当前课程知识点：大气污染控制工程 > 第四章 大气污染浓度估算模式 > 4-6 空气质量模型的研究进展 > Video
同学们好！这一讲
我们介绍空气质量模型的发展历程及最新进展
空气质量模式自1970年以来，经过了三代模式的衍变
第一代空气质量模型主要包括了箱模型
高斯模型和拉格朗日轨迹模型
其中高斯扩散模型主要有ISC、AERMOD、ADMS等
拉格朗日模型有OZIP/EKMA、CALPUFF 等
第一代模型由于其结构简单、输入数据要求低且计算简便
20 世纪60 年代以后，在大气环境问题中得到了广泛应用
但其不足之处在于适用的尺度相对较小
没有化学过程或化学过程较为简化，基本理论假设过于理想
不能很好的模拟O3、PM2.5、酸雨等区域性大气复合污染过程
从实践应用来看，ADMS、AEROMOD、CALPUFF等模型
多用于环境影响评价和城市尺度一次污染物的模拟
尤其是在国内外环境影响评价领域发挥了主力军的作用
被美国和我国定为法规化模型
20 世纪70 年代末80 年代初
随着对大气边界层湍流特征的研究
研究者发现高斯模型对许多问题都无法解答
这逐渐推动了第二代空气质量模型的发展
第二代欧拉数值空气质量模型中加入了比较复杂的
气象模式和大气化学反应机制
并将被模拟的区域分成许多三维网格单元
模型模拟每个单元格大气层中的化学变化过程
云雾过程，以及位于该单元格周边的其他单元格内的大气状况
1980年以后，第二代空气质量模型得到了长足发展
例如，CIT、UAM 等三维城市尺度光化学污染模式
ROM这一区域尺度光化学模式 以及RADM、STEM等酸沉降模式
第二代区域空气质量模式在设计上仅考虑了单一的大气污染问题
对于各污染物之间的相互转化和相互影响考虑不全面
而实际大气中各种污染物之间存在着
复杂的物理、化学反应过程
因此，二十世纪90年代末发展起来的
第三代空气质量模式系统均是基于“一个大气”理念
以美国环保署开发的CMAQ模型为例
该模型是一个多模块集成、多尺度网格嵌套的三维欧拉模型
充分考虑了各种大气物理过程和各污染物之间的
化学反应以及气固两相转化过程
基于“一个大气”的设计理念
通过一次工作可以同时模拟各种大气环境问题
特别适用于模拟臭氧、PM2.5、酸雨等区域性大气复合污染过程
同时，通过嵌套网格的设计
可用于模拟局地、区域等多种尺度的大气环境问题
目前最新的CMAQ5.0.2 版本已经实现了
气象模式与化学传输模式的在线耦合
目前常用的第三代空气质量模型包括CMAQ、WRF－CHEM
CAMx、GEOS-Chem等
中国的第三代空气质量模式是以中国科学院大气物理所
自主研发的嵌套网格空气质量预报模式NAQPMS为代表
这些模型各有特色
例如，WRF－CHEM 模式考虑了气象和大气污染的双向反馈过程
实现了气象模式与化学传输模式在时间和空间
分辨率上的完全在线耦合
CAMx 模式中包括了臭氧源分配技术OSAT
和颗粒物源分配技术PSAT，便于开展源解析
GEOS-Chem模型则主要用于模拟全球尺度大气污染物的
长距离传输以及化学反应过程等
无论是一代、二代或三代空气质量模型
按照模拟的空间尺度，大致可以分为
城市模型、区域模型和全球模型
不同尺度模型针对的污染问题有所不同
例如城市尺度的模型更关注臭氧污染、PM2.5的健康影响
而全球尺度的模型则主要针对臭氧层破坏、气候变化
大气汞等全球性环境问题
此外，按照时间尺度，模型可以分为短期模型和长期模型
按照反应机理，又可以分为反应性模型和非反应性模型
从流体力学的角度，可以分为欧拉型和拉格朗日型
根据气象场的生成方式，可以将模型分为在线模型和离线模型
其中，在线模型是气象场和化学模块在线耦合的模型
离线模型则是用气象模型计算好气象场后再输入到化学模块当中
既然有这么多种类型的模型
那么我们如何选择合适的模型来解决实际问题呢
首先需要根据我们的目的，确定模型的类型
如果是开展环境影响评价
就需要采用ADMS、AERMOD、CALPUFF等法规化模型
如果是为了研究大气污染的成因
则应采用第三代空气质量模型
进而需要考虑我们关注的污染物和污染源
如果关注的污染物是惰性的，就可以采用仅考虑扩散的模式
如果污染物是反应性的，如氮氧化物和挥发性有机物
就需要采用带有详细化学反应机制的模式
模拟的时空范围和分辨率也影响着模型的选择
对于局地的空气污染问题，例如10km以内的范围
可以采用高斯扩散模式
而要考虑京津冀区域乃至全国
就需要采用区域空气质量模型比如CMAQ、WRF-CHEM等
不同模型能达到的时空分辨率是有较大差异的
区域空气质量模型的精度可以达到1公里
而全球空气质量模型的精度只能达到100公里左右
最后，还应该考虑模拟区域的下垫面特征
例如，如果是模拟区域是山区，就需要采用山区的扩散模式
实际中，要综合考虑这些因素
并结合不同模式的特点，选择所要应用的模式
虽然空气质量模式种类繁多，功能也越来越强大
但仍需要做进一步的改进
从发展的趋势来看
未来的空气质量模式会向多种模式相互耦合的方向发展
例如，除了不同的大气污染问题之间的相互影响
还应考虑气象与大气污染之间的相互作用
例如颗粒物对云和降水会有增加的作用
此外，大气污染问题中的酸雨问题，会对地表水环境产生影响
重金属和臭氧的污染会影响生态系统
而气溶胶的辐射强迫、温室气体排放则与气候变化密切相关
因此未来的空气质量模式应该将
整个大气圈内的物理化学现象整合到一起
并且将大气圈与水圈、岩石圈、生物圈和冰冻圈各个圈层
之间的相互影响进行通盘考虑
形成能够同时模拟空气质量、气象、气候变化
和其他生态环境问题的地球系统模式
第二，未来的模式将在模拟尺度上有进一步的发展
比如与人类日常生活更为密切的微尺度模式
即分辨率在1km以下的模式，目前还鲜有涉及
这一模式也是未来空气质量模拟的发展方向
此外，目前的模式大多有适用于自己的范围
要么适用于城市这样的尺度，要么适用于全球的大尺度
而未来，我们希望一个空气质量模型能够
同时模拟出不同尺度下的大气污染现象
比如现在正在开展的多边形欧拉网格模式研究
就可能会实现这一点。如果采用多边形网格
一方面可以直接在地球的球面上进行模拟
另外一方面，可以采用多边形的变形特点
在一次模拟内，不同区域采用不同的精度
从而达到多尺度同时模拟的目的
此外，从模式本身来讲，需要改进其内部的化学机制
从而获得更准确的模拟结果
例如，目前对于二次有机气溶胶的模拟仍然很不成熟
需要考虑新粒子生成、颗粒物吸湿增长
以及挥发性有机物对二次有机气溶胶的贡献等等
在大气物理方面，边界层内的物理过程
云以及降水模拟的准确度也需要进一步的提高
最后，空气质量模式的一个重要功能就是为
污染控制提供决策支持
因此，模式功能的多样化也是未来模式发展的一个重点
同学们，关于空气质量模式的新进展
我们就介绍到这儿，谢谢大家
-1-1 大气污染的定义和分类
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-第一章 绪论--1-1 大气污染的定义和分类
-1-2 大气污染物和排放源
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-第一章 绪论--1-2 大气污染物和排放源
-1-3 大气污染的影响
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-第一章 绪论--1-3 大气污染的影响
-1-4 大气污染防治法规及标准体系
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-第一章 绪论--1-4 大气污染防治法规及标准体系
-第一章 绪论--第一章 作业习题
-2-1 燃料的性质与分类
-第二章 燃烧与大气污染--2-1 燃料的性质与分类
-2-2 燃烧过程和计算
--燃烧过程和计算
-第二章 燃烧与大气污染--2-2 燃烧过程和计算
-2-3 硫氧化物的生成
--硫氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-3 硫氧化物的生成
-2-4 氮氧化物的生成
--氮氧化物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-4 氮氧化物的生成
-2-5 颗粒物的生成
-2-5 颗粒物的生成--作业
-2-6 其他污染物的生成
--其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--2-6 其他污染物的生成
-第二章 燃烧与大气污染--第二章 作业习题
-3-1 概述
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-第三章 大气污染气象学--3-1 概述
-3-2 大气的垂直结构
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-第三章 大气污染气象学--3-2 大气的垂直结构
-3-3 大气的热力过程
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-第三章 大气污染气象学--3-3 大气的热力过程
-3-4 大气稳定度与逆温
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-3-4 大气稳定度与逆温--作业
-3-5 大气的运动和风
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-第三章 大气污染气象学--3-5 大气的运动和风
-第三章 大气污染气象学--第三章 作业习题
-4-1 概述
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-1 概述
-4-2 点源扩散的高斯模式
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-2 点源扩散的高斯模式
-4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
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-第四章--4-3 特殊气象和地形条件下的高斯扩散模式（选修）
-4-4 点源扩散浓度的估算
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-第四章 大气污染浓度估算模式--4-4 点源扩散浓度的估算
-4-5 线源和面源扩散模式（选修）
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-第四章--4-5 线源和面源扩散模式（选修）
-4-6 空气质量模型的研究进展
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-4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
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-第四章--4-7 区域空气质量模型的应用案例（选修）
-第四章 大气污染浓度估算模式--第四章 作业习题
-5-1 粒径与粒径分布
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-1 粒径与粒径分布
-5-2 颗粒物的形貌特征
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-2 颗粒物的形貌特征
-5-3 化学组成和光学性质
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-5-3 化学组成和光学性质--作业
-5-4 粉尘的物理性质
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-4 粉尘的物理性质
-5-5 净化装置的性能
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-第五章 颗粒污染物控制技术基础--5-5 净化装置的性能
-5-6 流体阻力和颗粒的沉降
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-第五章--5-6 流体阻力和颗粒的沉降
-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）
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-5-7 惯性碰撞、机械拦截和扩散（选修）--作业
-第五章 颗粒污染物控制技术基础--第5章 作业习题
-6-1 重力沉降室
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-第六章 除尘装置--6-1 重力沉降室
-6-2 旋风除尘器
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-6-2 旋风除尘器--作业
-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）
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-6-3 电晕放电和粒子荷电（选修）--作业
-6-4 荷电颗粒的运动和捕集
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-第六章 除尘装置--6-4 荷电颗粒的运动和捕集
-6-5 电除尘器的结构和设计
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-第六章 除尘装置--6-5 电除尘器的结构和设计
-6-6 袋式除尘器的工作原理
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-6-6 袋式除尘器的工作原理--作业
-6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
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-第六章--6-7 袋式除尘器的压力损失和清灰（选修）
-6-8 袋式除尘器的设计和应用
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-6-8 袋式除尘器的设计和应用--作业
-6-9 湿式除尘器的工作原理
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-第六章 除尘装置--6-9 湿式除尘器的工作原理
-6-10 文丘里洗涤器（选修）
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-第六章 除尘装置--6-10 文丘里洗涤器（选修）
-6-11 除尘器的选择与发展
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-6-11 除尘器的选择与发展--作业
-第六章 除尘装置--第六章 作业习题
-期中测试--期中测试
-7-1 物理吸收传质计算
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-第七章 --7-1 物理吸收传质计算
-7-2 化学吸收传质计算
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-7-2 化学吸收传质计算--作业
-7-3 吸收设备和工艺
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-7-3 吸收设备和工艺--作业
-7-4 气体吸附原理与速率
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-7-4 气体吸附原理与速率--作业
-7-5 吸附设备与工艺
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-7-5 吸附设备与工艺--作业
-7-6 吸附器的设计计算
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-第七章 --7-6 吸附器的设计计算
-7-7 催化原理
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-7-7 催化原理--作业
-7-8 气固催化反应动力学
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-7-8 气固催化反应动力学--作业
-7-9 气固相催化反应器的设计
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-7-9 气固相催化反应器的设计--作业
-第七章 气态污染物控制技术基础（选修）--第七章 作业习题
-8-1 概述
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-8-1 概述--作业
-8-2 燃烧前燃料脱硫
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-第八章 硫氧化物控制技术--8-2 燃烧前燃料脱硫
-8-3 流化床燃烧脱硫
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-8-3 流化床燃烧脱硫--作业
-8-4 高浓度二氧化硫回收
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-8-4 高浓度二氧化硫回收--作业
-8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
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-第八章 --8-5 石灰石/石灰湿法烟气脱硫技术
-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）
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-8-6 氧化镁湿法烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）
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-8-7 海水烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-8 湿式氨法烟气脱硫技术（选修）
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-8-8 湿式氨法烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-9 喷雾干燥法烟气脱硫技术（选修）
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-8-9 喷雾干燥法烟气脱硫技术（选修）--作业
-8-10 循环流化床干法烟气脱硫
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-8-10 循环流化床干法烟气脱硫--作业
-8-11 烟气脱硫技术的综合比较
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-8-11 烟气脱硫技术的综合比较--作业
-8-12 二氧化硫控制策略（访谈）（选修）
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--参考链接
-第八章 硫氧化物控制技术--第八章 作业习题
-9-1 概述
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-9-1 概述--作业
-9-2 低氮氧化物燃烧技术
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--9-2 低氮氧化物燃烧技术
-9-3 选择性催化还原技术
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--9-3 选择性催化还原技术
-9-4 选择性非催化还原技术
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-第九章--9-4 选择性非催化还原技术
-9-5 SNCR-SCR联合烟气脱硝技术（选修）
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-9-5 SNCR-SCR联合烟气脱硝技术（选修）--作业
-9-6 烟气同时脱硫脱硝技术（选修）
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-9-6 烟气同时脱硫脱硝技术（选修）--作业
-9-7 固定源氮氧化物控制技术评价
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-9-7 固定源氮氧化物控制技术评价--作业
-9-8 超低排放技术访谈
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-第九章 固定源氮氧化物控制技术--第九章作业习题
-10-1 概述
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-10-1 概述--作业
-10-2 蒸气压及蒸发
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-第十章 挥发性有机物控制技术--10-2 蒸气压及蒸发
-10-3 VOCs污染预防
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-第十章 挥发性有机物控制技术--10-3 VOCs污染预防
-10-4 冷凝法控制VOCs污染
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-10-4 冷凝法控制VOCs污染--作业
-10-5 燃烧法控制VOCs污染
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-第十章--10-5 燃烧法控制VOCs污染
-10-6 生物法控制VOCs污染（选修）
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-10-6 生物法控制VOCs污染（选修）--作业
-第十章 挥发性有机物控制技术--第十章作业习题
-11-1 机动车污染概述
--11-1-1
--11-1-2
--11-1-3
-11-1 机动车污染概述--作业
-11-2 内燃机工作原理和污染物生成机制
--11-2-1
--11-2-2
-第十一章--11-2 内燃机工作原理和污染物生成机制
-11-3 机动车排放控制技术
--11-3-1
--11-3-2
-第十一章 机动车污染控制--11-3 机动车排放控制技术
-11-4 先进车辆技术和清洁替代燃料技术
--11-4-1
--11-4-2
-第十一章--11-4 先进车辆技术和清洁替代燃料技术
-11-5 交通规划与交通管理（选修）
--11-5
-11-5 交通规划与交通管理（选修）--作业
-第十一章 机动车污染控制--第十一章作业习题
-12-1 全球气候变化与温室效应
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-12-1 全球气候变化与温室效应--作业
-12-2 气候变化的应对措施
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-12-2 气候变化的应对措施--作业
-12-3 臭氧层破坏问题
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-12-4 臭氧层破坏的应对措施
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-第十二章 全球性大气环境问题--第十二章作业习题
-Lecture 01
--Video
-Lecture 02
--Video
-Conversation
--Video
-附加：--Exercise
