以及逐時的能見度和乾濕沉降。CMAQ模式需要MM5或WRF氣象模式提供模擬所需的氣象資料。最新發布的CMAQ5.0版本已實現氣象模式與化學傳輸模式線上耦合，吸收了WRF－CHEM模型優點。2.3

全球性大尺度模型

比較著名的全球尺度空氣品質模式包括MOZART和GEOS－CHEM等模型，其主要用於模擬全球尺度大氣污染物的長距離傳輸及化學反應過程，此外全球尺度空氣品質模型還可以與衛星遙感資料結合反演近地面空氣污染物濃度，如AaronvanDonkelaar等基於衛星觀測的氣溶膠光學厚度和GEOS－CHEM模型成功反演了2001－2006年全球PM2.5濃度，首次揭示了全球PM2.5濃度的空間分布特徵。除全球性空氣品質模型外，全球性氣候模型及氣候與空氣品質雙向耦合模型近幾年也有了迅速發展。

存在的問題

1、不能準確把握模型的適用條件，盲目使用模型

開展空氣品質模擬工作首先應選取合適的空氣品質模型，空氣品質模型的選取應結合研究問題的特點、模擬的時空尺度、數據可獲性、技術複雜性、軟硬體平台要求等多種因素，不是所有研究問題都要選擇最先進的空氣品質模型。先進的空氣品質模型一般對基礎數據、硬體平台、專業門檻等要求非常苛刻，工作成本相對普通空氣品質模型會增加數倍。因此選擇合適的空氣品質模型是以最小成本實現研究目標的關鍵。從空氣品質模型套用實踐來看，使用者常難以準確把握模型的適用條件，或將簡單問題複雜化，或將複雜問題簡單化，以至於得出不符合客觀事實的決策結論。

2、空氣品質模型愈來愈複雜，專業門檻不斷提高

第三代空氣品質模型系統一般都有三個基本模組：氣象過程模擬模組（mm5、WRF等中尺度氣象模型）、污染源排放清單模組（SMOKE等排放清單模型）、空氣品質模組（CMAQ等模型），因此開展一次空氣品質模擬工作必須依次完成氣象場模擬、排放清單編制及空氣品質模擬三個步驟。而mm5、WRF等中尺度氣象學模型，SMOKE等排放清單模型，CMAQ等空氣品質模型均較複雜，各種模型都以原始碼形式發布，需在LINUX高性能集群計算機平台編譯、運行。空氣品質模型模擬技術跨越了環境、物理、化學、數學及計算機等多個學科，因此建設一個好的空氣品質模擬平台需要多學科專業人員協作完成。除空氣品質模擬系統本身的複雜性之外，空氣品質模型對氣象資料、排放清單等基礎輸入數據的內容及格式要求也非常苛刻，模型輸出的海量數據同樣需花費較大人力進行維護、管理、分析及可視化。第三代空氣品質模型的“科學性”與“易用性”之間的矛盾非常突出，已嚴重影響到其推廣及套用，這也成為建立新一代法規化空氣品質模型的難點。

3、排放清單多樣化，導致模擬結果無可比性

排放清單的準確性是影響空氣品質模型模擬結果的最重要因素。我國污染源排放數據一直數出多門，官方掌握的污染源普查、環境統計、總量減排核查、排污申報及收費等數據僅限於環保系統內部使用，詳細數據未向社會公開。為此，國內外科研院所紛紛展開了對中國排放清單的估算及研究工作，排放清單呈現“多樣化，各自為戰”的研究局面，其中空間尺度最大、涵蓋物種最多、套用最廣的排放清單為清華大學參與編制的MEIC（2010年）、INTEX－B（2006年）、TRACE－P（2000年）排放清單。在這種格局下，我國逐步形成了“官方數據”與“科研數據”兩套相對獨立的排放清單體系。除官方數據外，不同研究單位建立排放清單的方法學差異同樣較大，相互之間無法對比。排放數據來源的多樣化直接導致模型模擬結果缺乏可比性，針對同一個問題採用不同的排放清單數據或採用相同的排放清單數據採取不同的技術處理規則，模型模擬結果差異可能非常大。因此，當前我國空氣品質模型研究工作大多就事論事，不同研究工作，不同時空範圍的研究成果很難相互印證、對照。

4、空氣品質觀測手段單一、觀測指標少，關鍵性參數難以率定

儘管空氣品質模型是基於科學理論及大量野外觀測的基礎之上開發而成，但開展空氣品質模擬工作的一個重要環節即利用實際觀測數據對空氣品質模型模擬結果進行驗證，將模型中的一些關鍵參數本地化，使空氣品質模型能夠真實的反映所研究區域的大氣污染過程。我國城市空氣品質常規監測主要以近地面觀測為主，觀測點位多集中在城市中心，且點位密度小，高空探測、衛星遙測等先進的觀測手段套用較少，難以獲得高時空解析度的空氣品質觀測數據。此外，常規空氣品質監測指標僅限於SO2、PM10、NO2三項污染物，對VOCs、O3、PM2.5等涉及大氣化學反應過程的關鍵性指標尚未大範圍開展監測。因此，對於複合型大氣污染過程進行模擬，現有觀測數據較難對模型中的關鍵性參數進行有效率定。

相關建議

1、建立適用於環境規劃與決策的法規化模型

從國外空氣品質管理的模式來看，大致經歷了“排放標準控制—總量控制—質量控制”三個階段，而污染物總量控制是我國目前大氣污染防治最主要的手段之一。在總量控制管理實踐中，建立“總量減排”與“質量改善”之間的關係，評估總量減排的環境效果，制定環境效果最大化的污染減排策略已成為決策者無法迴避的科學問題。此外，隨著大氣污染問題的複雜化，我國環境管理模式必然由“總量控制模式”逐步向“質量控制模式”轉變，基於質量改善目標制定污染減排策略將成為一個決策難題。而空氣品質模型恰好能用於建立“污染減排”與“質量改善”之間的定量化關係，解決上述環境管理中所面臨的科學難題，因此建立適用於環境規劃、管理及決策的法規化模型是提高大氣環境管理與決策水平的必然要求。雖然目前我國已將ADMS、AERMOD、CALPUFF三個模型作為環境影響評價領域的行業性法規化模型，但由於第一代空氣品質模型自身設計的局限，無法用於模擬區域性複合型大氣污染過程。因此，以CMAQ為代表的第三代空氣品質模型應作為我國建立適用於環境規劃、管理及決策法規化模型的首選對象。

2、法規化模型建設的核心在於制定空氣品質模型使用規範

我國不同地區的空氣污染問題及擁有的軟硬體技術條件差異較大，一刀切的制定法規化模型將難以推廣套用。因此，建立法規化模型的目的不是強制要求模型套用的單一化，核心在於制定空氣品質模型使用的技術規範。模型使用技術規範指在綜合考慮不同環境問題、研究尺度、數據可得性、技術難度等因素基礎上，建立一套模型選取、方案設定、參數率定、結果驗證及結果分析的技術方法和基本流程，針對不同的環境問題推薦出可選的模型系列，以此規範模型的使用規則。從模型適用性來看，每一個空氣品質模型都有其優缺點，適用性各有差異，在實際套用中只有最合適的模型沒有最好的模型。比如：模擬一次污染物擴散及簡易的軌跡可採用第一代空氣品質模型，推薦的模式主要包括：ADMS、AERMOD及CALPUFF；模擬大氣中各污染物間複雜的反應行為及氣固相間的轉化作用，應採用第三代空氣品質模式，推薦的模式主要包括：CMAQ、CAMx、NAQPMS、WRF－CHEM等。

3、排放清單編制技術的標準化是建立第三代法規化模型的前提

空氣品質模型的法規化不僅僅是模型工具及其技術方法的法規化，排放清單作為空氣品質模型最重要的輸入數據，將直接影響空氣品質模型的模擬結果。因此，空氣品質模型法規化的前提是排放清單編制技術的標準化。我國應借鑑歐美等國家國家排放清單的編制經驗，改進污染源排放的監測及統計方法，增加日常監測的污染物指標，從監測技術、統計方法、質量控制等多方面提升我國環境統計水平，環境統計應與國際排放清單編制的技術規範逐步接軌。同時應開展重點行業大氣污染物的化學成份譜監測，基於污染物化學成份譜建立涵蓋多種化學物種（特別是VOCs、PM的關鍵組份）、能適用於第三代空氣品質模型模擬的國家排放清單及其方法學體系。

4、建立國家環境基礎信息資料庫系統，夯實法規模型的套用基礎

數據是所有模型的基礎。空氣品質模型所需基礎數據涉及地形高程、土地利用、氣象觀測資料、空氣品質監測數據及污染源排放數據等大量環境基礎信息數據，但這些數據掌握在不同管理部門，目前我國尚未建立起國家級的環境基礎資料庫，基礎信息缺乏互通、共享機制。因此，我國應儘快建立國家級的環境基礎信息資料庫，對各種數據進行集約化管理，加大對數據歸類、分析、處理、融合及二次挖掘的投入，保障數據來源的暢通及規範。此外應將數據信息通過網際網路對外共享，以開放、交流的模式與國內外科研機構加大合作，接受第三方監督、質疑，通過信息公開和大量實踐套用提高數據質量。

5、在法規化模型的基礎之上推進空氣品質模型的工程化建設

大氣環境管理及決策貫穿於“經濟發展—能源消費—污染物排放控制—環境效應—健康效益”等多個環節。所謂工程模型既是將經濟預測模型、能源消費模型、排放清單模型、空氣品質模型及健康效益模型等工具高度集成，發揮綜合性決策功能，國際上知名的工程化模型有IIASA開發的GAINS、RAINS等模型。此外僅從空氣品質模型自身來看，空氣品質模擬系統至少涉及排放清單、氣象模擬及空氣品質模擬三個模組，建立工程化空氣品質模型同樣是將排放清單、氣象模擬及空氣品質模擬三者進行高度集成，使空氣品質管理及決策過程簡單化、快速化、標準化。