几种大气预测模式预测结果比较分析

刘 枫，江雅丽，赵可卉

(轻工业环境保护研究所，北京 100089)

1 引言

2008年12月31日，中华人民共和国环境保护部发布了HJ2.2-2008《环境影响评价技术导则大气环境》［1］(以下简称“大气导则”)，推荐了一种估算模式和3种进一步预测模式，分别为估算模式、AERMOD模式系统、ADMS模式系统、CALPUFF模式系统，为建设项目及规划环境影响评价大气环境影响预测评价工作提供技术支持。不同的预测模式，其内核及适用条件各有不同，预测结果也会有所不同。一般工业类环评项目常见的大气排放源形式包括点源和面源，根据大气导则确定的预测范围通常小于50km，常用的进一步预测模式为AERMOD模式系统和ADMS模式系统。多数环评单位只使用大气导则中推荐的某一种进一步预测模式开展相关环评工作，对预测模式的选用及不同预测模式之间预测结果的差别有待更加系统的了解。此外，地形条件可能会对大气预测结果产生较显著的影响。因此，本文选用估算模式(Screen3System)、AERMOD模式系统 (EIAProA)、ADMS模式系统 (ADMS4，即 ADMS-Industrial)，在大气导则所定义的简单地形和复杂地形两种条件下，结合一般工业类环评项目中常见的点源、面源案例，对不同预测模式的大气预测结果进行比较分析，得出相应的规律，对环评工作中进一步预测模式的选用具有一定的参考借鉴意义。

2 模型原理及适用性分析

AERMOD模型适用于定场的烟羽模式，ADMS模型适用于三维高斯模式，CALPUFF模型适用于多层、多种非定场烟团扩散模式。CALPUFF模式系统因适用范围与其他进一步预测模式存在一定差异，因此不参与模式间的实例比较［2］。

大气导则进一步预测模式具有下述特点［2～4］:(1)按空气湍流结构和尺度概念，湍流扩散由参数化方程给出，稳定度用连续参数表示;(2)中等浮力通量对流条件采用非正态的PDF模式;(3)考虑了对流条件下浮力烟羽和混合层顶的相互作用;(4)具有计算建筑物下洗功能。

AERMOD模式是一个稳态烟羽扩散模式，可基于大气边界层数据特征模拟点源、面源、体源等排放出的污染物在短期 (小时平均、日平均)、长期 (年平均)的浓度分布，适用于农村或城市地区、简单或复杂地形［1］。EIAProA为大气环评专业辅助系统的简称，以2008年版中国大气环境影响评价导则的要求为编制依据，采用AERMOD2009版为模型内核，兼容东半球地理和气象数据，提供符合中国用户习惯的输入输出界面。

ADMS模式可模拟点源、面源、线源和体源等排放出的污染物在短期 (小时平均、日平均)、长期 (年平均)的浓度分布，适用于农村或城市地区、简单或复杂地形［1］。 ADMS-Industrial(ADMS4)大气污染模型是为计算详细的一个或多个工业污染源的空气质量影响而设计的，是三维高斯模型，以高斯分布公式为主计算污染浓度，但在非稳定条件下的垂直扩散使用了倾斜式的高斯模型。

根据丁峰等［5］对AERMOD模式系统在国内环境影响评价中实例验证的研究结果，杨洪斌等［6］对AERMOD模式系统在沈阳市的应用和验证的研究结果，以及盛湘渝等［7，8］对ADMS模式系统在伦敦的应用和验证的研究结果，AERMOD和ADMS模式系统对于研究区域污染扩散模拟也具有较好的实用性和可信度。

3 简单地形条件下几种模式比较分析

3.1 建设项目大气排放源概况

建设项目厂址位于 33.49326°N、119.84213°E，地处平原农村地区。主要大气排放源为一个点源排气筒的有组织排放，预测因子为二氧化硫 (SO2);以及一个面源的无组织排放，预测因子为颗粒物(TSP)。排放源参数清单见表1。

表1 建设项目大气排放源参数清单Tab.1 Atmospheric pollution source data list of construction project

3.2 进一步预测模式预测范围及网格点划分

预测范围:分别以建设项目点源和面源为中心、边长6km的矩形范围。

网格点划分:以大气排放源中心为 (0km，0km)坐标点，在预测范围网格区域内，距大气排放源中心1km之内以50m为网格间距，1km之外以200m为网格间距，网格点总数为61×61个。

3.3 计算点及预测内容

计算点:预测范围内最大地面浓度点。

预测内容:正常工况下最大地面小时浓度。

3.4 进一步预测模式预测气象条件

常规地面气象观测资料:采用建设项目区域常规地面气象站2011年逐时观测资料。

常规高空气象探测资料:采用中尺度模拟的建设项目区2011年每日08时、20时2次的高空气象探测资料，模拟网格点编号155075，模拟网格中心点33.42330°N、119.87300°E。

3.5 预测地形条件

建设项目大气预测范围内下垫面总体平坦，如图1所示，地面高程主要集中在－3m～4m。

图1 简单地形条件下大气预测范围内地形示意图 (m)Fig.1 Terrain sketch map in the area of atmospheric prediction under the condition of simple terrain scale

3.6 进一步预测模式中的相关参数

(1)AERMOD模式系统 (EIAProA)

AERMET通用地表类型选取草地，AERMET通用地表湿度各季均选取潮湿气候，相应的正午反照率、BOWEN、粗糙度等特征参数见表2。

表2 正午反照率、BOWEN、粗糙度特征参数表Tab.2 Characteristic parameter list of Noon albedo，BOWEN and roughness

(2)ADMS模式系统 (ADMS4，即ADMS-Industrial)

地表参数按模式中的“公园、开放郊区”计，地表粗糙度选0.5m。

3.7 不同大气预测模式预测结果

经估算模式 (Screen3System)、AERMOD模式系统 (EIAProA)、ADMS模式系统 (ADMS4，即ADMS-Industrial)预测，建设项目新增大气排放源最大地面小时浓度贡献值统计见表3，对应的进一步预测模式最大地面小时浓度等值线分布见图2。

表3 简单地形条件下不同大气预测模式最大地面小时浓度预测比较结果Tab.3 Relative prediction results of maximum ground concentration among different atmospheric prediction model under the condition of simple terrain

图2 简单地形条件下进一步预测模式最大小时浓度等值线分布比较 (刻度单位:m;等值线单位:mg/m3)Fig.2 The isoline distribution comparison of maximum ground concentration among different prediction model under the condition of simple terrain(scale unit:m;isoline unit:mg/m3)

4 复杂地形条件下几种模式比较分析

4.1 建设项目大气排放源概况

建设项目厂址位于24°4'N，110°48'E，地处山地农村地区。主要大气排放源及其相关参数取与简单地形条件下1.1节相同。

4.2 进一步预测模式预测范围及网格点划分

取与简单地形条件下1.2节相同。

4.3 计算点及预测内容

取与简单地形条件下1.3节相同。

4.4 进一步预测模式预测气象条件

取与简单地形条件下1.4节相同。

4.5 预测地形条件

建设项目大气预测范围内下垫面起伏较大，如图3所示，地面高程主要集中在40.087m～392.541m。

图3 复杂地形条件下建设项目大气预测范围内地形示意图 (刻度单位:m)Fig.3 Terrain sketch map in the area of atmospheric prediction under the condition of complex terrain

图4 复杂地形条件下进一步预测模式最大小时浓度等值线分布比较 (刻度单位:m;等值线单位:mg/m3)Fig.4 The isoline distribution comparison of maximum ground concentration among different prediction model under the condition of complex terrain

表4 复杂地形条件下不同大气预测模式最大地面小时预测比较结果Tab.4 Relative prediction results of maximum ground concentration among different atmospheric prediction model under the condition of complex terrain

4.6 进一步预测模式中的相关参数

取与简单地形条件下1.6节相同。

4.7 不同大气预测模式预测结果

经AERMOD模式系统 (EIAProA)、ADMS模式系统 (ADMS4，即 ADMS-Industrial)预测，建设项目新增大气排放源最大地面小时浓度贡献值统计见表4，对应的进一步预测模式最大地面小时浓度等值线分布见图4。

5 预测结果比较分析

由表3可知，简单地形条件下，点源和面源估算模式最大小时浓度预测结果均大于进一步预测模式预测结果。

根据大气导则，估算模式嵌入了多种预设的气象组合条件，包括一些最不利的气象条件，此类气象条件在某个地区有可能发生，也有可能不发生，经估算模式计算出的最大地面浓度大于进一步预测模式的计算结果。

由表3和表4可知，各种地形条件下，AERMOD模式面源预测结果远小于ADMS模式;简单地形条件下，AERMOD模式点源预测结果略小于ADMS模式;复杂地形条件下，AERMOD模式点源预测结果远大于ADMS模式。

由图2和图4可知，ADMS模式预测结果最大值和一个极大值出现在预测范围中心附近，浓度值从中心向外逐渐减小;AERMOD模式预测结果一般会出现多处极大值，浓度值以这些极大值为中心分别向外逐渐减小，点源最大值出现在距预测范围中心较远处，面源最大值出现在预测范围中心附近，高浓度预测结果主要集中分布在地形较高处。

AERMOD模式是一个稳态烟羽扩散模式，使用它来对一般工业源预测，可以认为烟气排放后落地较缓，烟气受预测范围内的地形影响显著。ADMS模式是一个三维高斯模型，使用它来对一般工业源预测，可以认为烟气排放后相对迅速落地，烟气受预测范围内的地形影响较小。

6 结论

6.1 简单地形条件下，点源和面源估算模式最大小时浓度预测结果均大于进一步预测模式预测结果，与HJ2.2-2008《环境影响评价技术导则大气环境》中的结论一致。

6.2 各种地形条件下，AERMOD模式面源预测结果远小于ADMS模式;简单地形条件下，AERMOD模式点源预测结果略小于ADMS模式;复杂地形条件下，AERMOD模式点源预测结果远大于ADMS模式。

6.3 ADMS模式预测结果最大值和一个极大值出现在预测范围中心附近，浓度值从中心向外逐渐减小;AERMOD模式预测结果一般会出现多处极大值，浓度值以这些极大值为中心分别向外逐渐减小，点源最大值出现在距预测范围中心较远处，面源最大值出现在预测范围中心附近，高浓度预测结果主要集中分布在地形较高处。

6.4 使用AERMOD模式对一般工业源预测，可以认为烟气排放后落地较缓，烟气受预测范围内的地形影响显著;使用ADMS模式对一般工业源预测，可以认为烟气排放后相对迅速落地，烟气受预测范围内的地形影响较小。

［1］HJ2.2－2008，环境影响评价技术导则——大气环境［S］.

［2］丁 峰，李时蓓，赵晓宏，等.修订版大气导则与现行大气导则推荐模式实例对比验证分析［J］.环境污染与防治，2008，30(8):101.

［3］俎铁林.美国EPA空气质量模式导则评述［J］.环境影响评价动态，2002，6(6):18-25.

［4］杨多兴，杨木水，赵晓宏，等.AERMOD模式系统理论［J］.化学工业与工程，2005，22(2):130-135.

［5］丁 峰，李时蓓，蔡 芳.AERMOD在国内环境影响评价中的实例验证与应用［J］.环境污染与防治，2007，29(12):953-957.

［6］杨洪斌，张云海，邹旭东，等.AERMOD空气扩散模型在沈阳的应用和验证［J］.气象与环境学报，2006，22(1):58-60.

［7］David Carruthers，盛湘渝，雷晓霞，等.ADMS—城市与区域空气质量模型的嵌套应用［M］.北京:中国环境科学学会环境影响评价专业委员会暨国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室，2012.121-126.

［8］盛湘渝，David Carruthers，雷晓霞，等.基于ADMS—城市模型的空气质量预报系统在伦敦奥运会期间的应用［M］.北京:中国环境科学学会环境影响评价专业委员会暨国家环境保护环境影响评价数值模拟重点实验室，2012.127-131.