劉海涵，朱 勃，韓 熙，李 兵

（1.重慶市環(huán)境保護(hù)信息中心，重慶401147；2.重慶數(shù)字城市科技有限公司，重慶400020）

隨著工業(yè)化生產(chǎn)力愈加進(jìn)步，我國的環(huán)境問題也愈加突出。霧靄天氣已經(jīng)成為國民生活當(dāng)中不可避免需要面對(duì)的問題。霧靄天氣產(chǎn)生的原因是大氣污染，而中國的大氣污染問題已經(jīng)引起國內(nèi)甚至國際上的高度重視。當(dāng)今，國家逐步加大了環(huán)境保護(hù)的力度，并制定了環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)的導(dǎo)則及環(huán)境保護(hù)實(shí)施細(xì)則，對(duì)各種有害污染物如SO2、NOx、煙塵等進(jìn)行嚴(yán)格的治理和控制［1］。為響應(yīng)國家環(huán)境保護(hù)的總體戰(zhàn)略目標(biāo)，各省市地方環(huán)保局也加大了對(duì)環(huán)境的治理和監(jiān)測。在防治大氣污染領(lǐng)域，大氣擴(kuò)散模型正在被廣泛的應(yīng)用到大氣預(yù)測和大氣環(huán)境評(píng)價(jià)體系中［2］。本文利用GIS的空間分析技術(shù)，結(jié)合氣象信息、地理高程信息、污染源信息等，應(yīng)用AERMOD大氣擴(kuò)散模型分析污染物擴(kuò)散趨勢，從時(shí)間、空間等多維度分析污染物擴(kuò)散過程。GIS的空間分析技術(shù)包括數(shù)據(jù)檢索及表格分析、疊置分析、緩沖區(qū)分析和網(wǎng)絡(luò)分析，在此基礎(chǔ)上，為污染治理、人員疏散提供輔助決策依據(jù)，從而尋找更加有效的污染擴(kuò)散防治辦法，減少大氣污染帶來的損失［3］。

1 AERMOD模型簡介

AERMOD是由美國國家環(huán)保局聯(lián)合美國氣象學(xué)會(huì)組建法規(guī)模式改善委員會(huì)開發(fā)，該模型以擴(kuò)散統(tǒng)計(jì)理論為出發(fā)點(diǎn)，假設(shè)污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布，并且引入了行星邊界層等最新的大氣邊界層和大氣擴(kuò)散理論［4］。AERMOD模型是穩(wěn)定狀態(tài)煙羽模型，其在處理擴(kuò)散參數(shù)、大氣穩(wěn)定度、復(fù)雜地形、對(duì)流條件浮力煙羽和混合層頂?shù)南嗷プ饔眉皩?duì)流條件垂直擴(kuò)散方面具有理論先進(jìn)性，能夠更好地反映污染物的實(shí)際擴(kuò)散。模型系統(tǒng)可用于多種排放源（點(diǎn)、面、體源）的排放。美國在2002年就把這個(gè)模型作為國家標(biāo)準(zhǔn)中的推薦模型。通過在美國的多年應(yīng)用，使AERMOD模型有了成熟的應(yīng)用基礎(chǔ)，其適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)在中國多變的氣候和復(fù)雜的地理環(huán)境下有廣闊的發(fā)展前景。2007年，國家環(huán)境保護(hù)總局公布的《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》將該模型列入推薦模型清單，成都環(huán)科院、西南電力研究院等多家單位已經(jīng)開始將此模型應(yīng)用在環(huán)評(píng)中［5］。

2 AERMOD模型處理過程

AERMOD大氣擴(kuò)散模型包括AERMOD擴(kuò)散模式、AERMET氣象預(yù)處理和AERMAP地理預(yù)處理模塊。模型處理流程如圖1所示。

圖1 模型處理流程

如圖1所示，通過AERMET氣象預(yù)處理將常規(guī)的氣象觀測數(shù)據(jù)處理成AERMOD大氣擴(kuò)散模型所需的數(shù)據(jù)格式。通過AERMAP地形預(yù)處理器，可使用網(wǎng)絡(luò)化地形數(shù)據(jù)計(jì)算預(yù)測點(diǎn)的地形高度數(shù)據(jù)。將AERMET和AERMAP生成的結(jié)果文件導(dǎo)入到AERMOD模型中，并設(shè)置污染源參數(shù)，從而通過AERMOD擴(kuò)散模式計(jì)算出特定時(shí)間段各網(wǎng)格點(diǎn)的污染物濃度變化趨勢，從而得出預(yù)測結(jié)果。從AERMOD模型的處理流程中可以看出，GIS的介入點(diǎn)主要是在高程地形參數(shù)的提供和預(yù)測結(jié)果的展示2個(gè)方面。

2.1 AERMET氣象預(yù)處理

要運(yùn)行AERMOD模型，需要兩個(gè)基本的氣象數(shù)據(jù)文件：地面氣象數(shù)據(jù)文件（surface meteorological data file）及探空廓線數(shù)據(jù)文件（profile meteorological data file），這2個(gè)氣象文件由AERMET氣象預(yù)處理器生成。AERMET氣象預(yù)處理數(shù)據(jù)流程如圖2所示。AERMET的邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)和廓線數(shù)據(jù)可以由輸入的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)確定，或由輸入的國家氣象局常規(guī)氣象資料（地面數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)）生成。

如圖2所示，AERMET的輸入數(shù)據(jù)精簡后可以接受以下數(shù)據(jù)：

（1）地表氣象數(shù)據(jù)：時(shí)間、風(fēng)向［度］、風(fēng)速［m/s］、總云量、低云量、干球溫度［℃］。

（2）探空氣象數(shù)據(jù)：時(shí)間、探空層數(shù)、層序、氣壓、離地溫度、風(fēng)向、風(fēng)速。

圖2 AERMET數(shù)據(jù)流程

將以上數(shù)據(jù)輸入AERMET氣象預(yù)處理器后，將生成地面氣象數(shù)據(jù)文件、探空廓線數(shù)據(jù)文件。將兩個(gè)文件經(jīng)過AERMOD中的控制流引用進(jìn)入AERMOD系統(tǒng)，將平均風(fēng)速、水平向及垂向湍流量脈動(dòng)、溫度梯度、位溫、水平拉格朗日時(shí)間尺度等輸入擴(kuò)散模式，為計(jì)算污染物濃度提供氣象參數(shù)支撐。

2.2 基于GIS的AERMAP地形預(yù)處理

AERMOD擴(kuò)散模型的運(yùn)行，需要立足于高程地形參數(shù)的網(wǎng)格點(diǎn)上，而網(wǎng)格點(diǎn)的生成則需要AERMAP地形預(yù)處理器。AERMAP是簡化并標(biāo)準(zhǔn)化AERMOD地形輸入數(shù)據(jù)的地形預(yù)處理器，而其與GIS相結(jié)合能夠更加精確的根據(jù)污染源發(fā)生地的地理特征進(jìn)行大氣擴(kuò)散模擬。通過AERMAP能夠根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)格點(diǎn)參數(shù)自動(dòng)疊加高程數(shù)據(jù)，從而生成AERMOD模塊所需的網(wǎng)格點(diǎn)或任意點(diǎn)的高度尺度、地形高程，這些數(shù)據(jù)用于障礙物周圍大氣擴(kuò)散的計(jì)算，并結(jié)合氣象參數(shù)，從而可以進(jìn)行污染物濃度的分布計(jì)算?；贕IS的AERMAP處理流程如圖3所示。

圖3 AERMAP運(yùn)行流程

2.2.1 網(wǎng)格的設(shè)定

如圖3所示，將污染源的位置在GIS地圖上標(biāo)注完成后，通過GIS地圖能夠自動(dòng)獲取污染源周邊任意大小預(yù)測范圍的高程數(shù)據(jù)（DEM）。首先需要通過AERMAP的配置文件設(shè)定污染源擴(kuò)散模擬的初始網(wǎng)格點(diǎn)，網(wǎng)格點(diǎn)可以設(shè)置規(guī)則網(wǎng)格，亦可以設(shè)置為圓形、扇形等不規(guī)則網(wǎng)格。

2.2.2 GIS坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換

當(dāng)前一般應(yīng)用地圖的坐標(biāo)系多為D＿WGS＿1984，而AERMOD模型要求在平面坐標(biāo)系進(jìn)行運(yùn)算，所以需要通過GIS將指定范圍的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行投影。GIS可以根據(jù)選擇的預(yù)測范圍所在區(qū)域自動(dòng)進(jìn)行坐標(biāo)投影，如重慶大部分所在區(qū)域?yàn)?8帶，投影后坐標(biāo)系為 WGS＿1984＿UTM＿Zone＿48N。

2.2.3 初始網(wǎng)格點(diǎn)范圍驗(yàn)證

將預(yù)測范圍的高程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)系后，將預(yù)測范圍內(nèi)任意一點(diǎn)設(shè)置為AERMAP初始網(wǎng)格的原點(diǎn)（0，0），GIS通過初始網(wǎng)格的設(shè)定范圍自動(dòng)驗(yàn)證網(wǎng)格區(qū)域是否在劃定的預(yù)測范圍內(nèi)，以保證所有的網(wǎng)格點(diǎn)都能從地形數(shù)據(jù)文件中獲取各自的地形高程值。AERMAP運(yùn)算時(shí)將不會(huì)對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行驗(yàn)證，以提高其運(yùn)行效率。

2.2.4 導(dǎo)入驗(yàn)證參數(shù)計(jì)算網(wǎng)格高程

AERMAP的輸入的參數(shù)包括：評(píng)價(jià)區(qū)域網(wǎng)格點(diǎn)，評(píng)價(jià)區(qū)地形高程數(shù)據(jù)文件。AERMAP可以采用線性插值方法，計(jì)算出網(wǎng)格點(diǎn)的高度尺度。AERMOD模型考慮了地形對(duì)污染物濃度分布的影響，其物理基礎(chǔ)是采用臨界分流概念，將擴(kuò)散流場分為2層結(jié)構(gòu)，使復(fù)雜和平坦地形一體化處理。在臨界分流高度以下的流體，沒有足夠的能量越過山體，只能繞過地形；而在高于臨界分流高度的氣層內(nèi)，氣流有足夠的動(dòng)能克服位能并越過山頭。

2.3 AERMOD擴(kuò)散模式

通過控制流文件將AERMET和AERMAP的運(yùn)行結(jié)果：邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)、廓線數(shù)據(jù)、地形預(yù)處理數(shù)據(jù)導(dǎo)入到AERMOD擴(kuò)散模式中，同時(shí)輸入污染源相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定網(wǎng)格點(diǎn)的濃度計(jì)算。AERMOD模型支持的污染源包括點(diǎn)源、面源、體源，同時(shí)考慮了建筑物的下洗幾何參數(shù)。

AERMOD在執(zhí)行濃度擴(kuò)散計(jì)算時(shí)，擴(kuò)散模塊可以計(jì)算出給定污染物的小時(shí)、日均或年平均濃度分布及煙羽抬升高度、干濕沉降?？刂屏髦性O(shè)定的“最大濃度”指令可以從各種時(shí)段平均濃度數(shù)據(jù)中挑選出任意指定數(shù)量的最大濃度（最大、次最大等）。用戶需要設(shè)置單位時(shí)間中輸出多少個(gè)最大值，以及最大濃度的閾值。計(jì)算結(jié)果以文本格式儲(chǔ)存在用戶設(shè)定的文件中。

2.4 基于GIS的AERMOD擴(kuò)散渲染

AERMOD模型的輸出結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，AERMOD模型的輸出結(jié)果是根據(jù)在AERMAP中設(shè)置的初始網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行分布的。如果需要在GIS上進(jìn)行等值線的勾畫，需要應(yīng)用克里金（Kriging）插值算法對(duì)以上輸出結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算，從而得到空間連續(xù)數(shù)據(jù)以便于GIS構(gòu)圖。

GIS需要將輸出結(jié)果中的網(wǎng)格點(diǎn)位坐標(biāo)反向轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo)，并且應(yīng)用克里金插值算法結(jié)果勾畫出大氣擴(kuò)散的等值線圖，如圖4所示。

圖4 大氣污染等值線圖

應(yīng)用GIS技術(shù)，可以在等值線圖的基礎(chǔ)上渲染出各類濃度分布圖。

3 GIS在AERMOD模型中的作用

3.1 數(shù)據(jù)支撐的作用

在AERMOD模型的處理過程中，GIS為AERMOD的模型運(yùn)算提供了空間數(shù)據(jù)支撐。在AERMAP的網(wǎng)格設(shè)置過程中，首先通過GIS將AERMAP設(shè)定的－4 000到4 000，定長為400的441網(wǎng)格點(diǎn)，以原點(diǎn)（0，0）的空間坐標(biāo)為基準(zhǔn)點(diǎn)，將其從數(shù)學(xué)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為投影坐標(biāo)。從而將AERMOD的預(yù)測范圍的電子地圖進(jìn)行網(wǎng)格化，如圖5所示。由此可見，在AERMOD運(yùn)算結(jié)果出來后，并不能簡單的將相關(guān)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行連接，且每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的濃度值也不可能一樣，無法直接通過連接網(wǎng)格點(diǎn)構(gòu)建等值線圖。這里就要運(yùn)用GIS的克里金插值算法，根據(jù)相關(guān)網(wǎng)格點(diǎn)描繪等值線?？死锝鸩逯邓惴ㄊ且环N對(duì)空間分布數(shù)據(jù)求最優(yōu)，線性，無偏內(nèi)插估計(jì)量的方法。如果已知某一地點(diǎn)附近的若干污染濃度值樣本，那么根據(jù)樣本點(diǎn)的空間相關(guān)性及各樣本點(diǎn)的權(quán)重，就能對(duì)未知點(diǎn)的污染濃度值進(jìn)行估計(jì)。最后根據(jù)估計(jì)的等值濃度點(diǎn)，通過GIS的繪圖構(gòu)建等值線。

圖5 區(qū)域網(wǎng)格化和等值線繪圖

3.2 優(yōu)化展示效果的作用

AERMOD模型的輸出結(jié)果是一列列數(shù)據(jù)，通過GIS能夠?qū)⑾嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化的展示，從直觀效果和美化方面都能夠滿足人們對(duì)大氣擴(kuò)散的一般認(rèn)識(shí)，使得相關(guān)科研研究不再只是少數(shù)人員能夠進(jìn)行的活動(dòng)。通過GIS的展示，能夠使更多的人直觀的了解大氣污染對(duì)人類生活的影響，從而更加注重環(huán)境保護(hù)意識(shí)。

3.3 輔助決策的作用

在大氣污染事故發(fā)生時(shí)，通過GIS生成的空間等值線圖和擴(kuò)散分布圖，能夠直觀的預(yù)測在不同濃度的污染程度對(duì)預(yù)測范圍內(nèi)大氣的影響。從而提高事故的處理決策效率，相關(guān)人員不需要再去分析復(fù)雜的運(yùn)算結(jié)果，通過GIS就能夠直接了解一定時(shí)間污染物的分布情況，從而及時(shí)制定相應(yīng)的對(duì)策。

4 在環(huán)保領(lǐng)域中的應(yīng)用

4.1 在環(huán)境評(píng)價(jià)方面的應(yīng)用

《國家大氣污染環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》明確制定了大氣污染情況分為年平均、日平均、小時(shí)平均，又細(xì)分為3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，以年平均的3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)為例：一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.02mg/Nm3、二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.06mg/Nm3、三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)0.1mg/Nm3，高于三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的污染便屬于超標(biāo)污染。通過GIS對(duì)AERMOD模型運(yùn)算結(jié)果的解析，并且在其上進(jìn)行直觀的渲染，能夠更好的幫助人們進(jìn)行環(huán)境評(píng)價(jià)。

如圖6所示，通過圖例規(guī)范各污染級(jí)別的顏色，在GIS地圖上展示AERMOD運(yùn)算結(jié)果時(shí)根據(jù)圖例渲染同污染濃度區(qū)域顏色。

圖6 污染物擴(kuò)散評(píng)價(jià)分析

由于AERMOD模型在運(yùn)算時(shí)考慮了地形條件和氣象條件，GIS的渲染結(jié)果同樣能夠準(zhǔn)確的表達(dá)污染物擴(kuò)散趨勢，在山地、氣候多變的區(qū)域采用AERMOD模型具有更實(shí)際的意義。

4.2 在突發(fā)事件預(yù)測方面的應(yīng)用

在AERMOD模型的應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)其對(duì)氣象參數(shù)的要求比較高，這樣能夠更好的在突發(fā)污染物擴(kuò)散事件上更精確的對(duì)其擴(kuò)散趨勢進(jìn)行預(yù)測。AERMOD模型最小時(shí)間精度為小時(shí)，對(duì)氣象參數(shù)的要求也是精確到小時(shí)，在發(fā)生突發(fā)事件時(shí)，能夠即時(shí)的通過氣象監(jiān)測車輛監(jiān)測的氣象數(shù)據(jù)作為模型的氣象輸入數(shù)據(jù)，結(jié)合地形參數(shù)，從而及時(shí)預(yù)測污染物的擴(kuò)散趨勢，為人員和車輛的撤離做好預(yù)案。

圖7 突發(fā)事故預(yù)測分析

如圖7所示，當(dāng)污染事故發(fā)生時(shí)，可以通過GIS地圖提供污染源周邊敏感點(diǎn)位，如學(xué)校、醫(yī)院。及時(shí)形成相關(guān)預(yù)案，減少人員財(cái)產(chǎn)的損失。當(dāng)然在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，此模型只能做為相關(guān)擴(kuò)散趨勢的參考，但其精確度大于一般的估算模式。

5 結(jié)論

介紹了一種基于GIS的大氣擴(kuò)散模型實(shí)現(xiàn)方式，將大氣擴(kuò)散過程及結(jié)果通過GIS技術(shù)進(jìn)行直觀表達(dá)，實(shí)現(xiàn)圖文一體化的大氣環(huán)境預(yù)測分析，為大氣環(huán)境的防治提供輔助支撐。該種方式較好的促進(jìn)了環(huán)境治理工作的開展和環(huán)境污染的防范，對(duì)于各地大氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)及類似項(xiàng)目建設(shè)具有較好的參考價(jià)值。

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