大气污染物扩散模式的应用研究综述

于不同尺度的污染物扩散研究 , 其中不少模式经过 验证都获得了较好的结果 , 国内的相关研究中尤其 以高斯类模式的应用最为广泛。 笔者着重介绍了近年来针对工业点源的大气污 染物扩散模式的应用, 结合模式的理论核心以及应 用特征, 将目前常用的扩散模式以高斯公式、 拉格朗 日方法、 欧拉方法为基础分 3 类进行阐述 , 并针对模 式的适用范围( 中小尺度或大尺度 ) 、 地形复杂度、 污 染物扩散的短期 / 长期浓度以及瞬间 / 连续排放的污 染源、 地面源/ 高架源等方面 , 结合应用讨论了模式 各自的特点。由于篇幅有限 , 有关模式更详细的描 述可参见 美国 EPA 网站 ( ht t p: / / w w w . epa. gov/ scram001/ dispersionindex. ht m ) 等。其 中, 适 用于 中小尺度的 扩散模式研究范 围为几公里到 几十公 里, 可研究小城镇或几个街区 , 也可研究整个城市区 域; 适用于大尺度的扩散模式研究的是大范围的大 气扩散和输送, 研究范围为几十公里到几百公里 , 甚 至几百公里以上。另外 , 对新发展的基于嵌套模式 的模拟系统的应用作了简单介绍 , 阐述了其发展的 必要性及目前存在的主要问题。
工业污染源的排污对大气环境质量有直接的影 响, 同时也直接影响了周围居民的身体健康及生活。 但由于高成本和相关实验的难度 , 对污染物浓度进 行准确的动态分时空监测不是十分可行[ 1] 5393 , 因此 大气污染物扩散模式被广泛地用来模拟预测污染物 的扩散分布情况 , 评估大气环境质量。 大气污染物扩散模式结合污染物浓度和气象资 料定量分析污染物在大气中的输送、 扩散特征。最 初, 模式的研究理论核心是高斯扩散理论 , 应用范围 [ 2] 20 是小尺度 。随着研究的逐渐深入和计算机的发 展, 开始利用计算机进行数值计算 , 突破了高斯扩散 理论均匀平稳湍流的限制 , 可以求解非均匀、 非定常 的污染物扩散问题, 且模式的适用范围向中尺度、 大 尺度扩展。目前 , 数值计算已经成为研究的主流方 法, 研究范围也在逐步扩大。 大气污染物扩散模式的应用受地形、 气象、 大气 污染物的物理化学特征、 污染源特征等多种因素的 制约 , 不同的扩散模式都有各自不同的考虑因素和 适用范围 , 选择恰当的扩散模式能较为准确地模拟 污染物的扩散及分布 , 用于城市环境空气质量预报。 目前 , 已经有许多发展成熟的污染物扩散模式应用
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污染物浓度符合正态分布 , 是很多实用模式发展的 基础。基于高斯理论的大气污染物扩散模式被广泛 应用于各种尺度的研究区域 , 其中适用于中小尺度 的有 ISC( Industr ial Source Com plex Mo del) 、 AER M OD( AM S/ EPA Reg ulat ory M odel ) 、 ISCST ( In dust rial Source Co mplex Sho rt T erm M odel ) 、 ADM S ( A dvanced Disper sion M odeling Syst em ) 、 ADM S - Ur ban 等, 应 用 于 大 尺 度 的 有 CAL PU FF 等。 ISC 是开发应用较早的模式 , 可模拟简单地形 下的工业污染源[ 3] , 其主要优势在于模式使用的相 对简单性和预测结果的稳固性 , 气象数据的需求量 相对较小 ; 但该模式不能提供大气边界层结构的改 进知识和湍 流扩散过程的结果性预 测
sio n of g aseo us pollutants in different scales, meteor olog y and t erra in conditio ns, pro viding scient ific basis for air mo nito ring , urban env ir onmental planning, and a ir quality predictio n. A comprehensive over view of models being w idely used to simulate the disper sions of industr ial g aseous po llutants in and outside China dur ing r ecent year s w as pr esented. T he suitability of the mo dels under differ ent kinds of conditio ns was compared from the po int of view of applica t ion. F inally, the fo reg ro und o f disper sion models was discussed. Keywords: Indust rial po int source Po llut ants Dispersio n mo dels
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应用 CA LP UF F 分析预
测了我国位于人口稠密区的污染源排放的极细颗粒 和 SO2 对周围 大气环境 的影响。此外 , CAL PU FF 也能评估二次污染颗粒的浓度 , 这是其他以高斯理 论为 基 础的 模 式 所不 具 备 的。 L EVY 等 应 用 CA LP UF F 结合 NOAA 中的气象数据 , 模拟评价了 伊利诺斯州的 9 个电厂排放的一次、 二次污染颗粒 对美国中西部的 影响。宋宇等
环境污染与防治
第 29 卷
第5期
2007 年 5 月
大气污染物扩散模式的应用研究综述*
迟妍妍1 张惠远2#
( 1. 中国环境科学研究院 , 北京 100012; 2. 国家环保总局环境规划院 , 北 京 100012) 摘要
应用大气污染物扩散模式可以模拟不同尺度、 气象、 地形条件下工业污染物在大气 中的输送与扩 散特征 , 为大气监 测、
# 通讯作者。 第一作者 : 迟妍妍 , 女 , 1981 年生 , 硕士研究生 , 研究方向为环境规划与管理。 * 国家自然科学基金资助项目 ( N o. 40401023) 。
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迟妍妍等
大气污染物扩散模式的 应用研究综述
1
基于高斯理论的大气污染物扩散模式应用研究 高斯模式是半经验型扩散模式, 假定下风向的
A review of the development and application of air pollutant dispersion models ning , Beij ing 100012) Abstract:
Chinese Resear ch A cademy of Envir onmental Science, B eij ing 100012; 2. Chines e A cademy f or Envir onmental PlanT he air po llutant dispersio n mo dels w ere used to simulate char acteristics o f transpo rtat ion and diffu-
城市环境规划和空气质量预报等工作提供科学依据。归纳了目前广泛应用于模拟 工业污染物扩 散的模式 , 着重 介绍了近年来国 内 外对这些模式的主要应用研究进展 , 比较了各模式在应用上的优缺点 , 并对大气污染物扩散模式的应用研究前景进行了讨论。
关键词
工业点源
污染物
扩散模式 Chi Yany an 1 , Zhang H uiy uan 2 . ( 1.10 [ 14] [源自13]利用 CAL PU FF
分析了石景山工业区 PM 污染对北京市的影响范 围和大小。 综上所述 , 以高斯模式为基础的扩散模式多数 只适用于模拟中小尺度范围的大气扩散。这是因为 以高斯模式为基础的改进模式一般是稳定态的扩散 模式 , 假定大气在整个模拟区域都是均衡的, 传输和 扩散条件长期不变, 所以不适合模拟大范围的污染 扩散。高斯模式在大多数气象条件下模拟效果都较 合理 [ 15] , 是模拟污染物扩散的经典方法。但也有其 局限性 [ 16] 15, 16 : 高斯 烟流模式假定污染物从污染 源排放出来后立即以直线轨迹输送 , 没有考虑风速 仅有 1 m/ s 或更低的情况, 故当研究区域距离污染 源较远时局限性会很明显 ; 高斯烟流模式不适用 于低风条件 , 由于模拟浓度和风速成反比 , 当风速很 低( 0~ 1 m/ s) 时模拟的浓度值会很高; 模式假定 直线传输轨迹 , 没有考虑受地形影响的风的转向和 上升 , 因此在适中地形区域及稳定状态下 , 这类模式 对地形影响的评价会普遍偏高 ; 高斯烟流模式假 377 定大气在整个模拟区域都是均衡的 , 传输和扩散条
程, 但只能近似模拟静风 ( 风速 < 1 m/ s) 条件下的 NOX 扩散过程。 ISCST 3 在应用中较为流行, 最适合评估工业区 对周围大气环境的影响 , 也是评价大气污染物地面 浓 度 最 常 用 的 模 式。 RAMA KRISH NA 等[ 1] 5395- 5407, [ 10] 应用 ISCST 3 分别对印度维萨卡帕特 南地区的工业园以及海得拉巴市郊的工业园排放的 SO2 和 N OX 的扩散进行了研究, 评估了其对周边大 气质量的影响 ; 并用模拟预测值和浓度观测值验证 模式 , 结果显示模式预测的浓度值和观测值之间有 很好的一致性。李林等 应用 ISCST 3 模拟北京市 八城区内大气污染物浓度的时空分布 , 分析其浓度 分布特征及行业分担率 , 评价能源消耗对未来北京 市空气质量的影响。 CA LP UF F 可模拟气体污 染物的大范围输送, 与同类型模式 ISC3 相比, 由于它采用多点时空变化 的逐时气象场 , 模拟结果更接近实际大气扩散真实 的扩散情况。 ZH OU 等
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。 AER -
M OD 和 ADM S 是 新发 展的 扩 散模 式, 可 以替 代 ISC 使用 。 ADM S - U rban 与 ADM S 的运 算法 则基本相同, 专门应用于模拟城市中的大气污染物 扩散。ISCST 是 ISC 的短期版本, 需要更详细的气象 资料, 用来模拟污染物一小时或几小时的平均浓度。 AERM OD 和 ADM S 相对于 ISC 是新发展的扩 散模式, 不仅可以模拟平坦地形还可以模拟复杂地 形下的大气污染物浓度。 H ANNA 等 通过 5 组野外观测数据模拟了 5 种典型场景, 以评价新模 型 ADM S 和 AERM OD 相对于 ISC3 的改 进程度, 结果表明 : ADM S 的模拟结果比 AERM OD 略好, 并 且两个模式都好于 ISC3; ADM S 是唯一能处理瞬间 排放污染物 的输送和扩散的模式; AERM OD 对地 面源和高架源的情形都适用, 运算时间相对 ADM S 较快。VENKAT RAM 等 利用 AERM OD 预测了 城市小污染源附近地区的地面浓度, 指出该模式可 考虑建筑 物对污 染源 附近 地区 大气 扩散 的影 响。 RIDDL E 等 指出 ADM S 能模拟一个有 效建筑物 对气体传输和扩散的影响 , 但不能评估建筑群对当 地流体场和湍流场的 影响。英国经 常应用 ADM S 评估大型工业区对当地大气污染的影响, 如 CARS L AW 等 应用 ADM S 模拟典型电厂排放的 SO 2 浓 度。 OWEN 等 [ 8] 应 用 ADM S - Urban 计 算了 伦 敦 NOX 和 SO2 的浓度 , 且评价了它们对当地的影响 ; 徐 伟嘉等[ 9] 应用 ADM S - U rban 模拟广州市天河区机 动车尾气排放的 N OX 的扩散过程, 并将模拟结果 与实测值进行对比 , 结果显示 , ADM S - U rban 能很 好地模拟有风( 风速 1 m/ s) 条件下 NO X 的扩散过