镇江市环境空气质量数值预报模式的选择

张先宝

摘 要：本文针对《环境空气质量预报预警方法技术指南》推荐的中国的NAQPMS、美国的CMAQ、CAMx和WRF-Chem以及法国的Polyphemus五个模式，分别从区域位置、地形地貌、气象气候、污染源特点、颗粒物等质量因子特点以及所需的条件五个指标进行分析，并提出模式选择的思路与方法；最后，结合镇江市区域、地形、气候、污染源和PM成分等影响因素，综合性比较分析，对镇江环境空气质量数值预报模式进行的选择。

关键词：空气质量；数值预报；模式；选择

近年来，我国京津冀和长三角等地区雾霾天气多发，雾霾发生的特点不仅日数多，而且影响范围广。从污染因子分析，PM2.5已成为影响我国大气环境质量的首要污染物，并呈现典型的区域性、复合型污染特征[1-3]。预报模式运用主要经历经验预报、潜式预报、统计预报、数值预报、集合预报、多模式集合预报、资料同化等阶段[4]。目前，地级城市还处于潜式预报或统计预报阶段，正着手进行数值预报开发研究工作，数值预报模式有很多种，因此，如何选择适合当地的预报模式，是开发空气质量数值预报工作首要问题。

1 空气质量数值预报特点

空气质量数值预报模型均应具有以下共同优点：（1）应充分考虑了各种大气物理过程和各污染物间的化学反应及气固两相转化过程，可模拟多污染物间的协同效应；（2）应基于嵌套网格设计，可用于模拟局地、区域等多种尺度的大气环境问题；（3）应基于“一个大气”的设计理念，通过一次工作可以同时模拟各种大气环境问题，特别适用于模拟03、PM、酸雨等区域性复合型大气污染过程[5]。但是不同的数值模式针对区域位置，预测范围，适用条件和预报方式存在差别。因此，在构建空气质量数值预报模式时，应根据当地的情况、基础资料的占有量、预报精度的要求以及经济性等指标选择合适的模式。

2 通用的空气质量数值预报模式及其特点

2014年3月，中国环境监测总站发布《环境空气质量预报预警方法技术指南》，推荐环境空气质量数值预报模式5种，主要为中国的NAQPMS模式、美国的CMAQ模式、CAMx模式和WRF-Chem模式以及法国的Polyphemus模式。

2.1 模式评价指标

在选择空气资料数值预报模式时，需要评价的指标有区域位置、地形地貌、气象气候、污染源特点以及所需的条件五个指标。

2.2 模式区域位置适用范围

CAMx为城市到洲际尺度，以中尺度模型提供气象场驱动。CMAQ为城市和区域，对多种尺度、各种复杂的大气环境污染问题进行系统模拟。NAQPMS为城市到区域尺度，Polyphemus为局地小尺度到区域洲际大尺度。WRF-Chem为城市到区域尺度，常被用于研究城市复合污染特征。

2.3 模式地形地貌适用范围

CAMx为适应任何用来为环境模型提供输入场的气象模型。CMAQ为最初设计的目的在于将复杂的空气污染问题如对流层的臭氧、PM、毒化物、酸沉降及能见度等问题综合处理。NAQPMS为模式设计了东亚地区起砂机制模型，能较好的模拟沙尘的产生和输送过程。Polyphemus为法国开发，适用北欧。WRF-Chem为最新发展的区域大气动力-化学耦合模式。是在NCAR开发的中尺度数值预报气象模式（WRF）中加人大气化学模块集成而成。

2.4 模式气象气候适用范围

CAMx最著名的特点包括：双向嵌套及弹性嵌套、网格烟羽（PiG）模块、臭氧源分配技术（OSAT）、颗粒物源分配技术（PSAT）等，能适应任何用来为环境模型提供输入场的气象模型。CMAQ为采用了“One-Atmosphere”的设计理念，能对多种尺度、各种复杂的大气环境污染问题进行系统模拟。NAQPMS为为三维欧拉输送模式，垂直坐标采用地形追随坐标，垂直方向不等距分为18层；水平结构为多重嵌套网格，采用单向和双向嵌套技术，水平分辨率一般为3～81公里。Polyphemus为运用包括高斯烟羽模型、欧拉化学传输模型以及格点烟羽模型等多种物理化学模型。WRF-Chem为对湍流交换、大气辐射、积云降水、云微物理及陆面等多种物理过程均有不同的参数化方案，可以为化学模式在线提供大气流场，模拟污染物输送（包括平流、扩散和对流过程）、干湿沉降、气相化学、气溶胶形成、辐射和光分解率、生物所产生的放射、气溶胶参数化和光解频率等过程。

2.5 模式模拟污染源的特点

CAMx为模拟SO2、NOx、PM、NH3、VOC等物质传输。CMAQ为模拟过程充分考虑大气中各种污染物之间的复杂化学反应，能够对几乎所有大气污染物进行模拟。能考虑周边环境及社会经济活动对大气污染源的影响。NAQPMS为可用于多尺度污染问题的研究，不但可以研究区域尺度的空气污染问题。WRF-Chem为污染源的气溶胶模块考虑了34种变量（一次、二次粒子），粗粒子源充分考虑人为源、海洋源和土壤尘源。

3 镇江市空气质量数值预报模式的选择

镇江市地处我国四个明显霾区之一的长江三角洲地区，作为一个受煤烟型污染较明显的城市，其大气污染已不再是受單一或少数几个污染物的影响，而呈现出一种多元的复合型污染特征。对近几年镇江市尘霾污染成因分析发现，镇江市的OC/EC大于2.2，已经产生二次衍生气溶胶。空气质量AQI数据监测显示，近几年O3作为首要污染物出现的频率有逐年增长的趋势。根据《指南》推荐数值模式特点，结合镇江当地各影响因素情况，比较选择相对适合镇江市空气质量预报模式。

4 结论和建议

根据《环境空气质量预报预警方法技术指南》推荐的五种模式功能特点，与镇江市区域大小、地形地貌、气象条件、污染源性质、PM成分特点、实现基础等因素进行比较，最终确定WRF-Chem模式适用于镇江地区环境空气质量预测预报系统的建设。

WRF-Chem模式的开发与应用需要专业技术力量支持，作为地市级环境部门，应与专业的软件开发人员配合。目前，基于WRF-Chem模式镇江市环境质量预测预报系统已得到开发与应用，取得了初步的工作成效，适合在底子薄、技术能力和配套设施不足、资金有限的三、四线城市中参考推广。

参考文献

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

1352-2310.

[2] 贺克斌，杨复沫，段风魁，等.大气颗粒物与区域复合污染[M].北京：科学出版社.2011.

[3] 薛文博，付飞，王金南，等.中国PM2.5跨区域传输特征数值模拟研究.中国环境科学[J].2014，34（6）.

[4] 环境保护部.大气颗粒物来源解析技术指南[Z].2013.

[5] 薛文博，王金南，杨金田，等.国内外空气质量模型研究进展.环境与可持续发展[J].2013，3：14-18.