AERMOD模型地表參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化集成系統(tǒng)研究

伯  鑫1,2,王  剛3,田  軍4,楊景朝1,2,5,高錫章6,黃遠(yuǎn)奕7,李時(shí)蓓1,2*(1.環(huán)境保護(hù)部環(huán)境工程評(píng)估中心,北京 100012；2.環(huán)境保護(hù)部國(guó)家環(huán)境保護(hù)環(huán)境影響評(píng)價(jià)數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100012；3.三捷環(huán)境工程咨詢(杭州)有限公司,浙江杭州 310012；4.南京大學(xué)環(huán)境規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇南京 210093；5.成都信息工程大學(xué),四川成都610225；6.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,北京 100094；7.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

關(guān)鍵詞：AERMOD；AERSURFACE；地表參數(shù)；土地利用數(shù)據(jù)；AERMET

中圖分類號(hào)：X171.1      文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A      文章編號(hào)：1000-6923(2015)08-

Standard systems of surface parameters inAERMOD. BO Xin1.2, WANG Gang3,TIAN Jun4, YANG Jing-chao1,2,5, GAO Xizhang6, HUANGYuanyi7, LI Shi-bei1,2* (1.The Appraisal Center for Environment and Engineering, The StateEnvironmental Protection Ministry, Beijing 100012, China；2.StateEnvironmental Protection Key Laboratory of Numerical Modeling for EnvironmentImpact Assessment, Beijing 100012, China；3.Trinity Consultants, Hangzhou 310012, China；4.Academy of Environmental Planningand Design, Nanjing University, Nanjing 210093, China；5.Chengdu University of InformationTechnology, Chengdu 610225, China；6.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research,Beijing 100094；7.Civil and Environmental EngineeringSchool, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China). ChinaEnvironmental Science, 2015,35(8)：

Abstract：Aswe have a lot of problem and requirements in Atmospheric EIA (EnvironmentImpact Assessment) work, we built an Integrated System based on the highresolution data, GIS technology and EPA surface parameters processing module.With the land use data, the system focused on improving AERMOD simulationresult by the standardized and automatic ways, and finally build a national EIAsurface parameters database. With a real case in Inner Mongolia, we comparedthe results before and after modification, the results show that FB and RHCRindex are more close to 0and 1. So we can say that the AERSURFACE system canimprove the accuracy of prediction.

Key words：AERMOD；AERSURFACE；surface parameter；land use data；AERMET

 AERMOD模型作為我國(guó)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則大氣環(huán)境》(HJ 2.2-2008)以及美國(guó)環(huán)保署(EPA)推薦的預(yù)測(cè)模式之一,已在國(guó)內(nèi)外境影響評(píng)價(jià)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4].國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別將AERMOD模型應(yīng)用于NO2環(huán)境影響評(píng)價(jià)、垃圾焚燒廠二噁英的擴(kuò)散遷移、燃煤電廠污染物的健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、硫化氫排放因子的測(cè)定、昆明市工業(yè)區(qū)SO2情景模擬、PM10擴(kuò)散研究、鋼鐵企業(yè)大氣防護(hù)距離等研究工作中[5-17]

AERMOD是穩(wěn)態(tài)煙羽模型,包括了3個(gè)模塊:AERMOD(擴(kuò)散模塊)、AERMET(氣象預(yù)處理模塊)和AERMAP(地形預(yù)處理模塊)[18-20].通過輸入地表參數(shù)(地表粗糙度、反照率、波文比)以及地形數(shù)據(jù),該模型可以計(jì)算復(fù)雜地形條件下的污染物擴(kuò)散.其中粗糙度是確定機(jī)械湍流大小的重要變量;反照率為太陽輻射通過地表反射回去的比例;波文比是感熱通量和潛熱通量之比,這3個(gè)參數(shù)是計(jì)算行星邊界層條件的重要依據(jù),對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果有著非常重要的影響[21-28].然而,目前國(guó)內(nèi)大部分項(xiàng)目在地表參數(shù)選取時(shí)以人工判斷為主,不同的人判斷出來的地表參數(shù)都會(huì)有一定的差別,最終會(huì)反映在預(yù)測(cè)結(jié)果的偏差上,不利于模型的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用.

鑒于此,本研究以高分辨率(30m)土地利用數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過ArcGIS、ARESURFACE參數(shù)計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)區(qū)域土地利用類型?土壤干濕類型等要素的識(shí)別工作,最終建立了一套相對(duì)客觀的AERMOD地表參數(shù)集成系統(tǒng),旨在為法規(guī)模型的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用提供參考.

1  研究方法

1.1  AERSURFACE系統(tǒng)概述

為了得到較為符合實(shí)際的地表參數(shù)(地表粗糙度?反照率?波文比),2008年美國(guó)環(huán)保署發(fā)布了AERSURFACE模塊,并于2013年進(jìn)行了修正.該模塊在識(shí)別指定區(qū)域土地利用類型的基礎(chǔ)上,根據(jù)內(nèi)置的數(shù)據(jù)庫(kù),按照距離反比例加權(quán)的方法計(jì)算得到了能代表研究區(qū)域特征的地表參數(shù)[29].目前AERSURFACE在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用存在以下3點(diǎn)問題:(1)無法識(shí)別我國(guó)高分辨土地利用數(shù)據(jù)格式;(2)模式部分參數(shù)不適用于我國(guó),需要進(jìn)行本地化修正;(3)操作繁瑣,難以符合業(yè)務(wù)化需求.

圖1 AERSURFACE模型技術(shù)路線

Fig.1  Technology roadmap of AERSURFACEmodel

針對(duì)以上問題,本研究建立了AERSURFACE集成系統(tǒng),該系統(tǒng)主要分為4塊:全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)預(yù)處理、ArcGIS自動(dòng)化服務(wù)、AERSURFACE參數(shù)本地化、AERSURFACE集成系統(tǒng)(圖1).

1.2  土地利用數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊

20世紀(jì)90年代以來關(guān)于高分辨土地利用數(shù)據(jù),美國(guó)和歐盟曾利用包括NOAA/AVHRR?MODIS在內(nèi)的粗分辨率(250~1km)航天遙感資料,為地球系統(tǒng)模擬研制了6套空間分辨率為300m或1km的全球地表覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品[30],但由于其精度不高,實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有限[31].2013年美國(guó)馬里蘭大學(xué)利用空間分辨率為30m的LandsatTM/ETM+多時(shí)相遙感影像完成了2000~2012年全球森林增減情況的分析[32-33],但該研究并沒有考慮水體耕地等其他地表覆蓋類型.

本研究首先采用馬里蘭大學(xué)2012年全球土地利用數(shù)據(jù)[33]對(duì)中國(guó)科學(xué)院全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù)(http://www.resdc.cn/rescode/data-list.asp)中2000年土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行了更新,然后利用LandsatTM30m分辨率數(shù)據(jù),進(jìn)一步細(xì)化土地利用數(shù)據(jù).對(duì)于部分重點(diǎn)區(qū)域(如天津?北京?上海等)采用了SPOT4、SPOT5等高分辨率影像,并輔助以ALOS、Rapid Eye?福衛(wèi)-2等資料.在解譯過程中,對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域和地形復(fù)雜地區(qū),主要以目視解譯為主,其它區(qū)域則采用自動(dòng)化解譯的方式.

AERSURFACE用地類型采用的是NLCD92劃分標(biāo)準(zhǔn).該數(shù)據(jù)是由美國(guó)Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)解譯而成,包含了21種用地類型(表1),空間分辨率為30m,投影為Albers Conic Equal Area,大地基準(zhǔn)面為NAD83,數(shù)據(jù)格式為GeoTiff.

由于目前我國(guó)土地利用數(shù)據(jù)編碼與美國(guó)存在一定差異,不能被AERSURFACE直接讀取,因此需要對(duì)我國(guó)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的預(yù)處理.本研究整合了各省份的地理數(shù)據(jù),形成一個(gè)全國(guó)的土地利用數(shù)據(jù)庫(kù),并同步開展對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的校驗(yàn)和修正工作,在此基礎(chǔ)上將我國(guó)二級(jí)用地編碼轉(zhuǎn)化為NLCD92用地編碼,從而得到AERSURFACE系統(tǒng)可以直接識(shí)別的高分辨率土地利用數(shù)據(jù).·

表1  NLCD92用地編碼表

Table 1  NLCD92 land code table

1.3 模型參數(shù)的本地化

該模塊主要考慮了坐標(biāo)類型?扇區(qū)劃分?干濕類型等要素的參數(shù)本地化.本研究建立了一套輔助數(shù)據(jù)庫(kù),讓用戶可以實(shí)現(xiàn)扇區(qū)的自定義、美國(guó)坐標(biāo)系(NAD83)與WGS84等坐標(biāo)系統(tǒng)的自由轉(zhuǎn)化等功能;在土地干濕參數(shù)方面,本系統(tǒng)提供了2種設(shè)置方法,用戶既可以通過界面自定義參數(shù),同時(shí)也可以根據(jù)氣象部門、統(tǒng)計(jì)部門提供的干濕分布圖自動(dòng)識(shí)別.

1.4  ArcGIS自動(dòng)化識(shí)別系統(tǒng)

ArcGIS自動(dòng)化服務(wù)分別包括研究區(qū)域位置、土地利用數(shù)據(jù)?干濕類型的自動(dòng)識(shí)別功能.區(qū)域自動(dòng)識(shí)別:在地圖中選擇目標(biāo)點(diǎn)位,即可在參數(shù)設(shè)置面板中自動(dòng)獲取該點(diǎn)的經(jīng)緯度信息;也可在參數(shù)設(shè)置面板中手動(dòng)填寫經(jīng)緯度,方便用戶快速定位.土地利用數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取:用戶可通過該系統(tǒng)自動(dòng)獲取目標(biāo)點(diǎn)位的土地利用數(shù)據(jù).干濕類型自動(dòng)識(shí)別:在獲取目標(biāo)點(diǎn)經(jīng)緯度信息的基礎(chǔ)上,依據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局《中華人民共和國(guó)年鑒》對(duì)干濕地區(qū)的定義和中國(guó)氣象局的降雨量數(shù)據(jù)制作的干濕地區(qū)劃分圖,自動(dòng)獲取目標(biāo)點(diǎn)位的地表濕度類型.

1.5  系統(tǒng)集成模塊

系統(tǒng)集成模塊分為系統(tǒng)管理、模型計(jì)算?結(jié)果展示3大部分.其中系統(tǒng)管理包括高級(jí)用戶管理?普通用戶管理等,主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的維護(hù)和管理;模型計(jì)算包括參數(shù)設(shè)置界面、地表參數(shù)計(jì)算等字模塊,用戶在操作時(shí)需填寫經(jīng)度、緯度、半徑等基本信息,然后系統(tǒng)將根據(jù)這些信息自動(dòng)生成輸入文件,并調(diào)用主程序進(jìn)行計(jì)算.

AERSURFACE系統(tǒng)集成邏輯結(jié)構(gòu)見圖2,系統(tǒng)架構(gòu)為C/S架構(gòu),采用SmartX1可編程加密鎖和用戶賬號(hào)密碼身份驗(yàn)證雙重權(quán)限控制保護(hù)機(jī)制.系統(tǒng)為用戶提供目標(biāo)地址坐標(biāo)和土地干濕類型參數(shù)的輔助設(shè)置服務(wù).地址坐標(biāo)識(shí)別服務(wù)采用百度地圖API接口,即根據(jù)用戶填寫的經(jīng)緯度在地圖中標(biāo)注出來,也可在地圖中選擇目標(biāo)點(diǎn)位自動(dòng)為用戶填寫經(jīng)緯度.標(biāo)準(zhǔn)化的高分辨率土地利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于ArcGIS數(shù)據(jù)庫(kù)中,土地?cái)?shù)據(jù)獲取服務(wù)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)位的經(jīng)緯度及區(qū)域范圍從ArcGIS數(shù)據(jù)庫(kù)中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù).集成系統(tǒng)最終將根據(jù)用戶提交的參數(shù),調(diào)用土地利用數(shù)據(jù)自動(dòng)獲取、干濕類型自動(dòng)識(shí)別等模塊,獲取AERSURFACE模式所需的數(shù)據(jù).計(jì)算完成后,系統(tǒng)自動(dòng)將結(jié)果文件存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中,用戶可通過下載接口獲取結(jié)果,系統(tǒng)主界面見圖3.

圖2  AERSURFACE模式集成邏輯結(jié)構(gòu)

Fig.2  Integration logic structure ofAERSURFACE model

圖3  基于高分辨率土地利用數(shù)據(jù)的AERSURFACE集成系統(tǒng)應(yīng)用界面

Fig.3  Application interface of AERSURFACEIntegrated system based on High resolution data of land use

2  案例驗(yàn)證

為了驗(yàn)證AERSURFACE地表參數(shù)的可靠性,以內(nèi)蒙古上都電廠作為例,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及參數(shù)化方案的模擬結(jié)果,定量評(píng)估了AERSURFACE系統(tǒng)對(duì)模擬效果的改進(jìn)情況.

2.1  研究區(qū)概況

上都電廠周邊地勢(shì)平坦開闊,東側(cè)為山地,廠址附近干擾源較少,區(qū)域其他污染源的影響可以忽略.2013年8月,在電廠周圍布設(shè)12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位,用來在線監(jiān)測(cè)電廠逐小時(shí)排放的SO2濃度數(shù)據(jù),試驗(yàn)期間對(duì)地面氣象場(chǎng)和邊界層氣象場(chǎng)進(jìn)行逐小時(shí)觀測(cè).為便于比較分析,在地面氣象數(shù)據(jù)、污染源等參數(shù)不變的情況下,設(shè)置了2種地表參數(shù)方案.方案1采用的是傳統(tǒng)人工目視的方法來判斷地表參數(shù),方案2是基于AERSURFACE系統(tǒng)客觀分析得到的結(jié)果,兩者計(jì)算的地表參數(shù)見表2.

表2  兩種方案地表參數(shù)對(duì)比

Table 2  comparison of surface parametersin two cases

2.2 結(jié)果與討論

利用AERMOD模型對(duì)上述2種方案進(jìn)行模擬,并將輸出的SO2預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值進(jìn)行比較,以選出最優(yōu)方案.案例的驗(yàn)證采用的是美國(guó)EPA推薦的評(píng)估方法,包括平均百分比偏差(FB值)、高端值比值(RHC)和Q-Q圖.求解FB?RHC值的公式分別見公式1?公式2.

式中:和分別為模擬和監(jiān)測(cè)的平均濃度,FB值越靠近0,表明模擬的效果越好.

  (2)

式中:C(n)為所有數(shù)據(jù)中最大的(n-1)個(gè)濃度值的平均.在模型比較中一般選用模擬與監(jiān)測(cè)的RHC之比(即RHCR)來反映預(yù)測(cè)的合理性,其取值范圍一般在0.5~2,RHCR越接近1表明模擬效果越好 [34-35].

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,方案1與方案2的FB值分別為0.47?0.37,RHCR值分別為1.81?1.41,方案2的FB值和RHCR值更接近0和1,說明該經(jīng)AERSURFACE修正的地表參數(shù)更能反映真實(shí)的擴(kuò)散情況.從Q-Q圖中可以看到,方案2在整個(gè)區(qū)間的落點(diǎn)更接近基準(zhǔn)線,同樣體現(xiàn)了AERSURFACE集成系統(tǒng)的優(yōu)越性.

圖4  方案1與方案2的圖形(Q-Q圖)對(duì)比

Fig.4  The Q-Q plots of project onerespectively with two projects

本研究采用的土地利用數(shù)據(jù)為2012年,但我國(guó)地域遼闊,部分區(qū)域受經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響,實(shí)際土地利用情況可能已經(jīng)發(fā)生了變化,導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果可能存在一定誤差,因此有待建立一套動(dòng)態(tài)更新的全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)庫(kù),以提高本系統(tǒng)的可靠性.

3  結(jié)論

3.1  本研究基于高分辨率土地利用數(shù)據(jù)(30m)獲取了大氣模型AERMOD所需的地表參數(shù),突破了主觀判斷方法的瓶頸,提高了AERMOD模型模擬結(jié)果的科學(xué)性、可靠性,為我國(guó)大氣環(huán)境影響評(píng)價(jià)領(lǐng)域增添了新的技術(shù)方法.

3.2  實(shí)際案例應(yīng)用表明,經(jīng)AERSURFACE修正的地表參數(shù)能較好反映真實(shí)下墊面情況,極大地提高了預(yù)測(cè)的精確性.

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