美国环保局第三代空气质量预报和评估系统

美国环保局第三代空气质量预报和评估系统•根据各模式的设计理念与考虑的参数不同，将目前的空气品质模式略分为三代：•第一代主要为扩散模式(dispersionmodel)与箱型模式(boxmodel)：此类代表模式如有名的ISC与EKMA模式等；•第二代模式则加入较为复杂的气象参数与反应机制，以使模拟的环境与实际大气较为吻合，由于模式主要将整体空间进行网格的细分，因此亦称为三维网格模式，代表的模式有UAM,CAMx,TAQM,RPM等等。在应用上，第一代模式仅可模拟原生性污染物的扩散及简易的反应性轨迹，而第二代模式虽然可以仿真较为复杂的反应机制，不过由于其设计主要分别针对光化反应之气态污染物(如TAQM)或固态污染物(如RPM)，因而其模拟的结果通常仅为单一介质（气相或固相）之输出浓度。•然而大气中各污染物间具有相当复杂的反应行为，气固相之间亦有转换的作用，例如氮氧化物除了可参与光化反应而造成臭氧之累积效应外，其最终产物HNO3亦易与大气中之碱性物质形成微粒，则导致酸性沉降与能见度的问题等等。为了将所有的大气问题均考虑进模式之中，即所谓一个大气的观念(one-atmosphere)，因而美国环保署近来极力推动第三代空气品质模式，通称为Models-3。•Models-3可在一次模拟工作之中，即完成臭氧、悬浮微粒(PM)及沉降作用的模拟。•Models-3（Third-GenerationAirQualityModelingSystem），由美国EPA于1998年6月首次公布，Models-3的核心称为CommunityMultiscaleAirQuality(CMAQ)ModelingSystem，因而也通称为Models-3/CMAQ模式。•CMAQ最初设计的目的在于将复杂的空气污染情况如对流层的臭氧、PM、毒化物、酸沉降及能见度等问题综合处理。此外，CMAQ亦设计为多层次（multi-scale）网格模式。所谓多层次网格即是将仿真的区域分成大小不同的网格范围来分别仿真，与urbanairquality或regionalairquality并不相同。由于CMAQ具有多层网格，并且需要大尺度的气象模式，因此CMAQ需要以MM5气象模式提供仿真时所需的气象资料。Models-3的特征•所谓的『箱型模式』，亦即是假设大气为一个箱子，而当有污染物排放进入这个箱子时，就假设该污染物『完全均匀混合』在于此箱子中，那就是最基本的『箱型模式』的原型了！•由于箱型模式假设整个大气只为一个大的『箱子』并不适合，因为大气中可能由于气象因素或者其它的地形因素，将导致污染物排放进大气候无法『马上均匀混合』于大气中，尤其在该大气范围很大的时候。后来的模式中，就将该大气切割成更多的箱子，也就是将原本的『一个箱子』变成了『多个箱子』，并且分为X,Y,Z三轴来切割各个箱子，因此就成为所谓的『网格模式』，因为一格一格的！另外，也有称为『三维网格模式』。•最大的问题是来自于边界值问题（BoundaryCondition）。•因为箱型模式的边界层通常是不变的，如果这样的话，那么太靠近边界层的时候，将导致模拟的结果受边界层影响太大！•为改善此一问题，因而逐渐发展出多层次网格的概念。因为既然边界值是影响模拟结果的一个大问题，那我们将网格扩大到很远的地方去，那么边界的影响不就变小了！不过，由于增加网格将导致CPU运算的时间加长，如果将整个网格扩大，运算的时间可能会长到我们无法接受的地步。因此就有多层次网格的发展了。•所谓多层次网格，就是在实际的模拟区域之外，先对较大的网格进行模拟，以取得小网格的边界条件，进而使小网格的准确度提高！这样做有几个好处，例如：1.在大网格时总网格数变少了，所以运算时间就可以有效的减低；2.而在小网格部分，由于边界层条件是由外层网格仿真所提供的，并非固定值，则可以增加网格的准确度！困扰？•Models-3/CMAQ的最大特色即在『一个大气』(One-Atmosphere)的观念。传统的模式中，大多仅针对单一物种或单相物种进行模拟，例如RADM2(RegionalAcidDepositionModel)主要针对气态的光化物；RPM(RegionalParticulateModel)则主要针对固态污染物进行模拟。然而实际的大气中，所有的物种均具有紧密的相关性，例如：与臭氧累积具有高相关性的NOx，其最终产物为HNO3，而HNO3实际上与酸沉降及悬浮微粒之硝酸盐(nitrate)成分相关性甚高；另一个与臭氧累积有关的VOCs物种，在光化的过程中，亦会产生有机碳的固态成分；此外，在气固相转换的过程中，由于形成的粒状物粒径均甚小，亦容易阻碍光线的行进而造成能见度的问题。在白天主要由OH自由基所引发的光化反应机制中，不但可造成臭氧问题，亦与悬浮微粒、酸性沉降、能见度问题具有密不可分的相关性，故整个简化的光化相关现象如下图所示。Models-3即是建立在one-atmosphere的架构上所开发的模拟工具。Models-3的架构简介•Models-3之主要运算核心称为CommunityMulti-ScaleAirQuality(CMAQ)modelingsystem，整体Models-3之运作如下图所示。主要的流程为：由MM5取得之气象资料与SMOKE运算之排放量资料，最后均输入CMAQ中，以进行化学机制的模拟。MM5气象模块：Models-3所使用的气象资料为MM5气象模式所提供。模式所需要的网格经纬度资料、高层资料、垂直分层、土地利用型态、大气压力及云雾资料等等，均由MM5模式所提供。不过需要特别留意的是，Models-3本身并不提供MM5仿真的相关模块，亦即MM5为独立于Models-3的一个模式，由于Models-3需要MM5来进行气象资料的提供，因此在进行Models-3之前，需要先取得MM5的资料。在取得MM5数据后，以Models-3的MCIP（Meteorology-ChemistryInterfaceProcessor）模块进行资料的格式转换（转成I/OAPI格式）。MM5提供的资料约有：o仿真区域的网格资料（网格大小及网格尺寸等）；o仿真的时间（使用Juliandate的时间设定）；o垂直分层（使用sigmalayer作为垂直分层的基准）；o地形资料（使用Lambert投影法）；o温压等气象资料。•o仿真区域的网格资料（网格大小及网格尺寸等）；o仿真的时间（使用Juliandate的时间设定）；o垂直分层（使用sigmalayer作为垂直分层的基准）；o地形资料（使用Lambert投影法）；o温压等气象资料。SOMKE排放源模块：•在Models-3的官方网站中，针对排放源的部分以MEPPS（Models-3EmissionProcessingandProjectionSystem）模块来进行，不过此一模块在Sun工作站上执行效率却不理想，并需要昂贵的SAS及Arc/Info等软件支持。最新版的排放量数据处理模块已于2001年05月释出（US-EPA已于2001年8月释出SMOKE的操作手册），称为SMOKE（SparseMatrixOperatorKernelEmissionSystem），这个排放量处理模块不但免费，并且已包含SAS与Arc/Info的功能在其中。•SMOKE模式的特色为：此模式包含了固定源、移动源、面源及生物源的处理模块，可将排放源分成四种情况分别处理，此外，此模式支持IDA（InventoryDataAnalyzer）格式，因而排放源前处理亦变的单纯。由于台湾地区使用的排放量数据库（TEDS4.2）已将排放源分成点、线、面源，其中，移动源以面源的型态表示之，因此仅需以固定源、面源与生物源之资料型态进行排放量处理即可。CMAQ模块o初始值模块（Initialconditionsprocessor(ICON)）；o边界值模块（Boundaryconditionsprocessor(BCON)）；o光解速率常数模块（Photolysisrateprocessor(JPROC)）；o化学反应机制处理（CMAQChemical-transportmodelprocessor(CCTM)）。BCON/ICON：初始值与边界值条件根据模拟的状况，可分为固定值与由外层网格提供的型态，通常固定值为最外层网格的输入型态，至于内层网格则以外层的仿真结果带入，以增加模式的准确度。在气象资料与排放库资料模块处理完毕之后，便进入Models-3的核心CMAQ模块处理。CMAQ中，主要包含下列数个模块：•JPROC：另外，在光解速率模块中，主要以纬度坐标与季节进行干净天空的光解速率常数计算，至于云程序则包含在CCTM（化学反应机制）当中，亦即云程序所造成的光解速率常数变化，将于CCTM进行时才开始计算。•CCTM：在CCTM这个化学机制模块中，共包含有下列数种机制：o垂直对流效应o水平对流效应o垂直扩散效应o水平扩散效应o云程序机制o气相化学反应机制o液相化学反应机制与云混合模式机制o气悬胶动力与粒径机制o烟流化学效应（主要为PlumeinGrid作用）o气胶干沉降速率仿真o模式流程分析模块•进行一次完整的Models-3模拟时，所需要的输入资料计有：oMM5气象资料o排放源资料o最外层网格之初始值与边界值o光解速率常数（由Models-3的JPROC模块提供）o模式编译过程中，使用者设定参数•第一代系统：采用Gauss烟流公式作为预报基础，预报局地范围内对流层空气中少数污染物。•第二代系统：在空间范围以及污染物种类上都有所增加，空间范围发展到局地、城市和地区三种尺度。但在每一种空间范围内，只能采用一种预报方法处理某一种特定的污染物。•第三代系统：在空间范围上扩展到大陆尺度，并可以同时预报多种污染物，在预报方法上加入了化学物和气象要素之间的反馈作用。•未来第四代系统：尽可能考虑气圈、水圈、地圈和生物圈之间的相互作用。•Models-3的应用•1）日常的空气质量预报•2）进行环境评估及环境控制决策•3）空间范围：局地、城市、地区和大陆•4）预报80多种污染物•Models-3的空气质量预报与分析系统•一.气象模式(MM5)•为排放模式以及CMAQ提供气象场数据资料，如大气运动状况、气压场、湿度场、温度场、动量和热量、湍流扰动特征量、云和降水、大气辐射特征等。通常采用美国国家大气研究中心（NCAR）和宾夕法法尼亚州立大学联合研制的第5代中尺度气象模式系统MM5。•二.排放模式系统(SMOKE)•根据周围环境的气象条件和社会经济活动对空气中污染源的排放情况进行计算，为CMAQ提供排放源数据资料。•三.通用多尺度空气质量模式(CMAQ)•利用气象模式和排放模式系统对城市或区域尺度的对流层臭氧、能见度和颗粒物等物理和化学过程进行预报和模拟。有一个可视化和分析系统，可以对Models-3的三大模式的输出结果进行处理并画图。•MM5包括5个模块•1）TERRAIN：根据要求选择进行空气质量预报要求定义的模式的水平、垂直格点范围、地图投影、坐标系等，并可将相应的地形高度资料、地表类型资料插值到模式的网格点上。•2）DATAGRID：将气象资料插值到MM5网格点上，为模式提供基本的气象场资料。•3）RAWINS：以客观分析的方法利用一些非常规的气象资料对原来基本气象场资料进行修正以提高初始资料的质量•4）INTERP：前三个过程得到的格点资料都是等压面上的，而在MM5预报模式中的垂直坐标是坐标系，利用这个模块实现转化•5）MM5：气象预报模式，将INTERP模块输出的资料输入MM5模式运行得到空气质量预报模式系统所需要的气象背景场资料。•排放模式系统主要完成两个工作：•1）将排放数据资料内插到模式网格点上•2）把排放数据资料的时间尺度转化为小时。•此外它还根据用户选择的化学机制对排放数据资料进行化学分类•CMAQ包括如下模块：•1.化学输送模块CCTM：•2.气象模式系统与化学模式系统之间的连接处理界面（MCIP）•3.排放模式系统与化学输