李城鎬　烏云

摘要：環(huán)境影響評價軟件在環(huán)境監(jiān)測中主要對污染源擴(kuò)散現(xiàn)象和污染物濃度大小進(jìn)行預(yù)測，其功能是運(yùn)用數(shù)學(xué)方法把點(diǎn)源污染物擴(kuò)散到范圍進(jìn)行分析。本文主要探討了大氣環(huán)境評價軟件中AERMOD模型的應(yīng)用機(jī)理和國內(nèi)外的發(fā)展以及應(yīng)用現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前狀況下模型的缺陷并通過模型的耦合給予完善。

關(guān)鍵詞：AERMOD；環(huán)境評價；耦合；進(jìn)展

近年來，由于霧霾天氣和PM2.5，大氣污染受到廣泛關(guān)注，也使大氣污染物的特征、擴(kuò)散和傳輸研究成為環(huán)境科學(xué)研究熱點(diǎn)。其中，模型模擬污染物在大氣中的擴(kuò)散、輸送過程，探究其遷移規(guī)律對污染源控制和管理具有重要意義[1]?？諝赓|(zhì)量模型（AQM，Atmospheric Quality Model）使用數(shù)學(xué)方法結(jié)合氣象學(xué)原理，在水平和垂直方向模擬部分區(qū)域空氣質(zhì)量[2]，對空氣質(zhì)量問題和污染物的擴(kuò)散進(jìn)行模擬預(yù)測，主要應(yīng)用于典型污染物控制、環(huán)境容量規(guī)劃、區(qū)域污染治理等環(huán)境問題。目前，AQM在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，并日益成熟。AQM環(huán)境影響評價模型有AERMOD（Atmospheric Management System/Environmental Protection Agency Regulatory Model）[3]、ADMS（Atmospheric Dispersion Management System）[4]、CALPUFF（California Puff Modeling System）[5]等，這些模型的共同特點(diǎn)是對點(diǎn)源污染在氣象條件影響下的污染擴(kuò)散范圍和濃度進(jìn)行預(yù)測，并以圖表和數(shù)據(jù)的形式直觀地表達(dá)污染物擴(kuò)散趨勢，對于大氣污染的管理和治理起到不可忽視作用。其中AERMOD模型輸入?yún)?shù)簡潔明了，模型參數(shù)精煉規(guī)范，輸出文件和格式靈活多樣，圖形界面可視化程度高，方便預(yù)測分析[6]，其能夠較為準(zhǔn)確反映大氣污染物的輸送和擴(kuò)散過程，從而得到廣泛應(yīng)用[7]。然而，與大多數(shù)模型一樣，使用者不能夠較好的理解其機(jī)理和應(yīng)用條件，從而使其應(yīng)用受到限制或出現(xiàn)預(yù)測誤差。

本文介紹了AERMOD模型的機(jī)理和適用條件，總結(jié)了該模型近年來的國內(nèi)外應(yīng)用進(jìn)展，探討了在我國應(yīng)用中存在的問題和提升模型性能的建議。

1 AERMOD系統(tǒng)簡介

AERMOD模型是在美國EPA（AMS/EPA）在ISC3（Industrial Source Complex Model）基礎(chǔ)上建立開發(fā)的，并逐步取代了ISC3模型[8]。該模型假設(shè)污染物濃度服從高斯模式，用于模擬各地區(qū)污染物濃度分布，通過結(jié)合氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣擴(kuò)散預(yù)測。AERMOD模型具有下述特點(diǎn)：（1）以行星邊界層PBL（Planetary Boundary Layer）湍流結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，按空氣湍流結(jié)構(gòu)和尺度概念；（2）對流條件下，以非正態(tài)PDF格式表示中等浮力通量；（3）包括煙羽、頂層之間的相互影響；（4）對簡單地形和復(fù)雜地形進(jìn)行了一體化處理；（5）包括夜間城市邊界層的算法[910]。

2 AERMOD應(yīng)用機(jī)理

AERMOD模型在預(yù)測計算之前，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理分析，包括氣象預(yù)處理、建筑物下洗預(yù)處理、地形預(yù)處理等，通過系統(tǒng)模塊處理氣象場和控制高度，對污染物濃度進(jìn)行模擬預(yù)測分析。AERMOD系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖所示。由圖可見，地表數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)初步進(jìn)行處理后，得到邊界層參數(shù)和廓線數(shù)據(jù)，其結(jié)合數(shù)字高程文件得到的地形處理文件，輸入到AERMOD系統(tǒng)中，最終可輸出預(yù)測結(jié)果。地表數(shù)據(jù)可在當(dāng)?shù)剡M(jìn)行收集，高空氣象數(shù)據(jù)采用中尺度氣象數(shù)據(jù)生成，也可輸入NWS（國家氣象局）的常規(guī)氣象資料生成。輸入?yún)?shù)主要包括每小時云量觀測數(shù)據(jù)、氣象觀測數(shù)據(jù)，如風(fēng)、速度和方向，溫度/露點(diǎn)、濕度和海平面氣壓。AERMAP采用網(wǎng)格地形數(shù)據(jù)處理計算預(yù)測區(qū)域的地形高度數(shù)據(jù)。其中AERMET邊界層廓線數(shù)據(jù)通過輸入AERMOD系統(tǒng)，對邊界層廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)差，計算相似參數(shù)。將處理后的數(shù)據(jù)輸入AERMOD模型，得出污染物濃度預(yù)測結(jié)果。

3 AERMOD模型應(yīng)用

AERMOD模型在我國各地區(qū)進(jìn)行了部分地區(qū)點(diǎn)源、面源污染物預(yù)測，并結(jié)合了其他模型預(yù)測軟件進(jìn)行輔助分析，通過輸入收集的大氣、地面氣象數(shù)據(jù)，取得的預(yù)測結(jié)果相對合理，具體應(yīng)用情況匯總見表1。

由表1可知，近年來，我國部分城市和區(qū)域應(yīng)用AERMOD模型進(jìn)行了不同目的的環(huán)境影響預(yù)測，預(yù)測的污染物主要包含了顆粒態(tài)和氣態(tài)污染物，輸入的參數(shù)主要為氣象、地形、排放量或交通量，預(yù)測的區(qū)域涉及到污染較重的工業(yè)園區(qū)、電廠周圍以及城市大氣環(huán)境，模型驗證較為合理。然而，由于氣象數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)收集的難度等原因，我國只進(jìn)行了小部分污染地區(qū)和個別污染物的預(yù)測，以及部分工業(yè)園區(qū)和部分城市的環(huán)境容量分析，并未進(jìn)行大量的環(huán)境大氣和多種污染物的預(yù)測預(yù)報中。另外，我國大氣模型基本都直接或漢化后應(yīng)用國外模型，缺乏模型的研發(fā)能力，尤其在針對我國氣象、環(huán)境特殊性以及數(shù)據(jù)不健全的條件下的模型亟待開發(fā)。

國外監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)成功應(yīng)用AERMOD模型，甚至把AERMOD作為大部分地區(qū)污染物標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測模型，其預(yù)測準(zhǔn)確率比較高，匯總見表2。

表2可見，國外監(jiān)測預(yù)報系統(tǒng)應(yīng)用AERMOD的已有成效，它通過結(jié)合其它模型，得到了較準(zhǔn)確的預(yù)測結(jié)果。其應(yīng)用領(lǐng)域不僅局限在煉油廠、鋼鐵廠、核電站和交通樞紐帶等傳統(tǒng)污染源，還應(yīng)用在火山等自然源的預(yù)測當(dāng)中。該模型不僅對大氣氣態(tài)污染物和顆粒態(tài)污染物濃度范圍進(jìn)行預(yù)測，同時對Pb、Hg等重金屬濃度進(jìn)行預(yù)測。可見其預(yù)測對象較為廣泛。其中風(fēng)速參數(shù)在模型預(yù)測過程中較為重要，在穩(wěn)定低速條件下，模型具有良好的預(yù)測性，風(fēng)速較高時預(yù)測偏差較大[33]。國外通過與ISC（Industrial Source Complex）、GIS（Geographic Information System）、MOVES（Motor Vehicle Emission Simulator）等建立耦合模型提高了模型的預(yù)測準(zhǔn)確性和靈活性。應(yīng)用AERMOD預(yù)測生成的數(shù)據(jù)主要用于研究調(diào)查、污染城市應(yīng)用治理分析，以及排放閾值的分析。另外，發(fā)達(dá)國家有足夠的污染源數(shù)量、排放量、地形地貌和氣象等的大量可靠數(shù)據(jù)，從而使其預(yù)測準(zhǔn)確率達(dá)到較高水平。

4 AERMOD模型缺陷與完善

AERMOD模型預(yù)測結(jié)果與實測數(shù)值相關(guān)系數(shù)較高，但也存在缺陷，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）AERMOD適用條件受限，僅可用于50公里范圍內(nèi)的空氣質(zhì)量模型預(yù)測。其在復(fù)雜地形、特殊氣候條件下不適用。在大范圍內(nèi)的預(yù)測可通過其他模型耦合分析進(jìn)行改善。

（2）氣象收集系統(tǒng)發(fā)展不健全或所得氣象數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，會使預(yù)測結(jié)果偏差增大。國內(nèi)外氣象數(shù)據(jù)主要應(yīng)用中尺度氣象模式進(jìn)行收集，基于預(yù)測所處氣象站監(jiān)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過對主要污染物預(yù)測與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對檢驗其準(zhǔn)確度。

針對以上問題的解決途徑為模型與模型的耦合。AERMOD模型常常結(jié)合中尺度氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)實際情況選擇合適的氣象模式，通過收集的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出分析，可避免以上的困難和限制，可提高預(yù)測的準(zhǔn)確度[17]。用WRF輸出高空氣象數(shù)據(jù)，耦合WRF與AERMOD用于提高模型的性能，從而提高該模型預(yù)測準(zhǔn)確性。此方法可以解決現(xiàn)階段我國部分地區(qū)氣象資料不足，難獲取的問題。 另外，AERMOD模型也可與CALPUFF建立耦合模型，進(jìn)而擴(kuò)大分析預(yù)測的范圍和靈活性，解決風(fēng)速條件下模型預(yù)測不準(zhǔn)確的難題。

（3）此外，AERMOD在空間擴(kuò)散和綜合預(yù)測分析相對薄弱，可用GIS軟件對AERMOD預(yù)測結(jié)果進(jìn)行疊置分析[42]，增強(qiáng)模型預(yù)測性能。在道路排放污染物預(yù)測時，可以與MOVES耦合，通過對比分析污染物排放清單，分析出排放閾值，擴(kuò)大模型的適用范圍。

5 結(jié)論與展望

AERMOD模型由于其界面簡潔，操作方便，系統(tǒng)靈活、直觀。該模型具有較好的預(yù)測性能，可以與其它模型耦合進(jìn)行性能的擴(kuò)充和完善。該模型在國內(nèi)外開展了較大量研究，模型預(yù)測結(jié)果較為準(zhǔn)確。目前，由于氣象資料收集不完善，該模型不能精確的表示穩(wěn)定邊界層的湍流特征[9]，在大氣預(yù)測過程中由于湍流不穩(wěn)定的特性，導(dǎo)致模型預(yù)測偏差。同時AERMOD在空間顯示和綜合分析功能存在缺陷，在復(fù)雜氣候條件缺乏輔助分析，難以進(jìn)行模型預(yù)測。建議通過耦合WRF、MM5、CALPUFF與AERMOD以及應(yīng)用ArcGIS進(jìn)行疊置分析，進(jìn)一步提高模型的性能，解決現(xiàn)階段我國部分地區(qū)氣象資料不足難獲取的問題和解決復(fù)雜氣候條件下無法預(yù)測的難題。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬潔云，易紅宏，唐曉龍.空氣質(zhì)量模型的發(fā)展及研究進(jìn)展[J].上海環(huán)境科學(xué)，2014，1：1723.

[2]薛文博，王金南，楊金田.國內(nèi)外空氣質(zhì)量模型研究進(jìn)展[J]HYPERLINK"http：//epub.cnki.net/kns/detail/detail.aspx？QueryID=0&CurRec=1&recid=&FileName=HJKD201303006&DbName=CJFD2013&DbCode=CJFQ&pr="＼t"_blank".環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2013，3：1420.

[3]王海超，焦文玲，鄒平華. AERMOD大氣擴(kuò)散模型研究綜述[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2010，11：115119.

[4]劍橋環(huán)境研究公司（CERC）. MS-EIA User Manual [M]. Cambridge，2002，11.

[5]伯鑫，丁峰，徐鶴.大氣擴(kuò)散CALPUFF模型技術(shù)綜述[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2009，3：913+27.

[6]孫璐，蔡娟. AERMOD與EIAA大氣預(yù)測模型在環(huán)境影響評價中的應(yīng)用比較[J].環(huán)境污染與防治，2008，10：9295.

[7]國家環(huán)境保護(hù)部. HJ2.22008環(huán)境影響技術(shù)評價導(dǎo)則—大氣環(huán)境[S].北京：中國科學(xué)出版社，2008.

[8]江磊，黃國忠，吳文軍.美國AERMOD模型與中國大氣導(dǎo)則推薦模型點(diǎn)源比較[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2007，20（3）：4551.

[9]楊多興，楊木水，趙曉宏. AERMOD模式系統(tǒng)理論[J].化學(xué)工業(yè)與工程，2005，2：130135.

[10]聶邦勝. 國內(nèi)外常用的空氣質(zhì)量模型介紹[J].海洋技術(shù)，2008，1：118121+132.

[11]丁峰，蔡芳，李時蓓.應(yīng)用AERMOD計算衛(wèi)生防護(hù)距離方法探討[J].環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2008，5：5659.

[12]陳琳，陳英，宋華豐. AERMOD大氣預(yù)測模型在醫(yī)化園區(qū)惡臭環(huán)境影響中的預(yù)警應(yīng)用[J].綠色科技，2013，11：215217.

[13]王小燕.AERMOD在區(qū)域大氣環(huán)評中的應(yīng)用研究[D].蘭州大學(xué)，2013.

[14]劉夢，伯鑫. CALPUFFAERMOD大氣預(yù)測模式耦合系統(tǒng)[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理，2012，7：118123.

[15]楊洪斌，張云海，鄒旭東. AERMOD空氣擴(kuò)散模型在沈陽的應(yīng)用和驗證[J].氣象與環(huán)境學(xué)報，2006，1：5860.

[16]丁峰，李時蓓，蔡芳.AERMOD在國內(nèi)環(huán)境影響評價中的實例驗證與應(yīng)用[J].環(huán)境污染與防治，2007，12：953957.

[17]李征.基于AERMOD模式的岑鞏工業(yè)園控制性詳規(guī)大氣環(huán)境影響研究[D].廣州大學(xué)，2013.

[18]趙偉，范紹佳，謝文彰. AERMOD和CALPUFF對沿海電廠煙氣擴(kuò)散模擬對比研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2015，3：189194.

[19]楊軍. AERMOD模式在火電廠大氣環(huán)境影響預(yù)測中的應(yīng)用[J].三峽環(huán)境與生態(tài)，2013，S1：3539.

[20]李冰晶，仝紀(jì)龍，等.利用AERMOD預(yù)測焦化行業(yè)大氣環(huán)境影響實例分析[J].環(huán)境工程，2013，5：156160+131.

[21]邱兆文，鄧順熙，郝艷召.基于AERMOD模型評估公路交通源PM2.5的濃度分布[J].安全與環(huán)境工程，2014，3：6569.

[22]李煜婷，金宜英，劉富強(qiáng). AERMOD模型模擬城市生活垃圾焚燒廠二噁英類物質(zhì)擴(kuò)散遷移[J].中國環(huán)境科學(xué)，2013，6：985992.

[23]丁娜，陳亞琳，王清芬. AERMOD模型在區(qū)域環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)測中的應(yīng)用研究[J].山東科學(xué)，2011，4：5863.

[24]馬潔云，易紅宏，唐曉龍.基于AERMOD及減排政策的昆明市工業(yè)區(qū)SO2情景模擬[J].中國環(huán)境科學(xué)，2013，10：18841890.

[25]劉培，王莉，張培.模型模擬在城市SO2環(huán)境容量測算中的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2013，6：143149.

[26]方鏡堯.供暖期大氣顆粒物的預(yù)報模型及空間分布模擬[D].蘭州大學(xué)，2014.

[27]YiHsuan Shih， ChaoHeng Tseng. Cobenefits of mercury reduction in Taiwan： a case study of clean energy development. Sustain Sci 2015 10：61–73.

[28]F. Jafarigol， F. Atabi1， F. Moattar. Predicting ambient concentrations of NO2 in a gas refinery located in South Pars Gas Complex. Int. J. Environ. Sci. Technol.， 2016 13：897.

[29]Yang Duoxing， Chen Gangcai， YU Yunjiang. Intercomparison of Aermod and ISC3 modeling result to the Alaska tracer field experiment. Chinese J Geochem.， 2006 2：182185.

[30]Pamela Funderburg Heckel， Grace K. LeMasters. The Use of AERMOD Air Pollution Dispersion Models to Estimate Residential Ambient Concentrations of Elemental Mercury. Water Air Soil Pollut.， 2011. 219：377–388.

[31]Judi Krzyzanowski. Approaching Cumulative Effects through Air Pollution Modelling. Water Air Soil Pollut.， 2011 1：253–273.

[32]Maurizio Onofrio， Roberta Spataro， Serena Botta. Deposition fluxes of PCDD/Fs in the area surrounding a steel plant in northwest Italy. Environ. Monit. Assess.， 2014 6：3917–3929.

[33]Wenjun Qian， Akula Venkatram. Performance of SteadyState Dispersion Models Under Low WindSpeed Conditions. BoundaryLayer Meteorol.， 2011 3：475–491.

[34]Mohsen Asadi， Gholamreza Asadollahfardi， Hossayn Fakhraee. The Comparison of Lagrangian and Gaussian Models in Predicting of Air Pollution Emission Using Experimental Study， a Case Study： Ammonia Emission. Environ. Model Assess.， 2016 10：110.

[35]S F Jenkins， S Barsotti， T K Hincks. Rapid emergency assessment of ash and gas hazard for future eruptions at Santorini Volcano， Greece. Jenkins et al. J. Applied Volcanol.， 2015 4：16.

[36]Abubakar Sadiq Aliyu， Ahmad Termizi Ramli， Muneer Aziz Saleh. Environmental impact assessment of a new nuclear power plant （NPP） based on atmospheric dispersion modeling. Stoch Environ Res Risk Assess.， 2014 7：1897–1911.

[37]B. Vijay Bhaskar， R. V. Jeba Rajasekhar， P. Muthusubramanian. Measurement and modeling of respirable particulate （PM10） and lead pollution over Madurai， India. Air Qual. Atmos. Health 2008 1：45–55.

[38]Sunil Gulia， Akarsh Shrivastava， A. K. Nema Mukesh Khare. Assessment of Urban Air Quality around a Heritage Site Using AERMOD： A Case Study of Amritsar City， India. Environ Model Assess.， 2015 6：599608.

[39]W. L. Freddy Kho， J. Sentian， M. Radojevi. Computer simulated versus observed NO2 and SO2 emitted from elevated point source complex. Int. J. Environ. Sci. Tech.， 2007 4（2）：215222.

[40]Pramila Goyal， Dhirendra Mishra， Anikender Kumar. Vehicular emission inventory of criteria pollutants in Delhi. Earth Environ. Sci.， 2013， 2：216.

[41]D. Lavee， A. Moshe， O. Menachem. Analyzing Current and Expected Air Quality and Pollutant Emissions Across Israel. Water Air Soil Pollut.， 2015 226：416.

[42]劉海涵，朱勃，韓熙，李兵.基于GIS的AERMOD大氣擴(kuò)散模型在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].三峽環(huán)境與生態(tài)，2013，3：3337.

項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目（110570）資助