隨著空氣質量模擬技術的迅速發展，空氣質量模型已在環境管理領域得到廣泛應用。但是，與國際相比，我國在這方面的工作起步較晚，急需積極推進空氣質量數值模式的應用。

空氣質量數值模式在環境管理中的作用

空氣質量模型近年來在環境管理領域得到廣泛應用，主要表現在：

預報預警。基于空氣質量模型開展空氣污染短期及中長期的預報，預測未來的空氣狀況，建立和完善環境空氣質量預測預警機制。

控制情景模擬。根據設定的控制因子及控制情景，運用空氣質量模型模擬得到各控制情景條件下的環境污染物濃度，對比不同排放控制情景下的環境效益，包括重污染狀況下的應急管理，為制定科學的控制方案提供依據。

環境規劃和影響評價。通過在不同規劃情景下對空氣中各種污染物質的濃度模擬，評價建設項目和區域發展對空氣質量的影響，為確定排放上線、質量基線、合理進行環境規劃提供技術支持。

污染物來源解析。研究各區域內污染物的來源和產生機理以及傳輸和擴散過程，判別不同行業及源類在不同時段對研究區域的影響，包括一次污染物和二次污染物前體物的環境影響解析。

跨界輸送與長距離傳輸。科學地界定跨界輸送與長距離傳輸、傳輸的范圍與時效以及傳輸的污染物類別與強度，研究大氣污染物傳輸路徑和易累積區域，為聯防聯控提供決策支持。

國內空氣質量模型在使用中存在諸多問題

目前，國內空氣質量模型在使用過程中存在諸多問題，具體包括以下幾個方面：

第一，模型選擇與使用。從模型適用性來看，每一個空氣質量模型都有其優缺點，適用性各有差異。在實際應用中，首先應結合研究問題的特點、模擬的時空尺度、數據可獲性、技術復雜性、軟硬件平臺要求等多種因素，選取合適的空氣質量模型。最先進的空氣質量模型未必適合每種應用，對于某些研究問題，從應用的效果來看，復雜的第三代數值模式并不一定優于第一代高斯模式。

第二，源排放清單。由于我國污染源排放數據呈多樣化局面，還沒有一套適合我國的污染源排放清單規范，建立的污染源排放清單各異。源清單已成為我國進行空氣質量數值預報的瓶頸。

我國源清單的具體問題包括：一是排放源識別、分類及編碼系統缺乏規范化。二是缺乏本地的排放因子數據庫。三是缺乏全國性的、精細化的源排放清單。四是時空網格化分辨率低及技術不夠準確。五是缺乏本地化排放源化學成分譜及物種分配方法。六是對區域排放源清單的不確定性分析與驗證工作重視不夠。七是缺乏本地化可調清單。

第三，資料同化。資料同化的主要任務是將各種不同來源，不同誤差信息，不同時空分辨率的觀測資料融合進入數值動力模式，依據嚴格的數學理論，在模式解與實際觀測之間找到一個最優解。這個最優解可以繼續為動力模式提供初始場，以此不斷循環下去，使得模式的結果不斷地向觀測值靠攏。但是，我國使用資料同化技術優化與化學模式相關的排放清單、模型參數、初邊界值等內容的研究開展相對較少，尤其是業務化的實現，這導致數值預報結果出現誤差。

第四，化學反應機制。目前，國外空氣質量模型使用的化學反應機制主要有CBM、SAPRC、RADM、RACM。這些化學反應機制是按清潔空氣條件下歸納出的。對于我國來說，污染物排放強度較高，大氣重污染頻發，前體物與二次污染物之間的關系更為復雜，因此這些化學反應機制用于我國大氣復合污染模擬會帶來一定程度的偏差，需要開發適合我國的大氣化學反應機制。

第五，模式的校驗與優化。利用觀測資料對模式模擬結果進行驗證是開展空氣質量模擬的一個重要環節。目前，我國對VOCs、O3、PM2.5等涉及大氣化學反應過程的關鍵性指標尚未開展大范圍三維立體監測，因此對于復合型大氣污染過程進行模擬，現有觀測數據較難對模型中的關鍵性參數進行本地化。此外，模式驗證僅停留在濃度水平的對比上，對大氣中各種物理、化學過程層面上的對比分析較少， 在較大尺度上通過從地面到邊界層（幾百米到幾公里）上下環境監測數據對模式進行校驗工作更是稀少。

第六，人員、技術和運維。先進的空氣質量模型對基礎數據、硬件平臺、專業門檻等要求非常苛刻，工作成本相對普通空氣質量模型會增加數倍。各地環保部門在建立本地化的模式預警預報系統時面臨人員、技術、運維等多方面的巨大挑戰。尤其在人員配備上，缺乏氣象學、大氣物理、大氣化學專業和計算機專業相結合的技術人員。

空氣質量數值模式應用方面的建議

一是制定空氣質量模型使用的技術規范或指南。在綜合考慮不同環境問題、研究尺度、數據可得性、技術難度等因素基礎上，建立一套模型選取、參數選定、結果驗證及結果分析的技術方法和基本流程，針對不同的環境問題推薦出可選的模型系列，以此規范模型的使用。對于有條件的地區，可利用人工智能學習技術建立空氣質量多模式集成模擬系統，提高空氣質量模擬的準確性。

建議借鑒美國環保局有關Models-3/CMAQ的方式，推薦列入國家數值模式名錄的相關模式的源代碼應該主動公開，以使列入名錄的模式能夠得到更多的技術支持和多方的檢驗，模式得到更多的可持續發展的保證，有利于模式應用單位的本地化、日常運行和改進，有利于快速、整體提升我國模式開發和應用水平。

二是建立本地化的動態源清單。構建一套適合我國的全面、規范、系統、可行的區域大氣污染物排放源識別、分類及編碼體系；建立一個全國由下自上的污染源調查、分析、上報體系，并使其業務化；建立本地化的排放因子數據庫；建立統一規范的全國性污染源排放清單，特別是在建立動態的移動源和開放源清單方面，需要下更大的功夫；建立精細的時間和空間特征譜，得到小時、日、周或月排放量譜庫的一系列分配系數，提高空間分配的精度；建立本地化的污染源化學成分譜及物種分配原則；定期對排放清單進行橫向比較，進行趨勢校驗，包括定性分析方法、半定量分析方法和定量分析方法；建立動態、可調的排放源清單。依據本地的排放源分類、時空物種等機制，結合計算機數據庫技術和網絡技術，研究源排放清單的快速動態更新機制。并能夠根據管理需要，制定不同控制情景，并自動地生成相應的源排放清單。

三是建立和完善相應的監測網絡系統，發展四維資料同化技術。對于資料同化方法而言，具有一定數量和質量的觀測數據是同化方法應用的基礎，因此今后必須基于空氣質量預報，建立和完善相應的監測網絡、監測系統，提高觀測數據的數量和質量，提高資料同化的效果。未來模式還需要更多地集成遙感、高空探測等資料，發展大氣環境時空四維同化技術，進一步提高模式模擬的效能和結果的合理性。此外，由于污染排放源的不確定性，利用資料同化技術對排放源進行反演將是未來模式研究的熱點之一。

四是加強煙霧箱模擬實驗。模型中使用的化學反應機制需要盡可能地使用大量的、完整的煙霧箱實驗數據對其進行檢驗。一方面，確定所使用化學反應機制的有效性；另一方面，繼續歸納完善未知的大氣化學反應機理。

五是通過第三方開展模式評估比對工作。通過第三方，開展觀測與模式對比評估工作，獲得對模擬結果可靠性以及模式適用性評價。同時，也可開展多種模式間的對比評估工作，認識不同模式的共同特性與差異，揭示模擬結果差異產生的原因，有助于進一步改進模式，使模式計算結果更加符合客觀現實中污染源和受體點濃度的響應關系。

六是建立國家、省、城市三級預警預報技術體系。由環境保護部牽頭成立國家環境空氣質量模式預警預報技術共享中心，通過對人員、技術和流程的有效整合，使環境空氣質量模式預警預報流程標準化、結果精細化，向各省市環保部門提供高質量的個性化技術服務，使各地環保部門集中精力于模擬結果的應用。由省一級環保部門牽頭建立省際和區域空氣質量預警預報平臺，通過國家技術共享中心提供的模式模擬，結合部門會商，為所轄各城市提供預警預報結果。由城市一級環保部門定期組織實施所轄地區的源清單調查，逐級上報給國家技術共享中心，達到資源的高效共享。

作者單位：白志鵬、王歆華，中國環境科學研究院大氣環境研究所大氣化學與氣溶膠科技創新基地；侯魯健，濟南市環境保護科學研究院/濟南市環境監測中心站；趙宏，南開大學計算機與控制工程學院