城市空气污染数值预报模式系统及其应用

分类：论文范文 发表时间：2020-09-15 08:41

　　摘 要 ：介绍 了城市空气污染数值预报模 式系统的主要组成。并利用该 系统对杭州市空气污 染进行 了预报。结果表 明该 系统对污染物浓度具有较好的预报性能，预报值与实测值之间有 较好的相关性，其 中NO2，SOz和 PM10的预报与实测值的比值分别位于 0．65～1．44、0．66～ 1．3O和 0．55～1．57，但模式系统对于空气质量级别(特别是 NO2和 PMIO)的预报准确率较 低 ，该模式系统运用于杭州的城市空气质量预报还需要进一步地 改进。

　　关键词 ：城市空气污染 ；数值预报；空气质量级数

　　目前，我国经济正处在高速发展期，如能源、 交通规模的扩大、城市人 口的膨胀 、大型工业开发 区的发展等造成的大气污染 已不再是一个工厂范 围的局部污染问题 ，环境污染物排放总量的不断 增加 ，污染范围继续扩大，以颗粒物、SO。、NO 等 为主要污染物的大气污染问题 日趋严重，对资源、 环境的巨大冲击 日益威胁着可持续发展 的基础 。 在这种情况下，为 了更好地反映环境 污染变 化趋 势 ，为环境管理决策提供及时、准确、全面的环境 质量信息，为使我国大气环境预测、预报工作与国 际接轨 ，加大环境污染控制力度 ，预防严重污染事 件发生，开展城市空气质量报告及空气污染预报 工作是十分必要的L1][2]。

　　1 数值预报模式系统

　　在污染物从源到干湿沉积到地面的整个过程 中，大气过程(比如地面强迫、辐射、复杂下垫面引 起的局地环流、中尺度垂直和水平运动及降水等) 起着关键作用 ，其 中包 括从小尺度湍涡和某些化 学转化的几秒到长距离输送与迁移的几 d时间尺 度及其相应 的从几 十 m 到几千 km 空间尺度的 所有过程。 不论是进行 空气污染潜 势预报 还是数值 预 报 ，都需要使用 当地 的气象资料。在复杂下垫面 情况下，边界层中风温场时空变化剧烈。通常获 得气象场 的方法有 2种 ：一是利用现场观测资料 构造当地的气象场 ，称 为客观分析方法或诊断方 法[3；二是用数值方法求解具有特定初始 、边界条 件的大气运动方程组 ，称为动力 学预报方法 。动 力学预报方法考虑了流体的各种物理约束和边界 条件影响。

　　1．1 中-a尺度气象模式

　　中一a尺度气象模 式采用 的是考 虑陡峭 地 E 网格有限区域数值预报模式 (ETA)，该模式垂直 坐标为 Tl坐标 ，包括了天气变化所涉及 的主要物 理过程，如大尺度凝结降水和对流降水、地表辐射 能量收支等。该模式对于天气过程的预报效果较 好 ，而且模式计算效率高 ，曾用于我国汛期和暴雨 的预报[5]。ETA利用 T213资料为初始场 进行 24~48h天气预报 。预报 的风 、温等参 量为中一p 尺度气象模式提供初始场、同化场和边界条件。

　　1．2 中一D尺度气象模式

　　中一p尺度 气 象模 式用 来 描述 城 市尺 度 (< 200km)边界 层结构 的演变特 征 ，反映非 均匀 下 垫面对大气的热力和动力作 用 ，如 山谷 凤、海 陆 凤、城市热岛、地形绕流等。该模式的特点是：精 细的下垫面型强迫影响的模式化 、静力假设 和非 静力平衡二者均可使用 、分层的湍流通量参数化 、 套网格与四维资料同化技术的使用、高时空分辨 力等。

　　2 预报结果

　　在城市空气污染控制与管理应用 中，对预报 模式性能的评价 ，主要有 以下 4个方面 ：(1)模式 预测的污染物浓度和大气质量标准的可比性 ；(2) 模式预测的污染 物浓度的时空变化及其分布形 式 ；(3)模式预测结果和实测值接近程度；(4)模式 假设 的合理性 。 杭州市总共有 7个观测点 ，分别为：和和睦小 学 、朝晖五区、浙江农大 、南星桥 、卧龙桥 、下沙、云 栖 。因为资料 的限制 ，本 次实验 只对 2003—04—16 ～ O5—25(缺 O4—21～25、3O，O5一O1～04)这一个时 期内的 30d进行了模式预报 ，并对模式系统预报 的最终浓度结果进行验证 ，特别是 以对媒体公布 的空气质量级别为指标 ，对 比的污染物种类为 目 前 国家环境保 护总局 规定 的 3种 污染 物 N0 、 SO2和 PM1O。

　　2．1 预报值与实测值的比较

　　预报结果 显示 ，3种 污染物 质 N0 、S0 和 PM1O预 报 值 和实 测 值 的 比值 分别 在 0．65～ 1．44、0．66～1．3O和 0．55～1．57之 间。标 准差 为 0．18～O．54，表明预报与实测值接近图 1是杭州市 区观测点预报的平均浓度与实测的平均浓度 对比(mg／m3)及相 关性 。对 比所用 的样本数是 30d，NO 、SOz和 PM1O预报与实测 的相关系数 r 分别为 0．573、0．708和 0．487，均大于置信 度为 0．01的相关系数起码值 0．463，说明预报与实测 有较强 的相关 性。其 中 S0z的相 关性 最 高，而 PM1O的相关性最低。浓度的逐 日变化主要受污 染源、天气条件和边界层结构变化的影响。

　　2．2 预报与实测空气质量级别对 比

　　图 2显示在 30d预报中，预报与实测的差距 都是在 1级之 内。其 中 S0 为 4d，NO 为 8d， PM10为 15d。从 准确率来分析，S0 的预报结 果 比较好 ，N0z和 PM10的预报结果是不太理想 的。结合具体的浓度预报结果分析 ，可以看到在 空气质 量预报 出现偏差 的时期 内，N0 、S0 和 PM10的实际浓度 的差距分别在 0．007～0．021、 0．004~0．011和 0．020~0．055，从浓度上看差距 是很 小的 ，所 以模式还是有一定的可预报性 的。 但是 ，还需要进行一定改进之后才能正式运用于 杭州市的空气质量预报。

　　3 总结

　　介绍了城市空气污染数值预报模式系统 以及 在杭州市进行 的空气质量业务预报 。结果表 明， 该模式系统稳定性强。计算效率高，预报与观测 值之间有较好的一致性 ，但模式 系统对于空气质 量级别(特别是 N02和 PM10)的预报准确率较 低。随着计算机技术的发展和监测网络的加强， 模式的效果会越来越好 。

　　参考文献 ：

　　[1]雷孝恩，张美根，韩志伟，等．大气污染数值预报基础 和模式I-M]．北京：气象出版社，1998．

　　[2]雷孝恩．影响地面中尺度范围浓度分布的因子分析 [J]．中国环境科学，1981，(1)：28—38．

　　[3]Lei，)(．E ，andM w．Qian，Apullmodelrevisedby M onte-Carlomethod onmesoscalerange，Adv．At— rnO& Sci．，1987，4：460— 469．

　　[4]Lei，)(．E ，andJ．&Chang，Ahighresolutionmode1f0rchemicalspeciesexchang eintroposphere，ActaM eteor．Sinica，1992，6：497- 490．

　　[5]葛孝贞，J．&Chang，雷孝恩．高分辨率区域输送模式 中不同输送格式 的对比实验EJ3．大气科学，1996， 2O：37— 45．

　　作者蔡海航 ，郭蕙蕙

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