马辉

【摘 要】目前，市大气环境数值研究面临的两大难题：一是由于城市冠层的动力热力的特殊性，对污染物的化学物理过程造成的影响；二是如何更新排放源的清单。对此，本文主要通过对城市冠层中的大气环境数值模拟系统的集成，进而研究城市大气的动力以及热力效应以及它对污染物的化学物理过程、变化、分布的影响。其次，结合污染源Nudging和CMAQ-MOS技术来对城市大气污染数值技术的修正，从而改进了对城市污染趋势及污染物浓度的预报，使得城市大气环境数值技术更具有应用价值和可行度。

【关键词】大气环境数值技术；集成；改进；应用

A 随着社会经济的发展和城市规模的不断扩大，资源的紧缺、环境的恶化、人口的膨胀等现象严重制约了我国城市的可持续发展，尤其大气污染严重影响了北京、上海、广州等一线城市的生活质量，因此对大气环境的研究和改善已迫在眉睫。目前为止，主要是通过数值技术的手段对污染物于大气中所经历的各种化学和物理过程进行模拟来研究城市的大气环境的。由于当前各种有关的化学机制不断完善，气象场和排放源的精度和客观性成为了影响大气环境预测和数值模拟水平最关键的因素。

关于城市大气污染的研究，我们必须建立起一套完整的城市环境评估和预测预警的系统，并为城市的规划和人类的健康提供一定的技术支持，以及为研究提供足够的科学证据，从而以此来调控治理大气污染和预警严重的环境污染事件。 空气污染数值的模拟主要是建立在污染源的排放清单和气场数据的的基础上的。但由于污染分布的空间变化比较快且排放强度比较大，因此它给环境数值的预报和模拟造成了巨大的困难。

1.城市大气环境数值技术的集成

天气系统以及城市污染源两者的相互作用，使得多种污染物在城市尺度范围内具有了相近的变化趋势，但污染源在事件变化和空间分布上却极度不均匀，远郊地区的污染源在排放强度方面远远比城市地区低，并且郊区和城市的污染源在极度变化方面的差异也非常显著，尤其是城市地区的污染源排放的强度在采暖期这一阶段会变得很高。而CMAQ模式能够有效预报城市污染物的变化趋势，并且效果十分显著。由于不同测点的污染物在城市尺度内会具有同步性和同位相的变化特征，因此，我们可以通过对点与面预报思路的结合，建立起一个中心测点以及其它方位的测点的大气环境污染数学模型，然后再通过中心测点的城市大气数值产品对周围污染物的浓度进行预报。此外，在空气质量的预报方面，要进行在面的基础上进行多点试验，CMAQ-MOS技术的集成在实用性方面具有很大的潜力。

2.城市大气环境数值技术的改进

由于现有污染源的排放清单对于城市地区的污染源的变化特征和时空的分布很难作出一个准确客观的描述，这在一定程度上使得城市空气质量在数值预报方面的水平受到了很大的制约。由此，我们需要对城市大气污染数值技术进行改进，从而对排放源清单的模式和预报偏差进行修正。例如，可以在城市空气污染的预报中使用MOS的方法，并结合动力统计，形成了CMAQ-MOS技术方法，即在对前期大气状况中数值模式和观测资料的基础上建立起一个数学模型，然后尝试预报后期污染物的浓度，这种改进方法在污染物浓度方面，提高了CMAQ模式的振幅。通过城市大气环境数值技术的改进，能在排放源问题这方面克服其所产生的预报偏差，使得预报空气质量的水平得到提高和实际应用的价值也大大提升了。

在中国北方的多个城市，过运用污染源“Nudging”的修正模型对有毒气体的排放强度进行修正试验，同时参照有关模式对污染物的观测值和浓度的比例进行模拟来构造出污染源的倾向项，从而利用模式迭代计算的方法对城市排放源的强度进行修正。此外，在污染源的调整过程中，多数城市进行模拟的结果都在不断逼近观测值，达到收敛的效果，而在这个过程中也有少数城市的污染源“Nudging”出现了发散的现象。通过对排放源和Nudging化学物理反应过程对部分地区污染的贡献率进行分析计算可得：对于二氧化硫，当它的排放源污染严重影响到局地的浓度时，则“Nudging”的过程会得到一定的收敛，当传输作用的贡献率最大并且持有与排放源相反的变化趋势时，“Nudging”的过程则会出现发散的现象。而对于二氧化氮，当它化学反应的贡献率最大的时候，“Nudging”的过程会得到一定的收敛，否则，“Nudging”的过程会发散。通过这两者的计算分析表明，“Nudging”修正源的采用能够使得CMAQ模式预报污染物浓度的水平会得到显著的提高，并且也能有效改善了对污染物自身的变化趋势预报的效果，具有很高的可信度。

3.城市大气环境数值技术的应用

城市的大气污染数值技术在各类大气预报和模拟中得到了广泛的应用。如通过对修正源“Nudging”结果应用，对上海和北京在某一天的PM10、二氧化硫、二氧化氮浓度的模拟，对比了观测资料和模拟结果，可发现模式模拟的变化趋势和浓度会与实际情况非常接近，误差值很小，只是PM10的模拟浓度会相对于实际情况有所偏低。在这个基础上，通过对本地和其周边的污染源对上海、广州、北京等地污染源的贡献进行研究可以发现：周边对上海PM浓度的贡献率非常高，可高至五分之二，二氧化氮贡献率最低位十分之一，而对二氧化硫的贡献率达到十分之三；而周边对广州的二氧化氮和二氧化硫的贡献率比较小，为十分之一左右。其次，MM5中尺度的气象模式也可被利用，并结合城市冠层的参数化方案和传统边界层的参数化方案模拟夏季和冬季的大气边界层的热力动力性质并对比相应的观测资料，可以发现城区的温度会因为城市区域的建筑群和下垫面力动力热力的作用而升高，并且风速也会在它们的动力热力作用下减小，增强了端流动能，明显形成了端能增强区、阻风区和增温区着三大区域。而位于城市建筑群附近的高值中心，会逐渐向郊区进行递减，因此它的动力热力效应相对而言会比冬天更加显著。再次，可以利用CMAQ空气质量模式对城市冠层内的污染物的转化、扩散和传输过程进行模拟，可以发现污染物的浓度会在城市建筑群的多尺度的堆积作用下显著增强，并且污染物的分布形状也会与建筑群的布局互相呼应。

关于城市大气环境数值技术的应用，就现阶段来看，CMAQ城市空气质量的预报系统已在我国的气象中心建立起来，而该系统的预报方法就是通过“Nudging”修正成果和城市大气环境数值技术的结合实现的。而目前，该模式还处于试运行的阶段，在未来的发展中，这项技术将为我国空气质量的预报提供了更具有具有科学性、可靠性的参考和技术支持。

4.结束语

关于城市大气污染的模拟技术方面所进行的研究，本文只能简要分析了城市大气环境数字值的集成、改进和应用。对于它的发展前景和操作过程还有待更多的专家参与到研究过程中来，从而为对气污染有效准确预报提供一份技术的支持。

【参考文献】

[1]徐大海，朱蓉.大气平流扩散的箱格预报模型与污染潜势指数预报[J].应用气象学报，2000，11（1）.

[2]房小怡.城市空气质量数值预报模式系统及其应用[J].环境科学学报，2004，24（1）.