區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模擬模式系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模擬模式系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

calpuff系統(tǒng)calduff模式是美國（epa）推薦使用復(fù)雜地形下的大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模型系統(tǒng)的建議。由Sigma公司開發(fā),基于LFFortran95編譯、調(diào)試。系統(tǒng)包括邊界層氣象模式CALMET、污染物擴(kuò)散模式CALPUFF和后處理軟件CALPOST3部分和大量的對標(biāo)準(zhǔn)界面設(shè)計(jì)的預(yù)處理程序,用于氣象和地理信息數(shù)據(jù)的處理。CALMET利用質(zhì)量守恒原理對風(fēng)場進(jìn)行診斷,包括客觀分析、斜坡流、地形動(dòng)力效應(yīng)、地形阻塞效應(yīng)參數(shù)化、差分最小化及一個(gè)用于陸面和水面邊界條件微尺度氣象模型?？墒褂弥谐叨葰庀竽Ｊ?MM5、MM4、CSUMM)的模擬、預(yù)測結(jié)果、實(shí)測氣象資料作為輸入資料,輸出逐時(shí)風(fēng)場、溫度場、混合層高度、大氣穩(wěn)定度等污染氣象參數(shù)。CALPUFF包含復(fù)雜地形效應(yīng)、水面過程,海陸效應(yīng),樓宇下洗流,干、濕沉降和簡單化學(xué)轉(zhuǎn)換的非靜態(tài)拉格朗日微粒傳輸、擴(kuò)散、沉積和高斯煙團(tuán)擴(kuò)散模型,模擬在時(shí)空變化的氣象條件下對污染物輸送、轉(zhuǎn)化和清除的過程,適用于幾十至幾百公里范圍的評價(jià)。氣象場通常使用CALMET輸出的格點(diǎn)資料,也可直接使用非網(wǎng)格化的氣象觀測資料。主要的輸出文件包括:評價(jià)區(qū)每小時(shí)的濃度或每小時(shí)的沉積通量。CALPOST是用于計(jì)算平均濃度和沉積通量的后處理程序,輸出1h、3h平均最大濃度和日、月、年濃度的逐級評價(jià)結(jié)果;計(jì)算選定區(qū)域和時(shí)段的消光系數(shù)及能見度等相關(guān)量。近年來CALPUFF系統(tǒng)在我國大氣環(huán)境研究中得到應(yīng)用。如宋宇等利用2000年1、4、7和10月北京市氣象觀測資料和石景山PM10排放清單,通過CALPUFF系統(tǒng)模擬計(jì)算,分析了該工業(yè)區(qū)的影響范圍和大小。王淑蘭等利用CALPUFF系統(tǒng),根據(jù)2002年污染源排放清單、氣象資料和空氣質(zhì)量觀測資料,通過數(shù)值模擬和排放源現(xiàn)狀分析,揭示了珠江三角洲城市之間污染物相互輸送的特點(diǎn)和規(guī)律。結(jié)合陜西省氣象局大氣環(huán)境業(yè)務(wù)服務(wù)的實(shí)際情況,對CALPUFF系統(tǒng)進(jìn)行了移植和應(yīng)用開發(fā)。在MICAPS系統(tǒng)、MM5系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,通過VB6.0編程,建立了一個(gè)具有自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、可視化程度較高、操作簡便、比較實(shí)用的區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模式系統(tǒng)平臺。實(shí)現(xiàn)地理信息、污染源及氣象資料數(shù)據(jù)格式向CALPUFF系統(tǒng)所需格式轉(zhuǎn)換和模式輸出結(jié)果分析顯示的自動(dòng)和交互式操作。1面源及體源參數(shù)本研究使用的資料包括:國家氣象中心衛(wèi)星傳送的T213資料;TTAA和AAXX報(bào)文資料;污染源資料,包括點(diǎn)源、面源、體源和線源。點(diǎn)源參數(shù)為源的編號(名稱)、位置(經(jīng)緯度或坐標(biāo)值)、海拔高度(m)、源高(m)、煙囪直徑(m)、排放速度(m/s)、排放率(g/s、kg/h、t/a、…)、排放口溫度(K),擴(kuò)散系數(shù)σ。面源參數(shù)為源的編號(名稱)、面積坐標(biāo)、有效高度(m)、海拔高度(m)、排放率[g/(m2·s1)、kg/(m2·h1)、…]。擴(kuò)散系數(shù)σ體源參數(shù)為:源的編號(名稱)、體源位置坐標(biāo)、有效高度(m)、海拔高度(m)、排放率(g/s、kg/h、…),擴(kuò)散系數(shù)σ。輸出產(chǎn)品包括:①各種氣象要素,②邊界層污染氣象特征參數(shù),③逐時(shí)、日、月、年的區(qū)域大氣質(zhì)量等級評價(jià),④逐時(shí)地面區(qū)域污染物(SO2、NOx、PM10、HNO3、SO4等)濃度預(yù)報(bào)、模擬值。2數(shù)據(jù)處理和顯示系統(tǒng)的大多數(shù)應(yīng)用程序針對3個(gè)主要模型,為提高系統(tǒng)的應(yīng)用效率,對每個(gè)主要模型提供一個(gè)以個(gè)人計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的圖形用戶界面。并給出了適應(yīng)于美國國家氣候數(shù)據(jù)中心(NCDC)文件格式的標(biāo)準(zhǔn)化初始數(shù)據(jù)資料預(yù)處理程序,如處理探空資料的程序READ62、將被壓縮的CTG數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換成模式標(biāo)準(zhǔn)格式的預(yù)處理程序CTGPROC等,用戶可根據(jù)自己的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行修改。對系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā),首先是資料格式的轉(zhuǎn)換和本地地形地表資料的處理工作。依據(jù)CALPUFF系統(tǒng)提供的源程序,利用MM5中尺度預(yù)報(bào)模式和預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,對系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口部分作了本地化處理、運(yùn)行調(diào)試工作。數(shù)據(jù)接口處理分前處理和后處理兩部分。前處理由數(shù)據(jù)資料預(yù)處理程序完成,采用自動(dòng)和人機(jī)交互方式將原始?xì)庀髨?bào)文資料、T213數(shù)值產(chǎn)品資料轉(zhuǎn)換成MM5中尺度氣象模式所需格式。后處理同樣采用自動(dòng)和人機(jī)交互方式將MM5輸出結(jié)果轉(zhuǎn)換成CALMET和Surfer繪圖軟件所需格式,將CALMET、CALPUFF、CALPOST輸出產(chǎn)品轉(zhuǎn)換成Surfer繪圖軟件所需格式,以便輸出分析圖表。實(shí)現(xiàn):①地形資料的人機(jī)交互式提取和資料格式轉(zhuǎn)換,②地表資料的人機(jī)交互式提取和資料格式轉(zhuǎn)換,③中尺度數(shù)值模式MM5輸出產(chǎn)品的提取和資料格式轉(zhuǎn)換,④MM5輸出產(chǎn)品的處理和繪圖顯示,⑤CALMET輸出產(chǎn)品的處理和繪圖顯示,⑥CALPUFF輸出產(chǎn)品的處理和繪圖顯示,⑦CALPOST輸出產(chǎn)品的處理和繪圖顯示。其次,依據(jù)氣象業(yè)務(wù)應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,通過VB6.0編程,建立了具有自動(dòng)和人機(jī)交互處理功能的,操作簡便實(shí)用的區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模式系統(tǒng)用戶界面(圖略),實(shí)現(xiàn)逐時(shí)、月、年西安市區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)及逐時(shí)區(qū)域污染物(SO2、NO2、PM10等)濃度預(yù)測。其結(jié)構(gòu)及流程如圖1。3模式處理區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模式系統(tǒng)在Windows下運(yùn)行,操作簡便,依次為地理信息資料、氣象資料、模式運(yùn)行和模式結(jié)果處理,其中在給定精度的條件下對于某一區(qū)域來說地理信息資料的處理只需做一次,可根據(jù)系統(tǒng)界面步驟進(jìn)行。3.1地圖投影中心經(jīng)緯度的修正單擊“模式資料前處理”下拉式菜單,在地形資料處理欄,點(diǎn)擊“參數(shù)編輯”按鈕,打開參數(shù)文件“TERREL.INP”,修改參數(shù):輸入輸出文件、地圖投影、中心經(jīng)緯度、格距等,表1給出用戶依據(jù)具體情況需要注意改動(dòng)的參數(shù)。點(diǎn)擊“地形資料”按鈕,運(yùn)行結(jié)束生成文件“TERREL.DAT”“TERREL.LST”、“TERREL.GRD”等文件,輸出文件名由用戶在參數(shù)編輯中給出。打開LST文件查看運(yùn)行過程、結(jié)果。3.2表面數(shù)據(jù)的處理與地形和表面數(shù)據(jù)的整合3.3calmm5.inp簡介單擊“模式資料前處理”下拉式菜單,點(diǎn)擊“參數(shù)編輯”按鈕,修改參數(shù)文件“CALMM5.INP”,具體見表2。點(diǎn)擊“MM5TOCALMET”按鈕,運(yùn)行MM5處理程序,成功運(yùn)行后生成“XAMM5.DAT”、“CALMM5.LST”文件,打開LST文件查看運(yùn)行過程、結(jié)果。3.4氣象要素及格式CALMET的操作步驟:單擊“大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值系統(tǒng)”下拉式菜單,點(diǎn)擊“CALMET”按鈕,打開“CALMET”用戶界面;單擊“FILE”下拉式菜單,“OPEN”調(diào)入?yún)?shù)控制文件;單擊“Input”下拉式菜單,修改參數(shù)輸入輸出文件、地圖投影、中心經(jīng)緯度、格距、風(fēng)場診斷方案等;單擊“RUN”下拉式菜單,“RUNCALMET”運(yùn)行CALMET模式,成功運(yùn)行后生成“CALMET.DAT”、“CALMET.LST”文件;打開LST文件查看運(yùn)行過程、結(jié)果。如需要分析氣象要素場,單擊“大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值系統(tǒng)”下拉式菜單,點(diǎn)擊“PRTMETIN”打開參數(shù)控制文件,選擇要輸出的氣象要素及格式,運(yùn)行“PRTMET”輸出氣象要素。CALPUFF及CALPOST的操作步驟同CALMET。4評價(jià)的必要性圖2所示5點(diǎn)為西安市某工程擬建地,主要污染物為SO2,大氣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)為2級。新增這一污染源后,年平均濃度分布如何、是否超標(biāo)、年內(nèi)日平均濃度超標(biāo)情況如何、當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境是否還能達(dá)到國家對環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的要求,就5個(gè)擬建地點(diǎn)來說,建在何處較合適等一系列問題需要考慮,給出科學(xué)的評價(jià)。以下給出利用區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模式系統(tǒng)進(jìn)行的數(shù)值模擬分析評價(jià)結(jié)果。4.1資料處理和數(shù)據(jù)開放MM5中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式,采用三重嵌套(DOMAIN1、DOMAIN2、DOMAIN3),水平網(wǎng)格距分別為45、15、5km,垂直方向23層,中心經(jīng)緯度為108.3°E、34.5°N,格點(diǎn)數(shù)分別為60×60、50×50和50×50。積分步長為120s,積分時(shí)間從2004年1月1日12:00至12月31日12:00。背景場資料使用2004年每天T213分析和間隔6h的預(yù)報(bào)產(chǎn)品,客觀分析資料使用國家氣象中心發(fā)布的每天2次的高空和每天8次的地面原始報(bào)文資料,經(jīng)解報(bào)、檢誤、逐步訂正分析得到。CALMET邊界層風(fēng)場診斷模式,水平網(wǎng)格距為1km,垂直方向11層(0、20、40、80、160、300、600、1000、1500、2200、3000m),格點(diǎn)數(shù)為99×99,輸入資料使用MM5DOMAIN3輸出的結(jié)果。CALPUFF模式,水平網(wǎng)格距、垂直分層、格點(diǎn)數(shù)同CALMET,輸入資料使用CALMET的輸出結(jié)果(calmet.dat)。4.2出煙速率及出煙口溫度源排放參數(shù)為:源強(qiáng)10g/s,煙囪高度40m,煙囪直徑3.5m,出煙速率12.6m/s,出煙口溫度355K。5個(gè)擬建地點(diǎn)SO2的背景濃度,取2001~2005年西安市環(huán)境監(jiān)測部門5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測的SO2質(zhì)量濃度平均值的最高值0.027mg/m3。4.3在評估源事件的分析中使用2004年一個(gè)完整年的氣象資料和擬建工程項(xiàng)目源排放參數(shù),將新增污染源逐一放入5個(gè)備選廠址,進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和2級評價(jià)分析。4.3.1年平均質(zhì)量濃度一般來說,污染物年平均質(zhì)量濃度的分布軸向與主導(dǎo)風(fēng)向一致。根據(jù)2001~2005年風(fēng)玫瑰圖的分析,西安主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E和WS。圖3給出了A、B、C、D、E5個(gè)備選地址SO2的年平均濃度分布圖。由圖可見,通過數(shù)值模擬獲得的年平均質(zhì)量濃度的分布軸向與主導(dǎo)風(fēng)向一致,其形狀受周圍地形的制約,其中C、D、E3點(diǎn)由于相距較近周圍地形一致,年平均質(zhì)量濃度的中心值一致,分布形狀也極為相似,表明數(shù)值模式較好地模擬了污染物的分布特征。年平均濃度2級評價(jià)結(jié)果為5地中C、D、E3地未出現(xiàn)超負(fù)荷濃度值,滿足2級標(biāo)準(zhǔn)要求,A和B地均出現(xiàn)超負(fù)荷濃度值(圖略)。從超負(fù)荷范圍和強(qiáng)度看,處于山谷中的A地均大于B地,污染超標(biāo)最重,分析其原因可能是,由于山體的影響處于谷中的A地低層水平風(fēng)速相對較小,不利于污染物的水平擴(kuò)散,同時(shí)易形成地形山谷風(fēng)次級環(huán)流,次級環(huán)流把輸送出去的污染物帶回原地,形成2次污染。4.3.2日期級標(biāo)準(zhǔn)描述依據(jù)A、B、C、D、E5地SO2近地面日均濃度分布,按分布區(qū)內(nèi)只要有1個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)超2級標(biāo)準(zhǔn)就記為一個(gè)超標(biāo)日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,則年內(nèi)A、B、C、D、E日均濃度出現(xiàn)超標(biāo)的概率分別為27%、11%、5%、3%、8%。因此,依據(jù)年平均濃度評價(jià)結(jié)果,C、D、E3地均可作為選址地點(diǎn),可進(jìn)一步根據(jù)日均濃度出現(xiàn)超標(biāo)的概率、交通便利情況、水、電負(fù)荷狀況等其它條件確定最佳備選廠址。4.4污染物濃度分布特性是否發(fā)生在calmet一般來說,水平風(fēng)場的分布、穩(wěn)定度大小、混合層高度的高低以及垂直速度的變化決定著污染物日平均濃度的分布特征。典型情況為:當(dāng)污染源所在地近地面水平風(fēng)速小、穩(wěn)定度大、混合層高度低、無上升運(yùn)動(dòng)時(shí),污染物首先在局地堆積,之后緩慢向外擴(kuò)散,近地面污染物濃度大、范圍小。反之,當(dāng)污染源所在地近地面水平風(fēng)速大、穩(wěn)定度小、混合層高度高、上升運(yùn)動(dòng)明顯時(shí),有利于污染物的水平和垂直擴(kuò)散,不會出現(xiàn)污染物高濃度分布區(qū)。據(jù)此,對CALPUFF輸出的污染物逐時(shí)平均濃度和CALMET輸出的逐時(shí)平均水平風(fēng)場、穩(wěn)定度和混合層高度以及垂直速度進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,CALMET輸出的逐時(shí)平均水平風(fēng)場的變化、穩(wěn)定度大小、混合層高度的高低以及垂直速度上升與下沉區(qū)的分布,較好地解釋了對應(yīng)時(shí)段CALPUFF輸出的污染物逐時(shí)平均濃度分布特征。圖4a、b、d和圖5a、b、d分別給出了7月24日08:00和14:00A、B、D3個(gè)備選點(diǎn)SO2時(shí)平均濃度(其它圖略)及近地面水平風(fēng)場分布圖。圖6為對應(yīng)時(shí)刻3個(gè)備選點(diǎn)穩(wěn)定度等級和混合層高度的柱形圖。可以看出,08:00近地面水平風(fēng)速相對較小,混合層高度相對較低,穩(wěn)定度相對較大,水平和垂直擴(kuò)散能力均較弱。污染物首先在源地堆積,之后緩慢向外擴(kuò)散,出現(xiàn)近地面污染物時(shí)平均濃度大、范圍小的分布特點(diǎn)。而14:00近地面水平風(fēng)速相對較大,混合層高度相對較高,穩(wěn)定度相對較小,水平和垂直擴(kuò)散能力較強(qiáng),使得近地面污染物時(shí)平均濃度較08:00小很多。圖7給出了7月25日05:00備選廠址(A和B)SO2時(shí)平均濃度及近地面水平風(fēng)場分布情況。這一時(shí)段,在A和B兩地有較強(qiáng)的垂直環(huán)流存在,B地處于下沉氣流區(qū),A地處于上升氣流區(qū)(圖略)。由于B處為下沉氣流,且近地面風(fēng)速較小,不利于污染物的垂直和水平擴(kuò)散、清除,致使B處污染源排放的污染物在局地堆積,形成一個(gè)近似圓形的污染物濃度高值區(qū)。而A處為上升氣流,有利于污染物的垂直輸送,污染源排放的污染物隨著上升氣流擴(kuò)散和清除,部分污染物隨下沉氣流降落,在下沉氣流區(qū)近地面出現(xiàn)圖7所示的污染物零散分布的特征,且濃度較低。5大氣污染物排放特征本文工作是在綜合應(yīng)用MICAPS、MM5系統(tǒng)基礎(chǔ)上,通過對CALPUFF模式的開發(fā),使用VB6.0編程,初步建立了一個(gè)具有自動(dòng)數(shù)據(jù)處理、可視化程度較高、操作簡便、比較實(shí)用的區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)數(shù)值模式系統(tǒng)平臺;有效地整合了國內(nèi)外科技資源,為開展復(fù)雜地形下區(qū)域大氣質(zhì)量評價(jià)分析提供了必要的技術(shù)支撐。初步實(shí)現(xiàn)了大氣環(huán)境評價(jià)的數(shù)值模擬分析。對5個(gè)備選廠址年和日平均濃度2級評價(jià)結(jié)果表明,5地中D地為最佳廠址選者地,其次為C地和E地,A和B地由于污染物濃度超標(biāo)而不適建廠。試用分析結(jié)果表明,CAPUFF模式較好地模