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CALPUFF模式的標準化應用技術研究

【摘要】:
匯報內容:1、CALPUFF模式簡介;2、模式應用的主要問題;3、CALPUFF標準化應用;4、結語

1、CALPUFF模式簡介

·CALPUFF由西格瑪研究公司(Sigma Research Corporation)開發,是美國國家環保局(USEPA)長期支持開發的法規導則模型。

·CALPUFF是三維非穩態拉格朗日擴散模式系統,模型比較簡便靈活,可以處理有時空變化的惡劣氣象條件和污染源參數,比高斯煙羽模式適用范圍更廣。

·其界面化軟件可從評估中心網站上免費下載和使用。

 

2.1網格設置與分辨率

·CALPUFF模式考慮到煙團的迂回、回流等情況,CALPUFF氣象網格范圍應大于受體網格范圍。

·技術復核發現:有些項目未設置緩沖區,從而導致受體網格邊界附近的污染物濃度有較大誤差。

·有些項目將氣象網格的分辨率設成了100m,但由于土地利用數據采用了1km分辨率數據,導致土地利用數據失真的情況。

2.2基礎數據

CALPUFF自帶了前處理程序,如TERREL、CTGPROC、MAKEGEO、SMERGE、READ62、PMERGE、CALMM5等。

這些前處理程序是基于國外現有的數據源及數據格式設計的,而國內的數據格式、精度、要素與模式要求都有一定的差距,因此有些時候需要將國內的數據進行二次加工。

復核基礎數據發現的常見問題包括:基礎數據選用錯誤、基礎數據處理方法錯誤、基礎數據缺失、基礎數據來源未說明等。

2.2.1 地形數據

目前國內可免費獲取的地形數據有美國太空總署(NASA)和國防部國家測繪局(NIMA)聯合測量的SRTM3(精度90m)數據、以及美國NASA與日本經濟貿易工業部(METI)聯合測量的ASTER GDEM(精度30m)數據,可直接用于CALPUFF模式的數據為SRTM3。大氣環評導則中推薦的預測網格點的分辨率為:距源中心1km范圍內設置為50100m,距源中心1km外設置為100500m,故90m分辨率的SRTM3數據基本滿足要求。

2.3.3 地面氣象

CALPUFF預處理程序SMERGE可識別的地面氣象數據有CD144、SAMSON、HUSWO、TD3505等國外氣象部門提供的氣象數據格式。國內地面氣象數據格式與國外氣象數據格式差異較大,需要將國內的數據進行插值等預處理,才能被模式讀取。

技術復核發現:某項目處理一日四次觀測的云量數據時,其他時刻的云量未按大氣導則要求進行插值,而是簡單設置成0。此外,復核還發現環評單位雖提供了地面觀測數據,但在CALMET氣象預處理時未使用地面觀測數據,僅使用MM5/WRF模擬數據來驅動CALMET,也缺少模擬氣象數據與實測數據的驗證過程。

  2.3.4 高空氣象

目前國內可獲取的高空實測數據有美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的FSL格式數據。

技術復核發現:某項目在不考慮MM5/WRF模擬數據情況下,CALMET氣象預處理時僅使用一個高空實測站,而且高空實測站代表性太差,導致無法形成三維氣象場。

2.5 其他問題-2.5.1商業版本問題

國內多家軟件商對法規模式進行二次開發,由于開發者的開發水平參差不齊或者開發者人為修改預測結果,導致商業軟件存在一定的缺陷和風險。

技術復核發現,由于國內基礎數據格式與軟件不兼容,導致某商業軟件生成的數據存在異常值;

此外還發現某軟件商根據CALMET和CALPUFF自帶的測試例子參數來作為商業軟件的默認參數,造成軟件使用者對參數選取產生誤解。

2.5.2 采用CALPUFF開展風險預測

CALPUFF模式缺少重氣體模塊,本身不支持計算重氣體風險預測。重氣體的擴散與中性氣體、輕質氣體不同,其最主要的區別在于附加的重力驅動流動。

在未驗證的情況下,將目前版本的CALPUFF應用于重氣體風險預測,既缺乏理論基礎,也缺乏相應的法規文件支撐。

技術復核發現:一些石化項目采用CALPUFF開展重氣體風險預測(苯、液氨等),超過了模式本身的計算能力。

2.5.3 PM2.5 預測

與大氣導則推薦的AEMROD、ADMS 相比,CALPUFF 具有較為復雜的化學反應模塊,結合當前國家大氣污染防治的環保要求,國內一些環評單位采用CALPUFF 開展了火電、石化方面的PM2.5 預測,但復核發現一些問題:

某項目僅考慮生成的二次硫酸鹽、硝酸鹽顆粒物影響,未考慮排放源強中一次PM2.5 的貢獻影響;

某項目同時考慮了一次和二次顆粒物的影響,未說明一次PM2.5 源強取值依據;

3.1 應用范圍標準化

如圖5,案例排放源位于北京西部山區峽谷中,排放源處于復雜風場(風向空間變異、下坡氣流等),此時排放的污染物對北京西部、西南、東部地區均可能造成影響,此時采用

CALMET 來模擬風場更具有代表性。

3.2 網格設置標準化

針對污染煙團迂回、回流等情況,受體網格每個方向應設置10km以上的緩沖區。在氣象網格分辨率較粗時(如1km)。

CALPUFF可采用多密度離散網格受體,也可采用嵌套因子生成更密的受體網格,以解決100m網格距預測問題。

3.3 基礎數據標準化

環評報告應對CALMET使用的地形數據、土地利用數據的來源和分辨率予以說明。

當地形數據和土地利用數據為公開下載數據時,地形數據分辨率不應小于90m,土地利用數據不應小于1000m。

3.3 基礎數據標準化

對于每日實際觀測次數不足24次的地面氣象數據,在應用氣象資料前對原始資料進行插值處理,插值方法可采用連續均勻插值法(實際觀測次數為一日四次或一日八次)或者均值插值法(實際觀測次數為一日八次以上)。在CALMET氣象預處理時,應嚴格按照導則規定,考慮多個地面觀測數據和多個高空觀測數據。

針對國內高空氣象站相對比較稀疏(中國范圍內約90個國際交流站),項目范圍內及附近也可能沒有高空實測數據站,可采用MM5/WRF模擬數據作為高空數據補充。

3.4 模式參數標準化

國家應建立模型技術支持中心,開展CALPUFF模式參數敏感性、重點行業排放一次PM2.5源強因子、背景污染物濃度等研究

制定并發布相關參數的參考值,對于當前無法說明一次PM2.5源強因子、背景臭氧和氨氣濃度以及二次前體物排放量極少的環評項目,不應采用CALPUFF來進行PM2.5污染的模擬;

5、結語

開展CALPUFF模式標準化應用技術研究,制定CALPUFF標準化應用技術指南,解決當前CALPUFF應用不規范問題,可以為國家環境規劃、總量控制和環境影響評價提供技術支持和服務。

同時國家應制定嚴格的懲罰制度,公開曝光造假單位“大氣源強、模式參數造假等違規行為和對其處罰情況,真正從制度上堵住這些漏洞。

未來展望

1、 針對大氣環評基礎數據不同來源的問題,環評基礎數據庫(氣象、地形、土地利用等),對外提供統一的數據服務,解決因不同數據來源造成的模擬差異。

實驗室提供標準化的CALMET輸入數據(upper.dat、3D.dat、Lu.dat高分辨率土地利用數據)

2、開發LINUX環境下的運算平臺,提高運算速度