1、AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 1AERMOD 模型原理及应用摘 要 :本文基于前人对 AERMOD 模型的理论研究，建立 AERMOD 模型并进行计算。将 AERMOD 模型计算得到的二氧化硫浓度与宝山区监测站观测数据进行对比分析，发现该模 型模拟值与观测值有较好的相关性，并反映出了观测数据的变化趋势，可以应用于实际大气 容量测算中。该模型在秋季模拟效果好于夏季，污染源数据的准确性对模型模拟效果有很大影响。关键词：AERMOD 模型，SO2 日浓度，浓度模拟Study on The Theory and Application of AERMOD ModelAbstract: Th
2、e AERMOD Model was established and calculated on the basis of the the oretical research.By comparing the SO2 concentration of Baoshan District between calculated by the AERMOD Model and the observed data of monitor station, it is found that the data calculated and observed is relative and the change
3、 trend of the observed data is showed,so the Model can be applied in the calculation of atmosphere capacity.The results simulated by the Model in autumn is better than that in summer.The simulated results are affected by the accuracy of the data. Keywords: AERMOD model SO2 daily density density simu
4、lation In the high-temperature alkaline1 前 言进一步改善城市大气环境质量，从年开始实行的全国主要污染物排放总量控制计划是我国环境保护的一项重大举措，也是实现环境保护目标的客观需要，大气环境 容量测算工作由此在全国各城市迅速展开。 大气环境容量包括理想环境容量、实际环境容量以及规划环境容量三类定义 1。其中，理想环境容量是基于有限空间空气污染与清除能力平衡得出的环境容量；实际环境容量是在 污染源现状格局条件下，保证区域地面环境质量达到功能要求得出的环境容量，一般要小于 理想环境容量；而规划环境容量是在产业结构调整、污染源格局优化条件下，保证区域地面环境质
5、量达到功能要求得出的环境容量，一般要小于 理想环境容量；而规划环AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 2境容量是在产业结构调整、污染源格局优化条件下，保证区域地面 环境质量达到功能要求得出的环境容量。三个容量均可采用适当的模型进行预测。国内外先 后推出了许多计算模型。其中，美国环保总局（EPA ）推出的工业复合源模型（ISC3 ） 、AERMOD 模型，英国剑桥环境研究中心（CERC）推出的城市大气扩散模型（ADMS ）等大 气环境容量计算模型通过大量实验以及在实际中的应用得到不断的检验和修正，成为应用较 多的大气容量测算模型。国内各城市进行大气容量计算主要采用国外这些比较成熟的扩散模型，
6、如 ISC3 长期模型（ISCLT） 、ADMS 模型等已在许多城市运用 2,3。而对于 AERMOD 模型，在国内学者对其原理进行了研究 4,5，而在实际应用方面的研究在国内尚不多见。本文就以宝山区二氧化硫浓度模拟为例，探讨 AERMOD 模型的实用性。2. 建 立 AERMOD 模 型2.1 AERMOD 模 型 简 介AERMOD（AMS/EPA REGULATORY MODEL ）模型是由美国国家环境保护局开始联 合美国气象学会组建法规模式改善委员会在工业复合源模型 6框架的基础上建立起来的稳定状态烟羽模型，它以扩散统计理论为出发点，假设污染物的浓度分布在一定范围内符合正态分布，采用高
7、斯扩散公式建立起来的模型。AERMOD 模型没有涉及干、湿沉降方面的影响，但是引入了行星边界层等最新的大气边界层和大气扩散理论，对 ISC 模型做了进一步完善。因此，AERMOD 模型可用于多种排放源(包括点源、面源和体源 )的排放,它也可用于对乡村环境和城市环境、平坦地形和复杂地形、地面源和高架源等多种排放扩散情形的模拟 7 。在许多不同情况的应用中，AERMOD 模型可以作为 ISC 模型的替换模型。AERMOD 模型是一个完整的系统，包括 AERMET 气象前处理、AERMOD 扩散模型和 ERMAP地形前处理三个模块。AERMET 模型主要是对气象数据进行处理，得到 AERMOD 扩散
8、模型计算所需要的各种气象要素以及相应的数据格式；AERMAP 地形前处理模块对受体的地形数据进行处理，然后将二者得到的数据输入 AERMOD 扩散模式，利用不同条件下 的扩散公式计算出污染物浓度。AERMOD 模型在不同条件下的扩散公式如下：AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 3AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 4AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 52.3 处 理 气 象 数 据 根据宝山区气象局提供的 2004 年气象资料，分析可以发现宝山区四个季节的代表月份（1、4、7、10 月）主导风向分别为东北风、西北风、东南风、东北风。全年主导风向为东 北风、东南风；同时采用帕
9、斯奎尔（Pasquill ）稳定度分类法划分大气稳定度分为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级，得到宝山区不同时间段的大气稳定状况；利用 AERMET 模型对气象资料进行处理，可得到平均风速、水平向及垂向湍流量脉动、温度梯度、位温、水平拉格朗日时间尺度以及行星边界层参数（摩擦速度、MOnin2Obukhov 长度、对流速度尺度、温度尺度、混合层高度和地面热通量）等 AERMOD 扩散模型运行所需要的气象数据及相应的格式。 2.4 确 定 污 染 物 排 放 清 单 根据应用多源模式核定重点城市大气环境容量技术验收细则 8的相关规定，将大气容量规划区内的大气污染源可以分为点源、面源
10、（体源） 、线源。依据宝山区环境监测站提取监测数据及国家环保总局关于排污费征收核定有关工作的通知 9中有关排放污染物物料衡算的规定，建立污染源排放清单。污染源排放清单主要包括污染源烟囱编号、地理坐标、烟囱高度、烟囱出口直径、烟气、出口温度、源强、年运行时间等信息。从而得到 AERMOD 扩散模型计算所需要的污染源强数据。AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 62.5 计 算 方 法 在测算宝山区大气环境容量的过程中，以 2004 年为基准年，利用 A-P 值法计算宝山区理想大气环境容量，利用 AERMOD 模型计算在现有污染源影响下各控制点的污染物浓度。按照国家相应的标准规定及宝山区的规划
11、目标，综合分析两个模型计算结果，从而得到宝山区的实际环境容量。现将利用 AERMOD 模型计算地面浓度的方法总结如下： 2.5.1 确 定 计 算 点 和 控 制 点 基准控制点就是进行总量控制和环境容量研究时，作为控制比较的标准计算点。首先根据宝山区监测站提供的污染数据及其在空间中的分布特征（在污染浓度相对高的区域多选取一些计算点，在相对低的区域选取计算点少一些） ，确定 124 个计算点。然后利用AERMOD 模型计算各计算点在现有污染源、不同气象条件下的浓度值，选取浓度值最大的 25 个，再加上自动监测站作为基准控制点。 2.5.2 确 定 基 准 控 制 条 件 气象条件的变化可以引起
12、污染物浓度发生数量级的改变，所以基准控制条件的确定方 AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 7法非常重要。我们采用的是累计浓度法。因为该方法比较实用，而且具有一定的保证率。具 体做法为： 将基准控制点的某种大气污染物浓度日均值从小到大排列，找出一定累计概率所对应 的一天，将这一天定为基准控制日。同时为了保证对所有的大气污染源公平，在这个日期的基础上再增加 6 天，即上下各延伸 3 天，这里上下是指对应排列浓度的日期，不是简单的时间上的延伸。2.5.3 计 算 污 染 物 地 面 浓 度 我们采用的累积概率为 90%，找出该概率对应下的基准控制日。用模型计算宝山区所有网格点这 7 天的浓度，
13、取其平均值作为大气污染物的浓度值。2.6 AERMOD 模 式 的 输 入 参 数 10AERMOD 模型运行需要的参数主要包括：二氧化硫污染源排放参数、扩散过程的控制 参数、气象参数、受体特征参数等五大类： （1） CO (for specifying overall job COntrol options) 模拟工作控制，包括：反映大 气扩散特征的参数的输入，如下垫面类型、指数衰减、平均时间、大气污染物的类型、地形高度等。 （2 ） SO (for specifying SOurce information)二氧化硫污染源特征参数的输入，包括：污染源（只有点源和面源） 、污染源的位置坐标、
14、各污染源的排放参数。点源需要污染物排放强度、排气筒高度、烟气出口温度和速度、排气筒内径等参数；面源需要污染源排放强度、排放高度、位置以及面源单元的坐标等排放参数。 （3） RE(for specifying REceptor information) 受体特征参数的输入，包括：描述受体位置所采用的坐标系等（可以利用 AERMAP 地形前处理模型处理得到，由于没有受体位置数据，所以未使用该模型） ； （4 ） ME （for specifying MEteorology information）气象参数的输入，该部分由 AERMET 气象前处理模型计算得到； （5） OU( for specif
15、ying OUtput options)对输出文件的控制和选择。包括单个源和 一组源排放在各接受点的污染物环境浓度，以及各污染源对受体环境浓度的贡献等。 2.7 验 证 模 型 结 果 AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 8将 AERMOD 模型对二氧化硫浓度的计算结果与宝山区监测站数据利用相关性、标准差等分析方法对宝山区不同季节以及全年情况进行分析（其中宝山区在基准年 2004 年中， 11 月份污染最为严重，故采用 11 月数值代替秋季典型月 10 月进行分析） ，现将分析结果整理如下：由表 1 中列出的标准差以及相关系数值，可以发现模型模拟各个站点浓度的标准差相近，相关性较好。对相
16、关系数进行检验，除 13站外其他站点的相关系数均通过置信水平 0.05 的检验。由于影响多源模型的计算结果的因素与长期模型相比很多（如污染源数据的准确性，地形的影响，气象因素的影响，模型本身的问题等等） ，模拟精度相对于长期模型要差一些。 同时，结合该月的气象数据可以发现，当以北风为主导风向时，模型模拟值与实际观 测值很接近（图 2 中 10、12、13 等点） ，而以西风、西北风为主导风向时，模拟值的变化趋势与观测值一致。这说明模型在受到外来源影响较小的条件下（北风为主导风向时）可以较准确地模拟实际浓度，而当受到外来源影响较大时（西风、西北风为主导风向时） ，模型可以反映实际浓度的变化趋势，
17、只要能够得到较为合理的本底浓度值就可以正确反映实AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 9际浓度的大小。计算结果的变化趋势与实际观测值相近，见图 2。由图 3 可以发现秋季（图中 11 月份）拟和情况最好，而春（4 月） 、夏季（7 月）拟和较差，冬季（1 月）12#、15#模拟较好，13#、14#模拟差。在秋季该区的主导风向为东北风， 大气稳定度 60%以上为中性、稳定的，这样的天气条件下受到外来影响弱，而且不利于污染 物的扩散，符合高斯模式提出的假设（即高斯扩散模式是在污染物浓度符合正态分布的前提 下导得的 10 ） ，所以精度相对要高；而夏季盛行偏南风向，大气稳定度多为不稳定、弱不稳定
18、，从而导致外界对宝山区的影响增大，降低了污染源的准确性，故计算精度要低；AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 10由图 4 可以看出四个监测站中 12、15#站点模拟效果较好（年相关系数分别为0.32、0.48） ，而 13、14# 站点的模拟效果较低（年相关系数分别为 0.17、0.19） 。结合图 1 以及图 5，不难发现，12、15#站点位于宝山区东边，东边临海，南面为上海市区，所受污染主要来源于宝山区内，来自境外的污染影响很小，所以其源强相对于 13、14#站点更为准确；而 13、14#站点位于宝山区中部，其西面以及西南方向容易受到外来污染源的影响，所以其源强误差较大，从而影响了模
19、型的模拟效果。在保证模型所用源数据准确的情况下,AERMOD 模型可以较好地对污染现状进行模拟。3. 结 论 AERMOD 模型是基于高斯扩散模式而建立起来的一种城市多源扩散模型。影响多源扩 散模式的因素很多，通过分析可将其概括为：排放源资料的误差（包含源强大小、源的位置 等） 、气象资料（包含风向、风速、扩散参数、混合层厚度等） 、模式本身的缺陷 11,12。从这 几方面分析得到以下结论： 第一，按照国家环保总局规定的浓度计算方法，建立 AERMOD 模型，并利用 AERMOD 模型计算宝山区各监测站二氧化硫浓度与实际监测结果进行对比分析，通过了置信水平 0.05 的检验，且相关性较高（相关
20、系数达到 0.5 左右） ，可以用于实际的大气环境容量计算中。 第二，秋季气象条件相对稳定，模拟效果好于其他季节；而夏季气象条件变化较大， 故效果最差； 第三，污染源数据的准确性对模型模拟效果有着很大的影响，在源数据相对准确的条 件下，模型模拟站点浓度值的效果好于受外界源影响较大的站点。 由于数据限制，在运用 AERMOD 模型进行模拟时未使用 AERMAP 地形前处理模型对 受体参数进行处理，所以没有完全的发挥 AERMOD 模型的作用。在今后的工作中将尽量弥 补这一不足，对模型的功能进行更为全面的分析。AERMOD 模型原理及应用南京理工大学 11参考文献 1 李云生,谷清,冯银厂等, 城
21、市区域大气环境容量总量控制技术指南,北京：中国环境科学出版社,2005,2-5. 2 陈开平，马永亮，傅立新，ISC 长期模型在烟台市空气污染控制规划中的应用，上海环境科学，2002,21(8)，494-496. 3 孙红继，孙绳武，李元宜，ADMS 扩散模型在锦州市大气环境容量核算中的应用，辽宁城乡环境科技， 2004，24 （6） ，26-28. 4 杨多兴，杨木水，赵晓宏等，AERMOD 模式系统理论，化学工业与化学工程，2005，22 （2） ，130-135； 5 王淑兰，孟志鹏，丁信伟，适用于固定工业源泄放的扩散模型AERMOD ，化学工业与化学工程， AERMOD 模型原理及应用
22、南京理工大学 122003,20(4),231-236； 6 BAILEYD T.Users guide for the industrial source complex ( ISC3) dispersion models revised) volume IR . US:EPA ,1995； 7 PERRY S G. AERMOD description of model formulation(draft) R . AMS/EPA Regulatory Model Improvement Committee ,1998； 8 中国环境规划院， 应用多源模式核定重点城市大气环境容量技术验收细则，2004 年 1 月。 9 国家环保总局, 关于排污费征收核定有关工作的通知 ，环发200364号。 10 USERS GUIDE FOR THE AMS/EPA REGULATORY MODEL AERMOD(draft). U.S. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY,2002; 11 李宗恺，潘云仙，孙润桥， 空气污染气象学原理及应用 ，北京：气象出版社，1985，223-230. 12 周淑贞，束炯， 城市气候学 ，北京：气象出版社，1994，111-113.
