应用嵌套网格模式系统对沈阳市环境空气质量的数值模拟研究

摘要：利用嵌套网格空气质量预报模式（NAQPMS）对沈阳市大气污染物的输送与化学转化进行了数值模拟研究， 并对SO2、NO2和PM10等大气污染物浓度的模拟结果与监测结果进行了对比分析。结果表明，NAQPMS模式系统能较好地模拟出沈阳市的大气污染物输送与化学转化情况， SO2、NO2和PM10的模拟值与观测值具有较好的一致性，说明该模式能较好地反映这些大气污染物的分布特征和变化规律，可为今后深入开展沈阳市大气污染数值预报与传输扩散研究提供有效的手段。

关键词：数值模拟；空气质量；沈阳市

中图分类号：X830.5文献标识码：A文章编号：1007-0370（2013）04-0058-04

1引言

空气污染危害人类健康，影响植物生长及农业和林业的发展，对人类生存和生态环境有重要的影响。近年来，在中国经济取得快速发展的同时，也消耗了大量的资源，产生了严重的环境问题，我国城市大气污染日益严重。中国的一些重工业城市，由于其高能耗、高排放、高污染的产业特性，使得城市环境严重恶化，其中一个典型例子就是沈阳。虽然近年来沈阳市制定了治理大气污染的方案，并通过一系列的措施使得沈阳市大气环境质量得到了明显的改善，但是与国内其它一些城市相比，沈阳市大气污染问题仍然较严重。

目前，国家在沈阳实行老工业基地振兴政策，迫切需要改变其空气污染的现状。想要弄清沈阳的大气污染特征、变化趋势以及辽宁中部城市群之间污染物的输送还远远不够，难以对污染物的控制提供相应的理论依据，因此采用对实地观测具有补充和指导作用的数值模拟方法是解决上述问题的有效手段。

空气质量数值模式是以大气动力学理论为基础，基于对大气物理和化学过程的理解，通过计算机高速计算来预报大气污染物浓度在空气中的动态变化，进一步提高大气污染预报的准确性、时效性。与统计预报相比，空气污染数值预报涉及多尺度范围（城市尺度以及天气尺度）、多种污染物（几十种物质的化学反应）、多种过程考虑（污染物输送、扩散、化学转化以及清除过程）、高时空分辨率的特性（数公里分辨的污染物小时浓度变化），在计算机技术飞速发展的今天，数值预报以其完善的理论基础、合理的模式设计、定时定量的预报效果成为空气污染预报的发展趋势。

2嵌套网格空气质量预报模式的建立

嵌套网格空气质量预报模式（Nested Airquality Prediction Modeling System）简称NAQPMS是中国科学院大气物理研究所开发的，沈阳市环境监测中心站与大气所合作在沈阳市应用了NAQPMS。NAQPMS作为中国第三代区域多尺度空气质量模型，充分借鉴吸收了国际上成熟的天气预报模式、空气污染数值预报模式的优点，并体现了中国各区域、城市的地理、地形环境、污染源的排放等特点。此系统在计算机技术上采用高性能并行集群的结构，低成本地实现了大容量高速度计算，从而解决了预报时效问题；·在研制过程中考虑了自然源对城市空气质量的影响，设计了东亚地区起沙机制的模型；并采用城市空气质量自动监测系统的实际监测资料进行计算结果的同化，可以同时用于研究不同尺度（区域、城市）的污染问题，并可利用系统中的单向和双向嵌套功能研究和探讨不同尺度污染间的相互作用。

该模式主要包括四部分：基础数据子系统、中尺度天气预报子系统、空气质量预报子系统和预报结果分析子系统，其结构示意如图1所示。整个系统平台建立在Linux环境下，采用C shell语言编写脚本，实现整个预报系统的自动化运行及业务化，并将预报的结果以图片加网页的形式展现出来。

基础数据子系统包括地理地形资料（USGE）、污染源资料（WYGE）、气象资料（NCEP）和监测资料（JCGE）四个部分。地理地形资料有天气预报和污染预报的三个模拟区域的地理经纬度资料，尤其是3×3公里网格覆盖沈阳市的各个区域的地理经纬度资料。污染源资料是沈阳市主要大气污染源烟气的排放浓度资料和每个污染源的地理经纬度资料；沈阳市全部区域划分为81个网格，每个网格作为一个污染面源的TSP浓度资料和网格的地理经纬度资料。气象资料的获得是开展城市空气污染预报的最重要的基础。这里所说的气象数据并不是原始台站的气象实测数据，而是经过GCM（全球大气环流模式）处理后的网格化气象数据。GCM提供的网格化气象数据包括两类数据，一是再分析数据，即实测气象数据经过资料同化后的网格化气象数据，作为GCM模式和中尺度气象模式的初值；另一类是GCM预报数据，作为GCM的预报结果和中尺度模式的边界条件或初值。实时监测资料采用沈阳环境空气质量自动监测系统的小时浓度值数据输入该系统，它主要用来对空气污染数值预报系统进行系统校正，以提高系统的准确率。

中尺度天气预报子系统采用MM5中尺度天气预报模式驱动嵌套网格大气污染预报模式（NAQPMS）。MM5是美国国家大气科学研究中心（NCAR）与宾夕法尼亚州州立大学合作发展的第五代中尺度静力/非静力模式。从70年代未开始，由于全球各国大气物理科学家的共同努力，现已发展成目前全球最成熟的中尺度天气预报系统之一。MM5采用的σ垂直座标，四维资料同化技术，多重网格嵌套功能，对于不同尺度天气现象间的相互作用有较好的分辨模拟能力，如大尺度的季风、台风、气旋的模拟和预报；中β尺度和中γ尺度（2-200 公里）的数值模拟，中尺度对流系统、锋面、海陆风、山谷风及城市热岛效应等。

空气质量预报子系统（APOPS）的空间结构为三维欧拉输送模式，垂直坐标采用地形追随坐标。水平结构为多重嵌套网格，采用单向、双向嵌套技术，分辨率为3-81公里，垂直不等距分为18层。污染物包括SO2、NOx、CmHn、O3、CO、NH3、PM10（TSP），主要包括污染物之排放、平流输送、扩散、气相、液相及非均相反应，干沉降以及湿沉降等物理与化学过程，

预报结果分析子系统是根据空气污染业务预报的具体要求，主要输出二部分内容，即数值报表和预报图像。

3模式基本设置及排放源处理

在NAQPMS的气象场设置中，MM5初始场及边界条件均来源于NCEP全球模式的预报结果，模式在垂直方向上分为20层，气象场模拟区域采用四层双向嵌套，每层分辨率从低到高分别为81km、27km、9km、3km，对应于分辨率，网格数依次为82×64、60×57、84×72、81×75，下垫面依次采用分辨率为56km、19km、9km、4km的全球植被/地表类型数据。空气质量预报模式中区域设置除垂直方向分为10层外，其余部分同MM5的设置相同。

模式的基础排放源采用的是经过处理的Devid street2000年的排放源，覆盖范围为亚洲全部及俄罗斯南部，分为低架点源（h<45m）、高架点源（h>45m，主要是电厂源）以及高空源，分辨率均为10km×10km。对2004年污染源普查的排放源利用Arcgis软件将辽宁省的地图按地区进行分界并赋予特征值，然后清零沈阳地区的原始排放源并将新源插值到沈阳地区中。

4模拟结果的初步检验

选用2008年10月1日～2009年2月20日沈阳市环境空气质量自动监测系统实测数据和嵌套网格空气质量数值预报系统预报的数据作为基础资料，进行模式验证。监测项目选取可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮。监测点位选取二毛、太原街、小河沿、文艺路、北陵、炮校、张士、东软8个国控自动监测点位。

4.1等级一致准确率

等级一致准确率是按照国家环保总局的技术规范要求，目前对外发布环境空气质量时使用环境空气质量等级，因此把污染物浓度全部转换成空气污染指数（API），预测值和观测值进行对比得出等级一致准确率。

对所有监测站点和全市均值进行了三种污染物的污染分指数计算，并得出了每日的空气污染指数和首要污染物，将每个站点的预测结果和实测结果进行了等级一致性检验，统计分析得出以下结果：

⑴等级一致准确率：各站点等级一致性准确率除炮校点位特殊外，其余各点都达到了较高的准确率。各站点首要污染物一致准确率中除北陵和太原街外，其余各点准确率比较高，其中东软点位准确率已达到90%。

⑵全市平均等级一致准确率和首要污染物一致准确率分别为85%和86%，完全能够满足日常业务的需要。

4.2趋势一致性

将预报结果比较全的2008年11月份全市日均值与实际观测值进行比较，得到三种污染物的变化趋势图。

从上述图中可以看出，三种污染物的预报值和观测值趋势比较接近，尤其是NO2趋势比其他两个要好一些，11月后半个月比前半个月趋势要好很多。

5重污染天气个例模拟

5.1冬季重污染个例模拟

沈阳冬季采暖期长达5个月，采暖期内会燃烧大量的煤炭，因此冬季SO2、PM10污染物浓度大幅度增加，在特殊天气系统的配合下常常会形成重污染天气，本次冬季重污染个例模拟时间设定为2006年12月31日00时至2007年1月7日00时。此段时间内沈阳市环境保护局发布的API见图2。

二毛监测子站属于工业和居民混合区，在沈阳的冬季具有很好的代表性。在图3中可以看到：从1月5日清晨开始二毛子站附近气压逐渐降低，到了晚上降低到最低值，而污染物浓度在下午就开始积累，在午夜达到极大值，这也与沈阳市环保局的日报结果相符，在这一积累过程之后，出现了强度较高的北风，将大量的污染物吹散，空气质量又恢复达到了相对清洁的状态。

利用中尺度气象模式和空气质量预报模式进一步分析此次重污染事件的形成，重污染时段气象场如图4。

图4重污染时段的气象背景场，彩色部分表示降水

从图4中可以看出，辽宁省大部分区域被低气压所控制，成气旋型。辽宁省在1月5日的17时恰好位于气旋的中心，附近风速较小，气流上升运动强烈，缺失的空气由四周补充，形成一个四周污染物向中心汇聚的趋势，使本来就难以扩散的污染物浓度变得更高，经过模拟的污染物浓度场如图5。

以上四幅图基本可以描述本次重污染事件的形成，上午10点时沈阳地区还有轻微的北风，对污染物有一个向北的输送，在低气压的作用下气旋已经开始在辽宁省周围形成，并逐渐向东南方向移动。13时，气旋已经已进入辽宁省大部，由于受低气压的控制，辽宁中部风向不再向北，已经发生变化。沈阳周边的鞍山、铁岭、抚顺等城市的污染物开始缓慢向沈阳地区集中。16时，沈阳完全处于低气压的中心，污染物的积累也逐渐到达极值，气旋正迅速的向东南方向运动。19时，气旋的左边缘抵达沈阳，带来了强劲的北风，原来聚集在沈阳地区的高浓度污染物开始扩散，之前10时向北输送的污染物折回方向再次经过沈阳地区。之后在气旋过后的北风的影响下辽宁地区再次回到清洁状态。

此次的重污染天气，中尺度气象模式和空气质量预报模式都能很好的预测出来，说明模式对于重污染天气的模拟能够满足日常工作的需求。

6结论

⑴应用NAQPMS对2008年10月1日～2009年2月20日期间的环境空气质量进行了模拟，并与沈阳市环境空气质量自动监测系统的实测数据进行了对比验证。全市平均等级一致准确率和首要污染物一致准确率分别为85%和86%，说明沈阳市环境空气质量数值预报业务系统达到了当初设计的要求，完全可以满足环境空气质量日常业务的需要。

⑵应用NAQPMS对2006年12月31日00时至2007年1月7日00时期间冬季的重污染天气进行了模拟，并对气象场和污染场进行了详细分析，模式能很好的模拟此次的重污染天气，说明模式能够很好的模拟污染物的空间分布特征和时间变化规律。

⑶从整体上看，模式的准确率还是比较高的，而且对于重污染事件的个例也能很好的模拟出来，完全能够满足日常的工作需要，但是在某些时候模拟值和观测值还有很大的差别，造成这种现象的出现除了模式本身的问题之外，最主要的是污染源的影响。污染模式模拟结果的准确程度极大的依赖于排放源，如果排放源在调查或处理的过程中出了问题，将直接决定着模式结果的好坏。为保证模拟结果的准确性，在今后的日常工作中要及时对污染源资料进行更新。

参考文献

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