幾種大氣預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)結(jié)果比較分析

劉 楓，江雅麗，趙可卉

(輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所，北京 100089)

1 引言

2008年12月31日，中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部發(fā)布了HJ2.2-2008《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》［1］(以下簡(jiǎn)稱“大氣導(dǎo)則”)，推薦了一種估算模式和3種進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式，分別為估算模式、AERMOD模式系統(tǒng)、ADMS模式系統(tǒng)、CALPUFF模式系統(tǒng)，為建設(shè)項(xiàng)目及規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)大氣環(huán)境影響預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)工作提供技術(shù)支持。不同的預(yù)測(cè)模式，其內(nèi)核及適用條件各有不同，預(yù)測(cè)結(jié)果也會(huì)有所不同。一般工業(yè)類環(huán)評(píng)項(xiàng)目常見(jiàn)的大氣排放源形式包括點(diǎn)源和面源，根據(jù)大氣導(dǎo)則確定的預(yù)測(cè)范圍通常小于50km，常用的進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式為AERMOD模式系統(tǒng)和ADMS模式系統(tǒng)。多數(shù)環(huán)評(píng)單位只使用大氣導(dǎo)則中推薦的某一種進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式開(kāi)展相關(guān)環(huán)評(píng)工作，對(duì)預(yù)測(cè)模式的選用及不同預(yù)測(cè)模式之間預(yù)測(cè)結(jié)果的差別有待更加系統(tǒng)的了解。此外，地形條件可能會(huì)對(duì)大氣預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生較顯著的影響。因此，本文選用估算模式(Screen3System)、AERMOD模式系統(tǒng) (EIAProA)、ADMS模式系統(tǒng) (ADMS4，即 ADMS-Industrial)，在大氣導(dǎo)則所定義的簡(jiǎn)單地形和復(fù)雜地形兩種條件下，結(jié)合一般工業(yè)類環(huán)評(píng)項(xiàng)目中常見(jiàn)的點(diǎn)源、面源案例，對(duì)不同預(yù)測(cè)模式的大氣預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出相應(yīng)的規(guī)律，對(duì)環(huán)評(píng)工作中進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式的選用具有一定的參考借鑒意義。

2 模型原理及適用性分析

AERMOD模型適用于定場(chǎng)的煙羽模式，ADMS模型適用于三維高斯模式，CALPUFF模型適用于多層、多種非定場(chǎng)煙團(tuán)擴(kuò)散模式。CALPUFF模式系統(tǒng)因適用范圍與其他進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式存在一定差異，因此不參與模式間的實(shí)例比較［2］。

大氣導(dǎo)則進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式具有下述特點(diǎn)［2～4］:(1)按空氣湍流結(jié)構(gòu)和尺度概念，湍流擴(kuò)散由參數(shù)化方程給出，穩(wěn)定度用連續(xù)參數(shù)表示;(2)中等浮力通量對(duì)流條件采用非正態(tài)的PDF模式;(3)考慮了對(duì)流條件下浮力煙羽和混合層頂?shù)南嗷プ饔?(4)具有計(jì)算建筑物下洗功能。

AERMOD模式是一個(gè)穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模式，可基于大氣邊界層數(shù)據(jù)特征模擬點(diǎn)源、面源、體源等排放出的污染物在短期 (小時(shí)平均、日平均)、長(zhǎng)期 (年平均)的濃度分布，適用于農(nóng)村或城市地區(qū)、簡(jiǎn)單或復(fù)雜地形［1］。EIAProA為大氣環(huán)評(píng)專業(yè)輔助系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，以2008年版中國(guó)大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)導(dǎo)則的要求為編制依據(jù)，采用AERMOD2009版為模型內(nèi)核，兼容東半球地理和氣象數(shù)據(jù)，提供符合中國(guó)用戶習(xí)慣的輸入輸出界面。

ADMS模式可模擬點(diǎn)源、面源、線源和體源等排放出的污染物在短期 (小時(shí)平均、日平均)、長(zhǎng)期 (年平均)的濃度分布，適用于農(nóng)村或城市地區(qū)、簡(jiǎn)單或復(fù)雜地形［1］。 ADMS-Industrial(ADMS4)大氣污染模型是為計(jì)算詳細(xì)的一個(gè)或多個(gè)工業(yè)污染源的空氣質(zhì)量影響而設(shè)計(jì)的，是三維高斯模型，以高斯分布公式為主計(jì)算污染濃度，但在非穩(wěn)定條件下的垂直擴(kuò)散使用了傾斜式的高斯模型。

根據(jù)丁峰等［5］對(duì)AERMOD模式系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中實(shí)例驗(yàn)證的研究結(jié)果，楊洪斌等［6］對(duì)AERMOD模式系統(tǒng)在沈陽(yáng)市的應(yīng)用和驗(yàn)證的研究結(jié)果，以及盛湘渝等［7，8］對(duì)ADMS模式系統(tǒng)在倫敦的應(yīng)用和驗(yàn)證的研究結(jié)果，AERMOD和ADMS模式系統(tǒng)對(duì)于研究區(qū)域污染擴(kuò)散模擬也具有較好的實(shí)用性和可信度。

3 簡(jiǎn)單地形條件下幾種模式比較分析

3.1 建設(shè)項(xiàng)目大氣排放源概況

建設(shè)項(xiàng)目廠址位于 33.49326°N、119.84213°E，地處平原農(nóng)村地區(qū)。主要大氣排放源為一個(gè)點(diǎn)源排氣筒的有組織排放，預(yù)測(cè)因子為二氧化硫 (SO2);以及一個(gè)面源的無(wú)組織排放，預(yù)測(cè)因子為顆粒物(TSP)。排放源參數(shù)清單見(jiàn)表1。

表1 建設(shè)項(xiàng)目大氣排放源參數(shù)清單Tab.1 Atmospheric pollution source data list of construction project

3.2 進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)范圍及網(wǎng)格點(diǎn)劃分

預(yù)測(cè)范圍:分別以建設(shè)項(xiàng)目點(diǎn)源和面源為中心、邊長(zhǎng)6km的矩形范圍。

網(wǎng)格點(diǎn)劃分:以大氣排放源中心為 (0km，0km)坐標(biāo)點(diǎn)，在預(yù)測(cè)范圍網(wǎng)格區(qū)域內(nèi)，距大氣排放源中心1km之內(nèi)以50m為網(wǎng)格間距，1km之外以200m為網(wǎng)格間距，網(wǎng)格點(diǎn)總數(shù)為61×61個(gè)。

3.3 計(jì)算點(diǎn)及預(yù)測(cè)內(nèi)容

計(jì)算點(diǎn):預(yù)測(cè)范圍內(nèi)最大地面濃度點(diǎn)。

預(yù)測(cè)內(nèi)容:正常工況下最大地面小時(shí)濃度。

3.4 進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)氣象條件

常規(guī)地面氣象觀測(cè)資料:采用建設(shè)項(xiàng)目區(qū)域常規(guī)地面氣象站2011年逐時(shí)觀測(cè)資料。

常規(guī)高空氣象探測(cè)資料:采用中尺度模擬的建設(shè)項(xiàng)目區(qū)2011年每日08時(shí)、20時(shí)2次的高空氣象探測(cè)資料，模擬網(wǎng)格點(diǎn)編號(hào)155075，模擬網(wǎng)格中心點(diǎn)33.42330°N、119.87300°E。

3.5 預(yù)測(cè)地形條件

建設(shè)項(xiàng)目大氣預(yù)測(cè)范圍內(nèi)下墊面總體平坦，如圖1所示，地面高程主要集中在－3m～4m。

圖1 簡(jiǎn)單地形條件下大氣預(yù)測(cè)范圍內(nèi)地形示意圖 (m)Fig.1 Terrain sketch map in the area of atmospheric prediction under the condition of simple terrain scale

3.6 進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式中的相關(guān)參數(shù)

(1)AERMOD模式系統(tǒng) (EIAProA)

AERMET通用地表類型選取草地，AERMET通用地表濕度各季均選取潮濕氣候，相應(yīng)的正午反照率、BOWEN、粗糙度等特征參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 正午反照率、BOWEN、粗糙度特征參數(shù)表Tab.2 Characteristic parameter list of Noon albedo，BOWEN and roughness

(2)ADMS模式系統(tǒng) (ADMS4，即ADMS-Industrial)

地表參數(shù)按模式中的“公園、開(kāi)放郊區(qū)”計(jì)，地表粗糙度選0.5m。

3.7 不同大氣預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)結(jié)果

經(jīng)估算模式 (Screen3System)、AERMOD模式系統(tǒng) (EIAProA)、ADMS模式系統(tǒng) (ADMS4，即ADMS-Industrial)預(yù)測(cè)，建設(shè)項(xiàng)目新增大氣排放源最大地面小時(shí)濃度貢獻(xiàn)值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，對(duì)應(yīng)的進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式最大地面小時(shí)濃度等值線分布見(jiàn)圖2。

表3 簡(jiǎn)單地形條件下不同大氣預(yù)測(cè)模式最大地面小時(shí)濃度預(yù)測(cè)比較結(jié)果Tab.3 Relative prediction results of maximum ground concentration among different atmospheric prediction model under the condition of simple terrain

圖2 簡(jiǎn)單地形條件下進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式最大小時(shí)濃度等值線分布比較 (刻度單位:m;等值線單位:mg/m3)Fig.2 The isoline distribution comparison of maximum ground concentration among different prediction model under the condition of simple terrain(scale unit:m;isoline unit:mg/m3)

4 復(fù)雜地形條件下幾種模式比較分析

4.1 建設(shè)項(xiàng)目大氣排放源概況

建設(shè)項(xiàng)目廠址位于24°4'N，110°48'E，地處山地農(nóng)村地區(qū)。主要大氣排放源及其相關(guān)參數(shù)取與簡(jiǎn)單地形條件下1.1節(jié)相同。

4.2 進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)范圍及網(wǎng)格點(diǎn)劃分

取與簡(jiǎn)單地形條件下1.2節(jié)相同。

4.3 計(jì)算點(diǎn)及預(yù)測(cè)內(nèi)容

取與簡(jiǎn)單地形條件下1.3節(jié)相同。

4.4 進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)氣象條件

取與簡(jiǎn)單地形條件下1.4節(jié)相同。

4.5 預(yù)測(cè)地形條件

建設(shè)項(xiàng)目大氣預(yù)測(cè)范圍內(nèi)下墊面起伏較大，如圖3所示，地面高程主要集中在40.087m～392.541m。

圖3 復(fù)雜地形條件下建設(shè)項(xiàng)目大氣預(yù)測(cè)范圍內(nèi)地形示意圖 (刻度單位:m)Fig.3 Terrain sketch map in the area of atmospheric prediction under the condition of complex terrain

圖4 復(fù)雜地形條件下進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式最大小時(shí)濃度等值線分布比較 (刻度單位:m;等值線單位:mg/m3)Fig.4 The isoline distribution comparison of maximum ground concentration among different prediction model under the condition of complex terrain

表4 復(fù)雜地形條件下不同大氣預(yù)測(cè)模式最大地面小時(shí)預(yù)測(cè)比較結(jié)果Tab.4 Relative prediction results of maximum ground concentration among different atmospheric prediction model under the condition of complex terrain

4.6 進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式中的相關(guān)參數(shù)

取與簡(jiǎn)單地形條件下1.6節(jié)相同。

4.7 不同大氣預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)結(jié)果

經(jīng)AERMOD模式系統(tǒng) (EIAProA)、ADMS模式系統(tǒng) (ADMS4，即 ADMS-Industrial)預(yù)測(cè)，建設(shè)項(xiàng)目新增大氣排放源最大地面小時(shí)濃度貢獻(xiàn)值統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4，對(duì)應(yīng)的進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式最大地面小時(shí)濃度等值線分布見(jiàn)圖4。

5 預(yù)測(cè)結(jié)果比較分析

由表3可知，簡(jiǎn)單地形條件下，點(diǎn)源和面源估算模式最大小時(shí)濃度預(yù)測(cè)結(jié)果均大于進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)結(jié)果。

根據(jù)大氣導(dǎo)則，估算模式嵌入了多種預(yù)設(shè)的氣象組合條件，包括一些最不利的氣象條件，此類氣象條件在某個(gè)地區(qū)有可能發(fā)生，也有可能不發(fā)生，經(jīng)估算模式計(jì)算出的最大地面濃度大于進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式的計(jì)算結(jié)果。

由表3和表4可知，各種地形條件下，AERMOD模式面源預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)小于ADMS模式;簡(jiǎn)單地形條件下，AERMOD模式點(diǎn)源預(yù)測(cè)結(jié)果略小于ADMS模式;復(fù)雜地形條件下，AERMOD模式點(diǎn)源預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于ADMS模式。

由圖2和圖4可知，ADMS模式預(yù)測(cè)結(jié)果最大值和一個(gè)極大值出現(xiàn)在預(yù)測(cè)范圍中心附近，濃度值從中心向外逐漸減小;AERMOD模式預(yù)測(cè)結(jié)果一般會(huì)出現(xiàn)多處極大值，濃度值以這些極大值為中心分別向外逐漸減小，點(diǎn)源最大值出現(xiàn)在距預(yù)測(cè)范圍中心較遠(yuǎn)處，面源最大值出現(xiàn)在預(yù)測(cè)范圍中心附近，高濃度預(yù)測(cè)結(jié)果主要集中分布在地形較高處。

AERMOD模式是一個(gè)穩(wěn)態(tài)煙羽擴(kuò)散模式，使用它來(lái)對(duì)一般工業(yè)源預(yù)測(cè)，可以認(rèn)為煙氣排放后落地較緩，煙氣受預(yù)測(cè)范圍內(nèi)的地形影響顯著。ADMS模式是一個(gè)三維高斯模型，使用它來(lái)對(duì)一般工業(yè)源預(yù)測(cè)，可以認(rèn)為煙氣排放后相對(duì)迅速落地，煙氣受預(yù)測(cè)范圍內(nèi)的地形影響較小。

6 結(jié)論

6.1 簡(jiǎn)單地形條件下，點(diǎn)源和面源估算模式最大小時(shí)濃度預(yù)測(cè)結(jié)果均大于進(jìn)一步預(yù)測(cè)模式預(yù)測(cè)結(jié)果，與HJ2.2-2008《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》中的結(jié)論一致。

6.2 各種地形條件下，AERMOD模式面源預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)小于ADMS模式;簡(jiǎn)單地形條件下，AERMOD模式點(diǎn)源預(yù)測(cè)結(jié)果略小于ADMS模式;復(fù)雜地形條件下，AERMOD模式點(diǎn)源預(yù)測(cè)結(jié)果遠(yuǎn)大于ADMS模式。

6.3 ADMS模式預(yù)測(cè)結(jié)果最大值和一個(gè)極大值出現(xiàn)在預(yù)測(cè)范圍中心附近，濃度值從中心向外逐漸減小;AERMOD模式預(yù)測(cè)結(jié)果一般會(huì)出現(xiàn)多處極大值，濃度值以這些極大值為中心分別向外逐漸減小，點(diǎn)源最大值出現(xiàn)在距預(yù)測(cè)范圍中心較遠(yuǎn)處，面源最大值出現(xiàn)在預(yù)測(cè)范圍中心附近，高濃度預(yù)測(cè)結(jié)果主要集中分布在地形較高處。

6.4 使用AERMOD模式對(duì)一般工業(yè)源預(yù)測(cè)，可以認(rèn)為煙氣排放后落地較緩，煙氣受預(yù)測(cè)范圍內(nèi)的地形影響顯著;使用ADMS模式對(duì)一般工業(yè)源預(yù)測(cè)，可以認(rèn)為煙氣排放后相對(duì)迅速落地，煙氣受預(yù)測(cè)范圍內(nèi)的地形影響較小。

［1］HJ2.2－2008，環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——大氣環(huán)境［S］.

［2］丁 峰，李時(shí)蓓，趙曉宏，等.修訂版大氣導(dǎo)則與現(xiàn)行大氣導(dǎo)則推薦模式實(shí)例對(duì)比驗(yàn)證分析［J］.環(huán)境污染與防治，2008，30(8):101.

［3］俎鐵林.美國(guó)EPA空氣質(zhì)量模式導(dǎo)則評(píng)述［J］.環(huán)境影響評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)，2002，6(6):18-25.

［4］楊多興，楊木水，趙曉宏，等.AERMOD模式系統(tǒng)理論［J］.化學(xué)工業(yè)與工程，2005，22(2):130-135.

［5］丁 峰，李時(shí)蓓，蔡 芳.AERMOD在國(guó)內(nèi)環(huán)境影響評(píng)價(jià)中的實(shí)例驗(yàn)證與應(yīng)用［J］.環(huán)境污染與防治，2007，29(12):953-957.

［6］楊洪斌，張?jiān)坪＃u旭東，等.AERMOD空氣擴(kuò)散模型在沈陽(yáng)的應(yīng)用和驗(yàn)證［J］.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào)，2006，22(1):58-60.

［7］David Carruthers，盛湘渝，雷曉霞，等.ADMS—城市與區(qū)域空氣質(zhì)量模型的嵌套應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)專業(yè)委員會(huì)暨國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2012.121-126.

［8］盛湘渝，David Carruthers，雷曉霞，等.基于ADMS—城市模型的空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)系統(tǒng)在倫敦奧運(yùn)會(huì)期間的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)環(huán)境影響評(píng)價(jià)專業(yè)委員會(huì)暨國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2012.127-131.