嵌套网格空气质量预报模式系统（NAQPMS）的发展与应用.doc

嵌套网格空气质量预报系统(NAQPMS)的发展与应用 王自发 谢付莹 王喜全 安俊岭 朱江 中国科学院大气物理研究所 LAPC/NZC 摘要：本文主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套空气质量预报模式系统的历史发展与应用情况。设计欧拉型污染物输送实用模型并计算了东亚硫化物的跨国输送问题，得出我国对于周边国家的输送量不大的结论。设计了一个适合东亚的起沙机制模型，并建立了沙尘(暴)输送数值预报系统，可用于进行沙尘的发生、输送及沉降的短期数值预报；并模拟计算了亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量，为研究海洋生物地球化学循环提供了基础数据。集成区域输送模式包括了硫化物、氮氧化物、臭氧、沙尘等物种，并直接耦合气相和液相化学过程，模拟量化了沙尘输送对于东亚酸雨分布的影响，论证了沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用。发展了城市尺度的高分辨率气象和空气质量预报模式，水平分辨率达到500米，并应用到台北进行高浓度臭氧和PM10的模拟。研究和集成区域和城市尺度大气污染预报理论和模拟技术，设计研制嵌套网格空气(NAQPMS, Nested Air Quality Prediction Modeling System)，并实现了业务化，该系统既可用来研究不同尺度各种污染（如沙尘暴、城市、酸雨等）的变化规律，又可用进行区域和城市的空气质量实时预报Watson[3]等人利用受体模式分析了VOC的各个主要源，Hopke[4]则基于PCA发展了一个新的受体模式，Akihiro[5]利用多元线性回归分析，发展新的模式，克服了受体模式对污染源要求过高的缺点。在国内，利用CMB模式解析了上海TSP的各个源的贡献情况[6]。尽管统计模式在环境研究的各个领域取得广泛地应用，然而，由于其过分以来以往数据，使得其在预报排放源变化的影响上面存在较大的局限性，难以为决策者提供科学及时地依据[2]。因此，第二种模式即数值模式的研究成为目前即将来研究的热点和难点。 所谓数值模式即基于对大气物理和化学过程规律的理解基础上，利用数学方法对其模拟[2]，从数学上可以分为拉格朗日模式和欧拉模式，从尺度上则分为城市、区域和全球模式，由于拉格朗日模式假设气团在输送过程中不与外界环境发生交换，主要考虑化学和扩散过程，使得其在复杂地形和对流条件下的适用性受到局限[1]，其代表模式主要有NOAA-ARL开发的Hysplit模式和 2D EMEP模式[7] 由于拉格朗日模式在以上方面的制约，使得欧拉模式得到了广泛的发展和应用。根据模式的设计理念和参数，可以将模式设计为三类，首先即第一类模式主要为扩散模式和箱式模式，其代表模式为ISC3、AERMOD，主要以高斯方程为基础，可以模拟一系列的工业排放源，适合于长期模拟。另外，国内徐大海[8]等人利用平流扩散方程，成功开发出CAPPS系统，并在国内12个省市气象部门得到应用，但由于该类模式在化学以及污染源等方面的局限性，使得主要集中应用于原生污染物的扩散和简单的反应性轨迹模拟。 第二类即三维网格模式，相对于第一类模式，该类模式考虑了较为复杂的气象参数和反应机制，并以网格的形式将模拟区域分为3维。从尺度的角度上，该类模式又可以分为城市尺度、区域和全球尺度，城市尺度其代表模式为UAM-V，该类模式主要采用CB-IV机制，水平分辨率2-10km，模式层顶为边界层顶。国内南京大学开发出NJU-CAQPS，并以成功应用于南京地区，其水平分辨率达到了0.5-2km[9]；区域模式代表模式CAMx[10]， CAMx采用CB-Ⅳ和SAPRC97化学机制，其他代表性的区域模式还有EURAD[11]，以及MAQSIP[12]，全球尺度的模式代表主要有MOZART、GEOS-CHEM[13、14]等。 第三类模式如model-3/CMAQ，即充分考虑到不同介质之间的转换，更加充分考虑大气过程，多物种的充分模拟，目前该模式政在进一步的发展之中。中科院大气所致力于发展的嵌套网格空气质量预报模式NAQPMS[15]，考虑了复杂的物理、化学等过程，实现各种尺度污染物输送的完全在线耦合。 尽管大气环境模式取得了长足的进展，然而当前模式研究还存在不足，主要包括：模拟对象单一，模拟结果为单一介质（气态和固态）的输出浓度；模拟尺度单一，空间分辨率有一定的局限性，例如，UAM-V主要适用于城市尺度，而CAMx、EURAD则适用于区域尺度，MOZART、GEOS-CHEM局限于全球尺度无法完成多尺度实时在线模拟；耦合能力薄弱，无法完成区气象模式的双向耦合。 为了克服以上不足，国外进行了广泛的研究，并取得一系列的进展。美国EPA致力于发展的Models-3即‘第三代’模式，充分考虑‘一个。大气’的概念，实现了多物种的模拟，然而并没有实现模式中的实时嵌套。日本设计基于RAMS的在线区域