计算机建模及其在空气质量模拟和预测中的应用

王晓云

摘要：在计算机工程技术管理领域，关于工程管理、军事管理、交通科学、生命科学、人文领域，都会有所涉及。本文围绕计算机建模及其在空气质量模拟和预测中的应用展开论述，对计算机在空气污染之力中的运用的优势和劣势加以分析，愚弄空气质量建模的方法，对比了各类模型的建模机理，特别是当今被广泛应用的cMAQ模型，欧拉三维格点的模型结构、区域性环境规划等的特征，作用、准确度加以详细的论证，对于各个敏感度板块的控制污染预警、预报等方面的评估，决策中的运用等展开了总结和展望，针对未来的空气质量建模的发展提出了建设性的意见和建议。

关键词：计算机模型；空气污染治理；响应面模型

人类对世界的认知，很多时候可以通过数学模型的建立来达到目的。通过不断完善知识积累，人们在这个基础上将数学模型加以修正，得到了关于世界的认识的方向，得到了有利的决策，并加以演变，增加了人们的认识的水平，预测事物的发展方向，掌握了得到了研究对象的复杂的认识度。将这个决策参与到事物的演化过程中，对复杂的研究对象进行了掌握后，再进行简化，将模型沿着时间轴的方向不断地延到了典型性的指标，描述为一个过程，的不同性质的研究目标，最终降低了观测、试验、计算等的成本。在条件允许的情况下，通过因子的调整，得到了研究对象的准确的逼近值，得到了事物的最终的发展轨迹。

1.计算机与数学建模

经过模型的建立，问题被转化为了数学问题。为了得到数学模型的求解，将大量的数学推力运用计算的方法加以计算。数学建模的载体是电子计算机。在二战期间，美国使用了大量的军用数据进行导弹飞行轨迹的计算，这些数据需要一种工具来进行大量的计算，为了解决这一难题，电子计算机应运而生。随着计算机建模技术的快速发展，工程领域被扩展到了非工程领域。数学建模得到了实际的解决，实际问题拥有了解决的道路，现代的数学建模大部分是在计算机上进行的。

2.计算机建模与空气质量的模拟

大气研究应用计算机建模技术已经相当的广泛。经过研究，空气质量的计算也得到了一种计算方法，那就是建立在气象学的原理和假设的基础上的方法，使用数学方法对大气中的污染物的形成和排放乃至清除的过程进行计算。

1）大气模型的基本功能是将地区的源排放、地形等作为资料加以输入，形成各种关于地区空气质量数据的数据库，包含了污染物浓度等重要数据。再就是根据一个污染事件的情况，进行模拟和分析。得到了最有效的科研和环境管理的手段，可以模拟、可以分析。这一科学模型的建议自上世纪60年代开始发展起来，从美国的实验室走出来，形成了卓有成效的空气质量模型的研发成果。70年代末期，空气模型中的复杂的物理和化学机制带来了第二代模型的出现。不过此时的空气质量模型是以大气污染问题为核心的。应用在技术上的范围较为狭窄。随着技术的进步，又在此基础上进行了大尺度的大气污染问题模拟的方法的探索，网络嵌套技术开始出现，应用在各种空氣质量模型上。到了90年代，第三代空气质量模型出现了。多重网络潜逃技术，即大气模型不再局限在单一的污染问题上，整个大气成为了研究对象，绝大多数大气污染物被模拟出来，各种大气环境问题被模拟成大气物理和化学过程。

上述过程中，第一代到第三代空气质量模型呈现多样化，按照发展阶段加以分类，按照分类标准分为模拟尺度、包含了微尺度、程式尺度、区域尺度等多尺度嵌套。计算方法又可分为统计模型、高斯模型等类型，建模机理又可分为3网络嵌套技术等。

其中CMAQ是现代大气研究中具有影响力的空气质量模型。不仅可以模拟污染物，而且能够将大气思想相互反应，转化为经典，采用多重网格嵌套技术，实现大尺度区域的大气污染物的输送、扩散和沉降。以低分辨率进行模拟并将模拟目区域，在提供目标便捷的同时按照不同的网格分辨率加以计算，节省了计算资源，提高了计算效率。而且能够在区域模拟结果中不断开发出具有良好性能的模块化的模型。CMAQ包含了初始、边界条件以及化学输送模块、光解速率模块等。核心的模块是CCTM，大气的气相和液相的化学反应均可模拟。气溶胶化学和动力过程、云化学过程等。在气相的反应中包含了多个化学反应机理的选项，常用的模型包括了CB05等。这些模型能够将气溶胶的硫酸盐、硝酸盐等的浓度加以模拟，得到了SOA的气固平衡模型的细化了的研究成果。

2）在原有模型的基础上，成分可以被动态地模拟出机理，模式机理和结构被做了大量的改进和调整后，细化为氨、钠、镁、铝、硅等等，通过CMAQ模式机理中形成了悬浮颗粒的成分，原来的悬浮颗粒中的分类，这些，并且在浓度的分布、空间变化上、季节的模拟更加接近观测值。例如在建模机理上氨和汞的排放的处理上，其特殊性在于，将排放源，如土壤和睡眠之间的动态交换，采用双向通量的方法，来表达出氨和汞的排放，这一改进降低了模式模拟的氨的湿沉降和观测值相比较的误差。为了更好地计算出大气双向耦合运行模式，在源排放方面，由于大气中的氮化物是模拟的准确度的重要来源，因此，中活跃氮化物和臭氧的浓度上层闪电是NOX，被大大地改进了。一种，WRF模式出现了，相对原来的独立模式，WRF的运行结果可以大气动力和化学过程使用高精度的网络实时动态地模拟，将气象信息加以输入得到耦合模式，将CMAO的空间被节省下来，研究气溶胶的辐射效应受到大气动力系统的影响后，经过对气溶胶浓度、组分、尺寸等计算出气溶胶的光学效应来。专业昂，CMAQ计算的气溶胶的浓度就随着时间和空间的变化，被直接应用在WRF的辐射计算中，得到了气象模块和大气化学模块的双向耦合。

3）特别现在出现的云计算条件下，以前单一提高服务器陛能来加快运行速度的情况得到了彻底的颠覆，所以硬件设备不再是制约模型复杂性和计算速度的因素，为快速得到数据结果而创造了有利条件，而且通过普通电脑也可以进行复杂计算，大大降低了实验成本，提高了实验效率。

3.结语

在当前大气污染日益严重的情况，有害气体排放居高不下，空气质量建模广泛应用，必须具有坚实的理论基础，而且还要制定污染源控制的对策，作为切实进行空气质量评估和预报预警的手段。endprint