光化学网格模型模拟概述

1.概述

空气质量模拟按模拟尺度可分为三类，即局地尺度（50km以下）、城市尺度（几十到几百千米）、区域尺度（几百千米以上）。

在模拟局地尺度空气质量影响时，一般选用环评大气导则推荐的估算模型、AERMOD模型系统、ADMS模型系统、AUSTAL2000模型系统；在模拟城市尺度空气质量影响时，一般选用环评大气导则推荐的CALPUFF模型系统；在模拟区域尺度空气质量影响，或者需要对二次PM_2.5或者O₃有显著影响的排放源时，一般选用环评导则推荐的包含有复杂物理、化学过程的区域光化学网格模型。

区域尺度甚至城市尺度的空气质量影响模拟相比局地尺度模拟存在较大不同，大致可以分为以下几个方面。

空气中复杂的光化学反应。排放到空气中的污染物在光化学活性分子的影响下发生多相化学反应、气相反应、液相反应和云内化学反应，生成二次污染物。比如京津冀地区的5污染以二次污染为主。
多尺度气象场对空气质量的影响。在区域尺度范围内必须考虑气象场的影响，以京津冀地区为例，北京地区的颗粒物来源可划分为5条输送通道，京津冀平原地区受到太行山过山气流下沉影响降低了大气对污染物的容纳能力，弱气压场、地形辐合线、稳定层结都加重了本地区域的污染程度。
污染源清单，区域空气质量模型基于“一个大气”思想考虑，需要研究区域内所有污染源，因此区域空气质量模拟首先要收集研究区域内所有的污染源。
污染物种，区域空气质量模拟需要考虑复杂的光化学反应，需要将常规污染物5和VOC分配到具体的物种，区域空气质量模拟研究区域的污染源谱。
计算量，区域尺度空气质量模拟由于计算量庞大，模型一般都支持并行计算，一般布设在小型机或者计算机集群上面才能发挥较好的性能。

2.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。

2.1 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，目前的最新版本是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最新研究进展，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。

2.2 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。

2.3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

2.4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.概述