基于GIS的AERMOD 大氣擴散模型在環保領域中的應用

劉海涵，朱 勃，韓 熙，李 兵

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

隨著工業化生產力愈加進步，我國的環境問題也愈加突出。霧靄天氣已經成為國民生活當中不可避免需要面對的問題。霧靄天氣產生的原因是大氣污染，而中國的大氣污染問題已經引起國內甚至國際上的高度重視。當今，國家逐步加大了環境保護的力度，并制定了環境質量評價的導則及環境保護實施細則，對各種有害污染物如SO2、NOx、煙塵等進行嚴格的治理和控制［1］。為響應國家環境保護的總體戰略目標，各省市地方環保局也加大了對環境的治理和監測。在防治大氣污染領域，大氣擴散模型正在被廣泛的應用到大氣預測和大氣環境評價體系中［2］。本文利用GIS的空間分析技術，結合氣象信息、地理高程信息、污染源信息等，應用AERMOD大氣擴散模型分析污染物擴散趨勢，從時間、空間等多維度分析污染物擴散過程。GIS的空間分析技術包括數據檢索及表格分析、疊置分析、緩沖區分析和網絡分析，在此基礎上，為污染治理、人員疏散提供輔助決策依據，從而尋找更加有效的污染擴散防治辦法，減少大氣污染帶來的損失［3］。

1 AERMOD模型簡介

AERMOD是由美國國家環保局聯合美國氣象學會組建法規模式改善委員會開發，該模型以擴散統計理論為出發點，假設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散理論［4］。AERMOD模型是穩定狀態煙羽模型，其在處理擴散參數、大氣穩定度、復雜地形、對流條件浮力煙羽和混合層頂的相互作用及對流條件垂直擴散方面具有理論先進性，能夠更好地反映污染物的實際擴散。模型系統可用于多種排放源（點、面、體源）的排放。美國在2002年就把這個模型作為國家標準中的推薦模型。通過在美國的多年應用，使AERMOD模型有了成熟的應用基礎，其適應性強的特點在中國多變的氣候和復雜的地理環境下有廣闊的發展前景。2007年，國家環境保護總局公布的《環境影響評價技術導則大氣環境》將該模型列入推薦模型清單，成都環科院、西南電力研究院等多家單位已經開始將此模型應用在環評中［5］。

2 AERMOD模型處理過程

AERMOD大氣擴散模型包括AERMOD擴散模式、AERMET氣象預處理和AERMAP地理預處理模塊。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氣象預處理將常規的氣象觀測數據處理成AERMOD大氣擴散模型所需的數據格式。通過AERMAP地形預處理器，可使用網絡化地形數據計算預測點的地形高度數據。將AERMET和AERMAP生成的結果文件導入到AERMOD模型中，并設置污染源參數，從而通過AERMOD擴散模式計算出特定時間段各網格點的污染物濃度變化趨勢，從而得出預測結果。從AERMOD模型的處理流程中可以看出，GIS的介入點主要是在高程地形參數的提供和預測結果的展示2個方面。

2.1 AERMET氣象預處理

要運行AERMOD模型，需要兩個基本的氣象數據文件：地面氣象數據文件（surface meteorological data file）及探空廓線數據文件（profile meteorological data file），這2個氣象文件由AERMET氣象預處理器生成。AERMET氣象預處理數據流程如圖2所示。AERMET的邊界層參數數據和廓線數據可以由輸入的現場觀測數據確定，或由輸入的國家氣象局常規氣象資料（地面數據、探空數據）生成。

如圖2所示，AERMET的輸入數據精簡后可以接受以下數據：

（1）地表氣象數據：時間、風向［度］、風速［m/s］、總云量、低云量、干球溫度［℃］。

（2）探空氣象數據：時間、探空層數、層序、氣壓、離地溫度、風向、風速。

圖2 AERMET數據流程

將以上數據輸入AERMET氣象預處理器后，將生成地面氣象數據文件、探空廓線數據文件。將兩個文件經過AERMOD中的控制流引用進入AERMOD系統，將平均風速、水平向及垂向湍流量脈動、溫度梯度、位溫、水平拉格朗日時間尺度等輸入擴散模式，為計算污染物濃度提供氣象參數支撐。

2.2 基于GIS的AERMAP地形預處理

AERMOD擴散模型的運行，需要立足于高程地形參數的網格點上，而網格點的生成則需要AERMAP地形預處理器。AERMAP是簡化并標準化AERMOD地形輸入數據的地形預處理器，而其與GIS相結合能夠更加精確的根據污染源發生地的地理特征進行大氣擴散模擬。通過AERMAP能夠根據設置的網格點參數自動疊加高程數據，從而生成AERMOD模塊所需的網格點或任意點的高度尺度、地形高程，這些數據用于障礙物周圍大氣擴散的計算，并結合氣象參數，從而可以進行污染物濃度的分布計算?；贕IS的AERMAP處理流程如圖3所示。

圖3 AERMAP運行流程

2.2.1 網格的設定

如圖3所示，將污染源的位置在GIS地圖上標注完成后，通過GIS地圖能夠自動獲取污染源周邊任意大小預測范圍的高程數據（DEM）。首先需要通過AERMAP的配置文件設定污染源擴散模擬的初始網格點，網格點可以設置規則網格，亦可以設置為圓形、扇形等不規則網格。

2.2.2 GIS坐標系轉換

當前一般應用地圖的坐標系多為D＿WGS＿1984，而AERMOD模型要求在平面坐標系進行運算，所以需要通過GIS將指定范圍的高程數據進行投影。GIS可以根據選擇的預測范圍所在區域自動進行坐標投影，如重慶大部分所在區域為48帶，投影后坐標系為 WGS＿1984＿UTM＿Zone＿48N。

2.2.3 初始網格點范圍驗證

將預測范圍的高程數據轉換為投影坐標系后，將預測范圍內任意一點設置為AERMAP初始網格的原點（0，0），GIS通過初始網格的設定范圍自動驗證網格區域是否在劃定的預測范圍內，以保證所有的網格點都能從地形數據文件中獲取各自的地形高程值。AERMAP運算時將不會對此項進行驗證，以提高其運行效率。

2.2.4 導入驗證參數計算網格高程

AERMAP的輸入的參數包括：評價區域網格點，評價區地形高程數據文件。AERMAP可以采用線性插值方法，計算出網格點的高度尺度。AERMOD模型考慮了地形對污染物濃度分布的影響，其物理基礎是采用臨界分流概念，將擴散流場分為2層結構，使復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，氣流有足夠的動能克服位能并越過山頭。

2.3 AERMOD擴散模式

通過控制流文件將AERMET和AERMAP的運行結果：邊界層參數數據、廓線數據、地形預處理數據導入到AERMOD擴散模式中，同時輸入污染源相關參數進行設定網格點的濃度計算。AERMOD模型支持的污染源包括點源、面源、體源，同時考慮了建筑物的下洗幾何參數。

AERMOD在執行濃度擴散計算時，擴散模塊可以計算出給定污染物的小時、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定的“最大濃度”指令可以從各種時段平均濃度數據中挑選出任意指定數量的最大濃度（最大、次最大等）。用戶需要設置單位時間中輸出多少個最大值，以及最大濃度的閾值。計算結果以文本格式儲存在用戶設定的文件中。

2.4 基于GIS的AERMOD擴散渲染

AERMOD模型的輸出結果如表1所示。

從表1可以看出，AERMOD模型的輸出結果是根據在AERMAP中設置的初始網格點進行分布的。如果需要在GIS上進行等值線的勾畫，需要應用克里金（Kriging）插值算法對以上輸出結果進行運算，從而得到空間連續數據以便于GIS構圖。

GIS需要將輸出結果中的網格點位坐標反向轉化為經緯度坐標，并且應用克里金插值算法結果勾畫出大氣擴散的等值線圖，如圖4所示。

圖4 大氣污染等值線圖

應用GIS技術，可以在等值線圖的基礎上渲染出各類濃度分布圖。

3 GIS在AERMOD模型中的作用

3.1 數據支撐的作用

在AERMOD模型的處理過程中，GIS為AERMOD的模型運算提供了空間數據支撐。在AERMAP的網格設置過程中，首先通過GIS將AERMAP設定的－4 000到4 000，定長為400的441網格點，以原點（0，0）的空間坐標為基準點，將其從數學坐標轉換為投影坐標。從而將AERMOD的預測范圍的電子地圖進行網格化，如圖5所示。由此可見，在AERMOD運算結果出來后，并不能簡單的將相關網格點進行連接，且每個網格點的濃度值也不可能一樣，無法直接通過連接網格點構建等值線圖。這里就要運用GIS的克里金插值算法，根據相關網格點描繪等值線?？死锝鸩逯邓惴ㄊ且环N對空間分布數據求最優，線性，無偏內插估計量的方法。如果已知某一地點附近的若干污染濃度值樣本，那么根據樣本點的空間相關性及各樣本點的權重，就能對未知點的污染濃度值進行估計。最后根據估計的等值濃度點，通過GIS的繪圖構建等值線。

圖5 區域網格化和等值線繪圖

3.2 優化展示效果的作用

AERMOD模型的輸出結果是一列列數據，通過GIS能夠將相關數據進行圖形化的展示，從直觀效果和美化方面都能夠滿足人們對大氣擴散的一般認識，使得相關科研研究不再只是少數人員能夠進行的活動。通過GIS的展示，能夠使更多的人直觀的了解大氣污染對人類生活的影響，從而更加注重環境保護意識。

3.3 輔助決策的作用

在大氣污染事故發生時，通過GIS生成的空間等值線圖和擴散分布圖，能夠直觀的預測在不同濃度的污染程度對預測范圍內大氣的影響。從而提高事故的處理決策效率，相關人員不需要再去分析復雜的運算結果，通過GIS就能夠直接了解一定時間污染物的分布情況，從而及時制定相應的對策。

4 在環保領域中的應用

4.1 在環境評價方面的應用

《國家大氣污染環境質量評價標準》明確制定了大氣污染情況分為年平均、日平均、小時平均，又細分為3個標準，以年平均的3個標準為例：一級標準0.02mg/Nm3、二級標準0.06mg/Nm3、三級標準0.1mg/Nm3，高于三級標準的污染便屬于超標污染。通過GIS對AERMOD模型運算結果的解析，并且在其上進行直觀的渲染，能夠更好的幫助人們進行環境評價。

如圖6所示，通過圖例規范各污染級別的顏色，在GIS地圖上展示AERMOD運算結果時根據圖例渲染同污染濃度區域顏色。

圖6 污染物擴散評價分析

由于AERMOD模型在運算時考慮了地形條件和氣象條件，GIS的渲染結果同樣能夠準確的表達污染物擴散趨勢，在山地、氣候多變的區域采用AERMOD模型具有更實際的意義。

4.2 在突發事件預測方面的應用

在AERMOD模型的應用過程中，發現其對氣象參數的要求比較高，這樣能夠更好的在突發污染物擴散事件上更精確的對其擴散趨勢進行預測。AERMOD模型最小時間精度為小時，對氣象參數的要求也是精確到小時，在發生突發事件時，能夠即時的通過氣象監測車輛監測的氣象數據作為模型的氣象輸入數據，結合地形參數，從而及時預測污染物的擴散趨勢，為人員和車輛的撤離做好預案。

圖7 突發事故預測分析

如圖7所示，當污染事故發生時，可以通過GIS地圖提供污染源周邊敏感點位，如學校、醫院。及時形成相關預案，減少人員財產的損失。當然在突發事件發生時，此模型只能做為相關擴散趨勢的參考，但其精確度大于一般的估算模式。

5 結論

介紹了一種基于GIS的大氣擴散模型實現方式，將大氣擴散過程及結果通過GIS技術進行直觀表達，實現圖文一體化的大氣環境預測分析，為大氣環境的防治提供輔助支撐。該種方式較好的促進了環境治理工作的開展和環境污染的防范，對于各地大氣環境質量評價及類似項目建設具有較好的參考價值。

［1］張潤杰，黎良明，康華春，等.一種估計區域生物災害空間分布的方法［J］.中山大學學報：自然科學版，2001，40（5）：80－82.

［2］楊多興，楊木水，趙曉宏，等.AERMOD模型系統理論［J］.化學工業與工程，2005，22（2）：130－135.

［3］丁 峰，李時蓓，蔡 芳.AERMOD在國內環境影響評價中的實例驗證與應用［J］.環境污染與防治，2007，29（12）：953－957.

［4］俎鐵林.美國EPA空氣質量模式導則評述［J］.環境影響評價動態，2002，6（6）：18－25.

［5］江 磊，黃國忠，吳文軍，等.美國AERMOD模式系統與中國大氣導則推薦模式點源比較［J］.環境科學研究，2007，20（3）：44－51.