欧洲部分国家城市大气污染研究进展

2008-7-15 9:23:12  作者:蒙伟光  来源:艾普网  【 查看评论
摘 要: 综述了欧洲部分国家大气污染研究的进展情况。总的来说,进展速度很快,主要表现在:近年来在欧洲科学和技术研究合作组织(COST)领导下开展了大量的合作研究;气象和空气质量观测网点和观测项目迅速增多,所获得资料也逐渐公开化并在网上发布;无论是中尺度气象模式还是城市空气质量预报模式,更新换代的速度都非常快;建立了与空气质量有关的资料系统、预报模式、预报系统、决策系统和评估系统,并有机地结合成空气质量信息系统;制定了比较先进的城市大气污染研究的目标,如要开展城市污染气象学的研究、增加高分辨率的气象资料和空气质量的监测等。

关键词: 大气污染 城市空气质量 预报模式 合作研究



1 合作使欧洲城市大气污染研究取得重大进展

最近二、三十年以来,欧洲部分国家在科学技术上进行合作研究,取得了巨大的成就。数值天气预报就是很好的例子,20世纪五、六十年代美国借助于人才、资金和技术的优势?一流信息监控拦截系统(IMB System)>
通过这4个合作项目的活动,参加国一致认为一定要使欧洲城市有良好的空气质量,才能满足社会和经济发展的需求。为此,要大大减少工业园区和电厂排放的污染物。此外,还要解决的问题是如何控制汽车尾气的排放。参加国一致认为欧洲要对空气质量的评估和管理建立统一的法规。参加国也一致认为欧洲要有统一的观测网和资料库,并已提出了基本构想。参加国还就4个合作项目进行了大量的学术交流。

第5个合作项目是:COST710——用于污染物扩散模式的气象资料预处理中的调试问题。将气象资料输入空气质量预报模式进行城市大气污染预报时,需要输入一些大气边界层参数,这些参数的计算被称为“预处理”。为了提高“预处理”的质量,COST710召开过4次会议,使大家对计算地面通量、摩擦速度和混合层高度的方法与能力,有了更深层次的认识。COST710活动始于1994年,于1998年秋结束。

有一个合作项目直至现在还在进行,即COST715——气象在城市污染问题中的应用。这个项目始于1998年,要到2003年才结束。城市污染问题的预报和研究,对气象有很大的依赖性。所需的气象信息是否合适和充分、气象“预处理”的质量,及与化学模式相配套的中尺度气象模式的预报效果,都与城市大气污染预报和研究的水平密切相关。COST设计这个合作项目的目的,是让参加国进行关于气象资料与污染物浓度资料、气象与化学模式以及其它相关信息的交换,对什么样气象条件下污染物浓度会超标进行充分的学术交流。此项合作虽然只进行了一半时间,但已取得了许多丰硕的成果。



2 气象和空气质量观测网点和观测项目迅速增多

没有足够的和适用的高分辨率的气象和物质浓度的资料,城市大气污染的预报和研究是没法进行的。

2.1观测网点

近一、二十年在欧洲许多国家气象和空气质量观测网点迅速增多。以芬兰为例,芬兰是一个空气污染并不严重的人口小国(全国人口仅500万左右)。按欧共体的标准,它只有1个监测站测得了总悬浮颗粒物(TSP)超标,但截止1993年它在所有5万居民以上级城市都建立了空气质量观测网,共建立了31个城市监测网,112个监测站。

基本天气站和探空站的数目没有很大的变化,气象观测站的增加主要表现在自动气象站(AMS)的增加上。如葡萄牙是一个经济不算发达的国家,面积不大(90000km2左右),人口也不多(1千万左右)。从1994年至今在非城市区建立了93 个自动气象站,其中78个在大陆上,其余在海岛上。自动气象站每10min收集1次资料,并与计算机相联,用户随时可以获取和使用资料。2000年葡萄牙在城市中建立自动气象站(指5万居民以上的城市),共17个站,其中首都里斯本5个,波尔多3个,其它城市都是1个。

2.2 观测项目

为适应城市大气污染预报和研究的需要,天气站、探空站、自动气象

站都增加了许多观测项目。如前述的葡萄牙所建的自动气象站,其观测项目除了常规的地面气压、1.5m处的气温、相对湿度、降水和10 m处的风向风速外,还增加了2m处的辐射、5cm处的温度、-10、-20、-50、-100cm处的土壤温度。显然,这些增加的项目对于计算边界层的参数都是十分有用的。在欧洲天气站和探空站没有明显的增加,但是在一些国家气象站的观测项目有所增加,这些项目和城市大气污染预报与研究关系十分密切。如法国气象站增加了在10m和35m 2个高度上进行湍流通量和湍流脉动量标准差的观测。在挪威的2个最大城市奥斯陆和卑尔根的气象站,增加了地面长波和短波辐射通量观测,在夏天还加上了地面潜热通量的观测。这些观测对“预处理”都是十分需要的。此外在农田和森林区有10个气象站也增加了地面通量的观测,这些观测对于城市污染物长距离输送的研究是很有价值的。

需要指出的是,欧洲国家之间人口面积相差很大,工农业布局以及经济发展水平也很不一样,所以各国的空气质量观测项目很不相同。例如挪威空气质量良好,所以空气质量监测站只有少数进行常规观测,大多数只在冬季对NOX/NO2进行监测。葡萄牙的空气污染问题主要是汽车的尾气排放问题,所以葡萄牙空气质量监测站主要对SO2、NOX、TSP和O3进行监测,在某些大城市增加铅的监测,在2个炼油厂旁则增加碳氢化合物的观测。

2.3 气象资料和空气质量监测资料的公开化

在相当长的一段时期内,全国气象资料和空气质量监测资料都不属公开资料。尤其是气象资料,曾被认为一旦泄漏出去会危及国家的安全。但随着时代的发展,尤其是卫星遥感技术的发展,使这种观念发生了变化。因为在不久的将来,就可以通过卫星遥感获取全球的气象资料。美国著名气象学家Anthes认为,这个时间是2025年。与此相类似,全球的空气质量监测也可以通过卫星遥感来实现。实际上,目前美国科学家已经可以利用卫星遥感资料,画出某些空气污染物长距离输送的四维(三维空间加时间)图象。显然,气象资料和空气质量监测资料的保密将越来越没有意义。美国国家环境预报中心(NCEP)率先在网上向用户提供1日4个时次全球2.5°× 2.5°的大尺度气象资料,垂直层次为17层。这些资料也包括许多“预处理”物理量,如各种地面通量。前述的欧洲中期天气预报中心ECMWF,由于它是由100多个国家和组织组成的,如要将资料公开,需征得全体成员国和组织的同意,所以对气象资料公开化的步子,就不如美国那么快,目前很多气象资料主要还是对它的成员公开。

欧洲有一些国家,如丹麦和挪威,已将部分的气象资料和空气质量监测资料在因特网上发布。当然,总的来说,欧洲各国对待资料公开化的态度是很不相同的,如意大利的天气站和探空站是归空军气象局管的,取用气象资料要按合同或征得地方政府的许可。但是资料公开化是大势所趋,很多欧洲国家资料虽未公开,但他们都对资料的收集、整理及保存做了大量的工作,建立了资料库。可以预见,这些资料一旦上网公开,使用是非常方便的。



3 中尺度气象模式的研制与引进

一个高质量和高分辨率的中尺度气象预报模式,是城市大气污染预报的基础。在美国环保局(EPA)研制的第3代空气质量预报模式(Models-3)中,就有2个可供选择的十分先进的中尺度气象模式。一个是NCAR/PENN第5代中尺度模式MM5,它是由美国国家大气研究中心(NCAR)和宾州大学大气科学系(PENN)的一批气象学家经过20多年的努力联合研制成功的。另一个是美国科罗拉多州立大学Pielke教授等研制的区域中尺度大气模式系统RAMS。这2个模式都是非静力的。

欧洲一些国家在进行城市大气污染的预报和研究时,分别引进了这2个模式。引进这2个模式需有较好的气象科研基础。挪威的气象科研水平比较高,著名的卑尔根学派又叫挪威学派,正是他们将锋面和气团的学说引入天气学,奠定了天气分析的基础。挪威气象学家引进了MM5,把它嵌套在欧洲七国(丹麦、芬兰、法国、荷兰、挪威、西班牙和瑞典)联合研制的水平分辨率为10km的高分辨率有限区域模式系统(HIRLAM10)上。MM5本身也有两重嵌套,粗网格分辨率为3km,细网格分辨率为1km,这个分辨率在欧洲是最高的,同时也已达到了MM5的极限能力。挪威空气研究所(NILU)将MM5联到前述的空气质量信息系统(AirQUIS)的排放模式和城市尺度数值扩散模式上进行空气质量的预报。意大利和西班牙则分别引进了RAMS。意大利气象研究所将RAMS联到一个大气污染物扩散模式上进行城市大气污染预报。西班牙的地中海环境研究中心,则是将RAMS联到一个变格点的城市污染物浓度预报模式UAM-V上来作预报。

在气象模式方面,欧洲联合设计了欧洲中期数值预报模式,后来又联合设计了高分辨率的有限区域模式系统并都获得了成功,但他们好像就此止步了,并没有联合设计中尺度的气象模式。欧洲一些国家独立设计了中尺度气象模式,其中比较成功的是法国气象学家Aladin设计的ALADIN中尺度气象模式,它每天都发布中尺度预报,1日2次,每次预报36h,为各种空气质量模式提供气象资料。葡萄牙也在用ALADIN模式,主要用于计算与边界层密切相关的一些气象场及气象参数,如海风以及里斯本地区每日混合层高度和通风指数的最大值等。无论法国还是葡萄牙都没有直接将ALADIN模式联到空气质量预报模式上去。有些国家既没有引进也没有研制中尺度气象模式,但它们设计了一些模式专门计算“预处理”的物理量,供空气质量预报模式使用。例如英国环境科学部的大气科学研究组(ASRG),就设计了一个这类模式。



4 城市空气质量预报模式的研制

欧洲国家没有联合研制中尺度气象模式,也没有联合研制城市空气质量预报模式,因此,在这2个领域的进展赶不上美国EPA。EPA研制的第3代空气质量预报模式水平很高,我们已在“一种多选择的空气质量预报模式”中进行了详细的介绍(见《重庆环境科学》),为节省篇幅,这里不再进行讨论。

欧洲各国的空气质量预报模式是比较多样化的,这在一定程度上也跟各国对空气质量预报的要求不同有关,也许这也是欧洲没有在城市空气质量预报模式上进行联合研制的原因之一。如比利时空气质量很好,它只有一个污染预报模式,即臭氧浓度预报模式。而意大利的空气质量就不如比利时那么好,相应地污染预报模式就比较多,主要的有10多种,且种类齐全,扩散模式、化学模式和空气质量信息系统都有。

现时的欧洲空气质量预报模式大致分3类。第1类是无化学反应的预报模式,它主要由扩散模式和统计模式组成。扩散模式是根据污染物在大气中的扩散来作预报,最简单的是挪威用的高斯扩散模式,此外还有丹麦用的三维拉格朗日输送模式、意大利用的城市尺度大气扩散模式和丹麦用的高分辨有限区域示踪物模式等。统计模式是利用气象场参数,主要是大气边界层一些气象参数与污染物时空变化的统计关系来作预报。统计模式类型很多,如法国的神经网络模式,意大利预报NO2污染的SMA-ARPA业务统计模式,及匈牙利的化学质量平衡模式等,其中神经网络模式很有创意,发展很快。一般来说,在欧洲空气质量较好的国家(如芬兰、比利时和英国),基本上用的都是无化学反应的预报模式。第2类是既考虑气象场的影响又考虑污染物化学反应的化学预报模式。意大利和西班牙有许多化学预报模式。例如,用于意大利Bologna区的光化学欧拉模式和光化学箱式模式,考虑了云雾化学过程的大气化学模式STEM-Ⅱ;西班牙变格点的城市空气污染预报模式UAM-V和西班牙的三维光化学扩散模式MARS等。一般来说只有在大工业区才研制化学预报模式。如意大利的化学模式基本上只用于它的北部地区,其北部地区的工业占了意大利工业的80%以上。第3类是空气质量信息系统。简言之,所谓空气质量信息系统,是将与空气质量有关的资料系统、预报模式、预报系统、决策系统和评估系统等有机地结合在一起。如系统中可以包括各种尺度的气象资料和“预处理”模式,及将“预处理”结果输入各种空气质量预报模式的系统模块。系统可以按用户的需求将“预处理”的结果输入用户所需用的模式,得到用户所需的结果。不难看出,建立空气质量信息系统是一个方向,它是多选择多用途的,而且使用方便。EPA的空气质量预报模式Models-3,就是空气质量信息系统的典范。在欧洲已有很多国家建立了空气质量信息系统,如挪威建立的称作AirQUIS的系统。此外,丹麦建立的系统称作丹麦大气化学预报系统DACFOS;芬兰建立的系统称作空气污染信息系统API-FMI;而意大利则加了“控制”二字,称作空气质量控制信息系统ATMOSFERA,主要为罗马服务。

无论是气象模式还是空气质量预报模式,更新换代都十分快,这与计算机和信息系统的发展紧密相关,一般来说5年左右就要换代。所以上述所有欧洲各国现在正在使用的模式都是近几年研制或引进的。



5 欧洲城市大气污染研究的目标

   2000年6月,COST715的参加国在捷克首都布拉格举行会议。会上各参加国代表对城市大气污染研究目标都发表了自己的看法,从这些看法中我们大致能看到欧洲大气污染研究的发展趋势。需指出的是由于会议议题所限,下面所列出的研究目标都与气象相关。

   (1)要增加高分辨的气象资料和空气质量的监测,特别是在城区。要增加观测项目,例如辐射和近地层湍流通量的观测。为此要添置和研制新仪器,其中特别讲到了风和温度的垂直廓线仪。

   (2)开展城市污染气象学的研究。广义地说城市是污染物的缓冲区(Buffer),城市内污染物浓度的演变,不单受城市大气边界层内气象条件的影响,还受城市内建筑物、植被和地形的影响及两者的共同影响。但迄今为止,即使对城市大气边界层的气象条件,也不是研究得很清楚,其原因之一是缺乏观测资料。城市污染气象学研究的重点是将城市的影响参数化。

   (3)在现有的条件下大力发展“预处理”研究。现在所选的用于空气质量预报的大气边界层的气象参数,多数是参照Monin-Oberkhov相似理论选定的,所选参数是否合适和是否足够,都需进一步评估。

   (4)在欧洲一般是在冬季高压控制的形势下容易出现污染超标的情况。对污染物超标的气象条件,及在什么情况下容易吸入悬浮的易吸入颗粒物(SIP),要作进一步的研究,以便能对污染超标事件预先作出警告。

   (5)发展空气质量的预报模式特别是化学预报模式,提高高分辨有限区域数值预报模式(HIRLAM)及先进的中尺度气象模式的作用。 

(6)研究何种模式对本国和本地区是最适合的。欧洲城市大气污染的研究除了着重于对本地区空气质量的监测、预报和控制之外,近年来还广泛进行了与除欧洲国家之外的其它国家的国际交流与合作,象在中国和埃及等国都有一些合作项目。

6 结语

以上对欧洲部分国家城市大气污染研究的进展进行了简单的介绍。不难看出,有很多先进经验是值得我们借鉴的。例如合作研究,这种方式可以把人才和资金集中使用。另外,在气象站增加边界层的观测项目,也是“投资小见效大”的一个有效措施。至于他们提出的一系列城市大气污染研究目标也有很重要的参考价值。



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第一作者蒙伟光,男,1962年生,1983年毕业于中山大学,现为在读博士生,高级讲师。该文作者还有中山大学的林文实、范绍佳、王安宇及广东省环境科学研究所的钟流举和于群。
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