环安区域大气光化学网格模型计算系统WSCsystem

1.光化学模型模拟
系统内置中尺度气象模型WRF、排放源模型SMOKE、光化学模型CMAQ/CAMx，可以通过可视化界面操作以上模型，进行光化学模型网格模拟。

2.源解析
通过CAMx的PAST和OAST模块实现源解析功能，可以实现颗粒物PM2.5、臭氧O3的源解析，也可以追踪SO2、NOx等常规污染物。

3.数据提取
系统针对浓度场提供两个表现系统，一个用于符合大气导则的标准要求；一个用于表现源解析结果。同时WRF还提供NCL绘图。

1.1  区域光化学网格模型

区域光化学网格模型：简称网格模型。采用包含复杂大气物理（平流、扩散、边界层、云、降水、干沉降等）和大气化学（气、液、气溶胶、非均相）算法以及网格化的输送化学转化模型，一般用于模拟城市和区域尺度的大气污染物输送与化学转化。

目前应用比较广的两个区域光化学网格模型为CMAQ和CAMx。

1.1.1 空气质量模型CMAQ

Models-3/CMAQ模型是美国环境保护局为了法规制定和研究的需要，与20世纪90年代中期开发的第三代空气质量模型，与1998年7月首次发布，目前的更新版本是2017年的发布的CMAQ 5.2，主要特点如下：

• 大气中各种污染物和污染问题是通过化学反应紧密相关的，Models-3/CMAQ基于“一个大气”的思想，可以同时进行多种污染物和污染物问题（包括光化学反应、颗粒物、酸沉降和能见度等）的模拟计算，并且可以耦合MIMS模型进行跨媒介（土壤、地表水）的模拟。
• Models-3/CMAQ能够进行多尺度、多层网格嵌套的模拟，在空间上具备很好的通用性和灵活性。在使用大网格进行背景场影响分析的同时，可以采用细网格对所关心区域进行模拟研究
• Models-3/CMAQ具备良好的气象接口，能够方便地利用一些气象预报模型（如RAMS模型、WRF）的计算结果，为后继排放和化学转化模块提供较为详细和准确的气象场，也为应用于空气质量预报提供了很好的条件。
• Models-3/CMAQ具有模块化的机构，易于对大气物理、化学过程的机理或算法进行修改和调整，为使用者提供化学反应机理研究的平台。
• Models-3/CMAQ具有很强的开放性。它结合了近年来计算机技术的发展和大气科学的更新研究进展，比如烟羽在网格内初始扩散的算法、更详细的液相化学反应、云雨物理和光化学反应，更高效的数值计算方法以及数据的三维可视化分析。

1.1.2 空气质量模型CAMx

CAMx模式是美国ENVIRON公司开发的第三代三维空气质量模型，可应用于多尺度的、有关光化学烟雾和细颗粒物大气污染的综合模拟研究，并且可利用MM5、WRF等中尺度气象模式提供的气象场，在三维嵌套网格中模拟对流层污染物的排放、传输、化学反应及去除等过程。目前CAMx可提供多个扩展功能，如臭氧源示踪技术、颗粒物源示踪技术、敏感性分析、反应示踪分析、过程分析等。这些扩展模块的使用丰富了目前模式中的使用范围，包括源解析技术、敏感性实验、化学过程分析等均对模式的发展起到了重要作用。

CAMx 通过求解每个体积网格中的每个污染物种的物理化学变化的方程以模拟排放、扩散、化学反应及污染物在大气中的去除。该方程以地面高度（z）坐标的数学表达式如下：

其中，V_H是水平方向风矢量，η 是净垂直传输率，h 是层界面高度，ρ是大气密度，K 是湍流扩散系数。右边的第一项代表的是水平扩散，第二项代表的是净垂直传输，第三项代表了亚格子尺度的湍流扩散。根据化学物种机制同时处理一系列的化学方程式。污染物的去除包括干沉降和湿沉降。

1.1.3 中尺度气象模型WRF

中尺度气象模型为排放源模型和空气质量模型提供气象场数据和基础网格。目前最常用的气象场模型为WRF。

WRF（Weather Research and Forecasting Model）是次世代的中尺度天气预报模式，是以美国国家大气研究中心（NCAR）等美国的科研机构为中心开发的一种统一的气象模式。WRF模式为完全可压缩以及非静力模式，采用F90 语言编写。水平方向采用Arakawa C网格点，垂直方向则采用地形跟随坐标。WRF 模式在时间积分方面采用三阶或者四阶的Runge-Kutta 算法。WRF模式不仅可以用于真实天气的个案模拟，也可以用其包含的模块组作为基本物理过程探讨的理论根据。

WRF运行简要流程见下图

1.1.4 排放源模型SMOKE

SMOKE是空气质量模型源排放前处理系统，可以处理污染源排放数据为空气质量模型CMAQ和CAMx模型所用。SMOKE可以处理点源、面源、线源和生物源。SMOKE主要完成三部分工作，①将各分辨率的污染源数据分配到网格；②将污染物的年排放量数据分配到小时；③根据内置的物种分配化学机制（如CB05、CB06、AERO6等），将污染物分配到具体物种。

1.2  源解析

大气颗粒物来源解析：通过化学、物理学、数学等方法定性或定量识别环境受体中大气颗粒物污染的来源。

目前主流三种研究方法：源清单法、源模型法和受体模型法。

• 源清单法：根据排放因子及活动水平估算污染物排放量，据此 排放量识别对环境空气中颗粒物有贡献的主要排放源。
• 源模型法：以不同尺度数值模式方法定量描述大气污染物从源到受体所经历的物理化学过程，定量估算不同地区和不同类别污染 源排放对环境空气中颗粒物的贡献。
• 受体模型法：从受体出发，根据源和受体颗粒物的化学、物理 特征等信息，利用数学方法定量解析各污染源类对环境空气中颗粒 物的贡献

1.2.1 空气质量模型

源模型法是以不同尺度数值模式方法定量描述大气污染物从源到受体所经历的物理化学过程，定量估算不同地区和不同类别污染源排放对环境空气中颗粒物的贡献。

利用源模型进行来源解析，应根据模式的适用范围、对模型参 数的要求及环境管理的需求进行合理选择。建议依据拟进行源解析的地域范围选择适合的空气质量模型，小尺度采用简易模型，城市和区域尺度采用复杂模型。

简易模型：模拟的物理过程较为简单，对于颗粒物，仅可粗略模拟一次污染源排放的颗粒物的扩散和干湿沉降，建议采用《环境 影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2－2008）推荐的模型：AERMOD、ADMS、CALPUFF。

复杂模型：为第三代空气质量模型，在各污染源排放量（或排放强度）确定的前提下，此类模型包含了污染源追踪模块，可较好模拟颗粒物在大气中的扩散、生成、转化、清除等过程。代表性模式有 Models-3/CMAQ、NAQPMS、CAMx、WRF-chem 等。

对于第三代空气质量模型而言，其不能脱离气象场模型和排放源模型单独运行，现阶段常用的气象场模型为WRF，排放源模型为SMOKE。

1.2.2 颗粒物来源解析方法

大气中的污染物主要分为一次污染物和二次污染物，一次污染物指直接从源排放到大气的污染物质，包括气态污染物（如二氧化硫，二氧化氮等颗粒态的气溶胶（如黑炭，有机碳等）；二次污染物指一次污染物经过化学反应形成的污染物质，同样也有气态污染物（如臭氧等）和颗粒态气溶胶（如硫酸盐，SOA等），其中很多二次污染物是颗粒态气溶胶，这些二次污染物的形成过程十分复杂，往往它们与源的关系是非线性的因此计算它们的源受体关系比较复杂。

颗粒物来源追踪方法（Particulate Source Apportionment Technology, PSAT）是 CAMx 模型的一个重要扩展功能，PSAT 是针对特定源地区和排放源进行的颗粒物源追踪技术，其追踪结果可用于评估和改善模型运行情况，确定对颗粒物浓度有突出贡献的来源，并为颗粒物控制策略的制定提供依据。物种示踪方法是通过对不同类别的源加以标记，然后在整个模拟过程中进行跟踪，以确定这些污染源对受体点污染物浓度的直接贡献。PSAT 正是耦合了物种示踪方法，对各种污染源加入反应性示踪物跟踪污染源的反应过程，对一次、二次颗粒物以及二次颗粒物气态前体物的排放地区和排放源进行追踪。

PSAT追踪的颗粒物种类主要包括硫酸盐、硝酸盐、铵盐、汞粒子、一次和二次有机气溶胶、元素碳、地壳粒子以及其它颗粒物组分。

PSAT 的一个基本的假设是对每类颗粒物追踪其主要的前体物，即硫酸盐粒子追踪硫氧化物的排放，硝酸盐粒子追踪氮氧化物的排放，铵盐追踪氨的排放等等。假如模型中包含了 A 和 B 两个物种，则分别追踪相应的示踪标记 ai 和 bi，而 A 和 B 的所涉及的排放源，初始场和边界场条件中也必须标记了 ai 和 bi。一般条件下，PSAT 每 1 个时间步长 Δt 中模型的反应变化方程式如下所示：

• 物种分解（AB）方程式：

该方程适用于通过化学或物理反应过程 A 的去除；

（2）物种分解（AB）方程式

        式中 B 包含了来自源为前提物 A 的组分，该方程同样适用于来自特定网格的排放或传输产生的 B；

（3）在某些情况下，需要考虑源清单的加权因子 wi，物种分解和生成方程式变为：  

（4））某些气溶胶反应需设置为平衡反应，其反应方程式：

臭氧源解析方法为OSAT，与颗粒物源解析方法一致。

1.2.3 流程

源模型法源解析是建立区域尺度空气质量模拟的基础上，一般步骤如下：

• 确定研究区域，一般为某一个市或者某一个区域。
• 根据研究区域和区域内的敏感目标划分模拟网格
• 收集研究区域和影响区域的污染源清单，并收集或者检测污染源的源谱特征，建立高分辨率的排放源清单。
• 根据划分网格，模拟该区域的气象场
• 将排放源清单和源谱特征输入到排放源模型，如果做源解析，此时可按行业和地区进行污染源分组，通过排放源模型将所有的污染源分配到模拟网格
• 将气象场和排放源文件输入到空气质量模型，设定模拟参数和源解析参数，进行模拟。
• 提取污染物模拟结果和源解析进行分析。

2    环安区域空气质量模拟和源解析系统

环安科技提供了一整套的界面化的区域光化学网格空气质量模型的工具，包括环安中尺度气象模型模拟系统、环安排放源模型模拟系统、环安区域大气模拟系统和环安源解析运行系统。

环安区域光化学网格模型系统均采用C/S模式结构。服务器包括计算服务器、数据库服务器、网页服务器，服务器均配置在Linux系统上，用户通过任意系统的浏览器访问系统。采用普通电脑的浏览器即可，操作系统支持Win7、Win10、Linux，浏览器支持谷歌Chrome、搜狗浏览器等

2.1  环安中尺度气象模型模拟系统

环安中尺度气象模型模拟系统是以中尺度气象模型WRF为核心的一套系统，核心目标是为排放源模型、空气质量模型模拟提供气象场。

环安中尺度气象模型模拟系统，具备WRF模型的一整套功能，包括原始气象数据下载、数据资料同化、模型模拟、数据转换、气象场图形查看等一系列功能。

• 用户管理，系统将用户区分为普通用户和管理员，管理员用以管理基础数据和用户，普通用户用来构建模拟项目。
• 数据管理，WRF模拟过程需要地形数据、土地利用数据、再分析数据和同化数据等，数据管理提供配置、下载数据功能。
• WRF模拟功能，提供一整个WRF模拟流程，包括投影和网格设定、嵌套方式、模拟时间、积分步长、数据同化等设定。
• GIS，系统提供网页GIS功能，可以将用户设定的与GIS相关的参数进行直观 显示。
• NCL绘图：采用NCL绘图程序，提供气象图作图功能。
• 数据转换：通过CALWRF模型将数据转换为AERMOD模型和CALPUFF模型所需的数据格式。

系统截图

模拟图示：

2.2  环安排放源模型模拟系统

环安排放源模型模拟系统是以SMOKE模型为核心，具备污染源导入、分配管理、气象场导入等功能。具体描述如下：

• 污染源分类，可定义的4-5级源分类，系统自带一套常用的5级源分类系统，并设置了自动关联，方便用户定义源分类。
• 时间分配数据库，将时间分配数据按年-月，月-周，日-小时分到三个数据库中，用户可以预先在数据库中定义常用的分配数据，供所有项目调用。
• 空间分类数据库，空间分配可将源分类分配到某一个空间数据特征，空间分类数据库中可定义空间数据特征，如运输道路、城市道路、工业区分布、裸露土地、耕地等，每一类数据特征可定义多个GIS文件。
• 物种分配数据库，系统以美国5为基础，将CMAQ模型和CAMx模型物种分配数据做成物种分配数据库放置到系统中，物种分配数据主要为VOC和PM2.5分配方式。
• 分配管理，将源分类按地区与时间分配数据、物种分配数据和空间分配数据相连接，就可以将源排放清单分配到网格。
• 点源模块，提供基本的污染源添加、编辑删除等功能，并提供EXCEL导入污染源，污染源查询显示等功能。
• 面源模块，面源的排放源清单以行政区为单位进行统计，可以输入多个源分类的排放，系统提供了定义行政区，导入污染源、查询显示等功能。
• 气象模块：与环安中尺度气象模拟系统相连接，直接导入气象模块建立的项目就可以导入气象场数据及其依赖的时间和网格。
• 污染源分组功能：实现污染源按污染源类分组和按行政区分组，为源解析解析提供必需的分组数据。

2.3  环安区域尺度空气质量模拟系统

环安区域尺度空气质量模拟系统是以CMAQ、CAMx两个模型为核心，可以接收气象模拟系统和排放源系统传递过来的数据，结合系统内置的处理，可以方便的运行空气质量模拟。

• 气象场和排放源的快速导入，区域空气质量模拟和气象场模拟以及排放源模拟是一体化处理的，用户只需要导入排放源的项目，系统就可以读取网格、气象、排放源等所有的人为输入数据。
• 离散点，设定研究区域关注的敏感点
• 自动处理，环安域尺度空气质量模拟系统可以自动处理其他模块的数据，包括初始源模块、边界源模块、气象数据模块等。空气质量模拟满足上述两点要求后就可以运行。

2.4  源解析工具

系统通过CAMx的PAST和OAST模块实现源解析功能，需要以下数据支持。

• 排放源类分组，在排放源系统中设置了5级源分类，可将5级源分类中的任意分级进行分组。
• 排放源分区，在排放源系统中可按省、地级市、县级市行政区划分污染源区域，形成排放源地区分组。
• 追踪点位，设定源解析的敏感点。
• 追踪的污染物，设置CAMx追踪的污染物，包括硫、氮、颗粒物、臭氧等。