歐洲部分國家城市大氣污染研究進展

摘 要: 綜述了歐洲部分國家大氣污染研究的進展情況?？偟膩碚f，進展速度很快，主要表現在：近年來在歐洲科學和技術研究合作組織（COST）領導下開展了大量的合作研究；氣象和空氣質量觀測網點和觀測項目迅速增多，所獲得資料也逐漸公開化并在網上發布；無論是中尺度氣象模式還是城市空氣質量預報模式，更新換代的速度都非?？?；建立了與空氣質量有關的資料系統、預報模式、預報系統、決策系統和評估系統，并有機地結合成空氣質量信息系統；制定了比較先進的城市大氣污染研究的目標，如要開展城市污染氣象學的研究、增加高分辨率的氣象資料和空氣質量的監測等。

關鍵詞： 大氣污染 城市空氣質量 預報模式 合作研究



1 合作使歐洲城市大氣污染研究取得重大進展

最近二、三十年以來，歐洲部分國家在科學技術上進行合作研究，取得了巨大的成就。數值天氣預報就是很好的例子，20世紀五、六十年代美國借助于人才、資金和技術的優勢，對數值天氣預報的研究進展很快、遙遙領先。而歐洲則由于人才、資金的分散，落后很多。為了改變這種狀況，以英法德三國為首在20世紀70年代，將分散的人才和資金集中起來建立了歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)，并在1979年第一次成功地發布了中期數值預報。到了20世紀80年代，歐洲中期預報中心的預報準確率便趕上和超過了美國，這種優勢一直維持到現在。

20世紀90年代開始，在歐洲科學與技術研究合作組織(COST)的領導下，歐洲又開展了城市大氣污染研究方面的合作。合作項目一共有6個，其中有4個（COST615、COST616、COST617、COST618）起始于1993年5月。開始時參加國只有5個（英國、法國、瑞士、丹麥和希臘），后來參加國越來越多，到1998年6月召開最后一次會議時參加國已達18個。這4個項目的總名稱叫做：“為使歐洲城市有良好的空氣質量而研究”（CITAIR），4個項目分別為：

COST615——城市空氣污染的資料庫、監測和模擬；

COST616——城區汽車產生的空氣污染源；

COST617——城區中常定的空氣污染源；

COST618——城市和田野上空大氣污染治理中的規章制度制定和情報交流的方法。

通過這4個合作項目的活動，參加國一致認為一定要使歐洲城市有良好的空氣質量，才能滿足社會和經濟發展的需求。為此，要大大減少工業園區和電廠排放的污染物。此外，還要解決的問題是如何控制汽車尾氣的排放。參加國一致認為歐洲要對空氣質量的評估和管理建立統一的法規。參加國也一致認為歐洲要有統一的觀測網和資料庫，并已提出了基本構想。參加國還就4個合作項目進行了大量的學術交流。

第5個合作項目是：COST710——用于污染物擴散模式的氣象資料預處理中的調試問題。將氣象資料輸入空氣質量預報模式進行城市大氣污染預報時，需要輸入一些大氣邊界層參數，這些參數的計算被稱為“預處理”。為了提高“預處理”的質量，COST710召開過4次會議，使大家對計算地面通量、摩擦速度和混合層高度的方法與能力，有了更深層次的認識。COST710活動始于1994年，于1998年秋結束。

有一個合作項目直至現在還在進行，即COST715——氣象在城市污染問題中的應用。這個項目始于1998年，要到2003年才結束。城市污染問題的預報和研究，對氣象有很大的依賴性。所需的氣象信息是否合適和充分、氣象“預處理”的質量，及與化學模式相配套的中尺度氣象模式的預報效果，都與城市大氣污染預報和研究的水平密切相關。COST設計這個合作項目的目的，是讓參加國進行關于氣象資料與污染物濃度資料、氣象與化學模式以及其它相關信息的交換，對什么樣氣象條件下污染物濃度會超標進行充分的學術交流。此項合作雖然只進行了一半時間，但已取得了許多豐碩的成果。



2 氣象和空氣質量觀測網點和觀測項目迅速增多

沒有足夠的和適用的高分辨率的氣象和物質濃度的資料，城市大氣污染的預報和研究是沒法進行的。

2.1觀測網點

近一、二十年在歐洲許多國家氣象和空氣質量觀測網點迅速增多。以芬蘭為例，芬蘭是一個空氣污染并不嚴重的人口小國（全國人口僅500萬左右）。按歐共體的標準，它只有1個監測站測得了總懸浮顆粒物（TSP）超標，但截止1993年它在所有5萬居民以上級城市都建立了空氣質量觀測網，共建立了31個城市監測網，112個監測站。

基本天氣站和探空站的數目沒有很大的變化，氣象觀測站的增加主要表現在自動氣象站（AMS）的增加上。如葡萄牙是一個經濟不算發達的國家，面積不大（90000km2左右），人口也不多（1千萬左右）。從1994年至今在非城市區建立了93 個自動氣象站，其中78個在大陸上，其余在海島上。自動氣象站每10min收集1次資料，并與計算機相聯，用戶隨時可以獲取和使用資料。2000年葡萄牙在城市中建立自動氣象站(指5萬居民以上的城市)，共17個站，其中首都里斯本5個，波爾多3個，其它城市都是1個。

2.2 觀測項目

為適應城市大氣污染預報和研究的需要，天氣站、探空站、自動氣象

站都增加了許多觀測項目。如前述的葡萄牙所建的自動氣象站，其觀測項目除了常規的地面氣壓、1.5m處的氣溫、相對濕度、降水和10 m處的風向風速外，還增加了2m處的輻射、5cm處的溫度、－10、－20、－50、－100cm處的土壤溫度。顯然，這些增加的項目對于計算邊界層的參數都是十分有用的。在歐洲天氣站和探空站沒有明顯的增加，但是在一些國家氣象站的觀測項目有所增加，這些項目和城市大氣污染預報與研究關系十分密切。如法國氣象站增加了在10m和35m 2個高度上進行湍流通量和湍流脈動量標準差的觀測。在挪威的2個最大城市奧斯陸和卑爾根的氣象站,增加了地面長波和短波輻射通量觀測，在夏天還加上了地面潛熱通量的觀測。這些觀測對“預處理”都是十分需要的。此外在農田和森林區有10個氣象站也增加了地面通量的觀測，這些觀測對于城市污染物長距離輸送的研究是很有價值的。

需要指出的是,歐洲國家之間人口面積相差很大，工農業布局以及經濟發展水平也很不一樣，所以各國的空氣質量觀測項目很不相同。例如挪威空氣質量良好，所以空氣質量監測站只有少數進行常規觀測，大多數只在冬季對NOX/NO2進行監測。葡萄牙的空氣污染問題主要是汽車的尾氣排放問題，所以葡萄牙空氣質量監測站主要對SO2、NOX、TSP和O3進行監測，在某些大城市增加鉛的監測，在２個煉油廠旁則增加碳氫化合物的觀測。

2.3 氣象資料和空氣質量監測資料的公開化

在相當長的一段時期內，全國氣象資料和空氣質量監測資料都不屬公開資料。尤其是氣象資料，曾被認為一旦泄漏出去會危及國家的安全。但隨著時代的發展，尤其是衛星遙感技術的發展，使這種觀念發生了變化。因為在不久的將來，就可以通過衛星遙感獲取全球的氣象資料。美國著名氣象學家Anthes認為，這個時間是2025年。與此相類似，全球的空氣質量監測也可以通過衛星遙感來實現。實際上，目前美國科學家已經可以利用衛星遙感資料，畫出某些空氣污染物長距離輸送的四維（三維空間加時間）圖象。顯然，氣象資料和空氣質量監測資料的保密將越來越沒有意義。美國國家環境預報中心（NCEP）率先在網上向用戶提供1日4個時次全球2.5°× 2.5°的大尺度氣象資料，垂直層次為17層。這些資料也包括許多“預處理”物理量，如各種地面通量。前述的歐洲中期天氣預報中心ECMWF，由于它是由100多個國家和組織組成的，如要將資料公開，需征得全體成員國和組織的同意，所以對氣象資料公開化的步子，就不如美國那么快，目前很多氣象資料主要還是對它的成員公開。

歐洲有一些國家，如丹麥和挪威，已將部分的氣象資料和空氣質量監測資料在因特網上發布。當然，總的來說，歐洲各國對待資料公開化的態度是很不相同的，如意大利的天氣站和探空站是歸空軍氣象局管的，取用氣象資料要按合同或征得地方政府的許可。但是資料公開化是大勢所趨，很多歐洲國家資料雖未公開，但他們都對資料的收集、整理及保存做了大量的工作，建立了資料庫?？梢灶A見，這些資料一旦上網公開，使用是非常方便的。



3 中尺度氣象模式的研制與引進

一個高質量和高分辨率的中尺度氣象預報模式，是城市大氣污染預報的基礎。在美國環保局（EPA）研制的第3代空氣質量預報模式（Models-3）中，就有2個可供選擇的十分先進的中尺度氣象模式。一個是NCAR/PENN第5代中尺度模式MM5，它是由美國國家大氣研究中心（NCAR）和賓州大學大氣科學系（PENN）的一批氣象學家經過20多年的努力聯合研制成功的。另一個是美國科羅拉多州立大學Pielke教授等研制的區域中尺度大氣模式系統RAMS。這2個模式都是非靜力的。

歐洲一些國家在進行城市大氣污染的預報和研究時，分別引進了這2個模式。引進這2個模式需有較好的氣象科研基礎。挪威的氣象科研水平比較高，著名的卑爾根學派又叫挪威學派，正是他們將鋒面和氣團的學說引入天氣學，奠定了天氣分析的基礎。挪威氣象學家引進了MM5，把它嵌套在歐洲七國（丹麥、芬蘭、法國、荷蘭、挪威、西班牙和瑞典）聯合研制的水平分辨率為10km的高分辨率有限區域模式系統（HIRLAM10）上。MM5本身也有兩重嵌套，粗網格分辨率為3km，細網格分辨率為1km，這個分辨率在歐洲是最高的，同時也已達到了MM5的極限能力。挪威空氣研究所（NILU）將MM5聯到前述的空氣質量信息系統（AirQUIS）的排放模式和城市尺度數值擴散模式上進行空氣質量的預報。意大利和西班牙則分別引進了RAMS。意大利氣象研究所將RAMS聯到一個大氣污染物擴散模式上進行城市大氣污染預報。西班牙的地中海環境研究中心,則是將RAMS聯到一個變格點的城市污染物濃度預報模式UAM-V上來作預報。

在氣象模式方面，歐洲聯合設計了歐洲中期數值預報模式，后來又聯合設計了高分辨率的有限區域模式系統并都獲得了成功，但他們好像就此止步了，并沒有聯合設計中尺度的氣象模式。歐洲一些國家獨立設計了中尺度氣象模式，其中比較成功的是法國氣象學家Aladin設計的ALADIN中尺度氣象模式，它每天都發布中尺度預報，1日2次，每次預報36h，為各種空氣質量模式提供氣象資料。葡萄牙也在用ALADIN模式，主要用于計算與邊界層密切相關的一些氣象場及氣象參數，如海風以及里斯本地區每日混合層高度和通風指數的最大值等。無論法國還是葡萄牙都沒有直接將ALADIN模式聯到空氣質量預報模式上去。有些國家既沒有引進也沒有研制中尺度氣象模式，但它們設計了一些模式專門計算“預處理”的物理量，供空氣質量預報模式使用。例如英國環境科學部的大氣科學研究組（ASRG）,就設計了一個這類模式。



4 城市空氣質量預報模式的研制

歐洲國家沒有聯合研制中尺度氣象模式，也沒有聯合研制城市空氣質量預報模式，因此,在這2個領域的進展趕不上美國EPA。EPA研制的第3代空氣質量預報模式水平很高，我們已在“一種多選擇的空氣質量預報模式”中進行了詳細的介紹（見《重慶環境科學》），為節省篇幅，這里不再進行討論。

歐洲各國的空氣質量預報模式是比較多樣化的，這在一定程度上也跟各國對空氣質量預報的要求不同有關，也許這也是歐洲沒有在城市空氣質量預報模式上進行聯合研制的原因之一。如比利時空氣質量很好，它只有一個污染預報模式，即臭氧濃度預報模式。而意大利的空氣質量就不如比利時那么好，相應地污染預報模式就比較多，主要的有10多種，且種類齊全，擴散模式、化學模式和空氣質量信息系統都有。

現時的歐洲空氣質量預報模式大致分3類。第1類是無化學反應的預報模式，它主要由擴散模式和統計模式組成。擴散模式是根據污染物在大氣中的擴散來作預報，最簡單的是挪威用的高斯擴散模式，此外還有丹麥用的三維拉格朗日輸送模式、意大利用的城市尺度大氣擴散模式和丹麥用的高分辨有限區域示蹤物模式等。統計模式是利用氣象場參數，主要是大氣邊界層一些氣象參數與污染物時空變化的統計關系來作預報。統計模式類型很多，如法國的神經網絡模式，意大利預報NO2污染的SMA-ARPA業務統計模式，及匈牙利的化學質量平衡模式等，其中神經網絡模式很有創意，發展很快。一般來說，在歐洲空氣質量較好的國家（如芬蘭、比利時和英國），基本上用的都是無化學反應的預報模式。第2類是既考慮氣象場的影響又考慮污染物化學反應的化學預報模式。意大利和西班牙有許多化學預報模式。例如，用于意大利Bologna區的光化學歐拉模式和光化學箱式模式，考慮了云霧化學過程的大氣化學模式STEM-Ⅱ；西班牙變格點的城市空氣污染預報模式UAM-V和西班牙的三維光化學擴散模式MARS等。一般來說只有在大工業區才研制化學預報模式。如意大利的化學模式基本上只用于它的北部地區，其北部地區的工業占了意大利工業的80%以上。第3類是空氣質量信息系統。簡言之，所謂空氣質量信息系統，是將與空氣質量有關的資料系統、預報模式、預報系統、決策系統和評估系統等有機地結合在一起。如系統中可以包括各種尺度的氣象資料和“預處理”模式，及將“預處理”結果輸入各種空氣質量預報模式的系統模塊。系統可以按用戶的需求將“預處理”的結果輸入用戶所需用的模式，得到用戶所需的結果。不難看出，建立空氣質量信息系統是一個方向，它是多選擇多用途的，而且使用方便。EPA的空氣質量預報模式Models-3，就是空氣質量信息系統的典范。在歐洲已有很多國家建立了空氣質量信息系統，如挪威建立的稱作AirQUIS的系統。此外，丹麥建立的系統稱作丹麥大氣化學預報系統DACFOS；芬蘭建立的系統稱作空氣污染信息系統API-FMI；而意大利則加了“控制”二字，稱作空氣質量控制信息系統ATMOSFERA,主要為羅馬服務。

無論是氣象模式還是空氣質量預報模式，更新換代都十分快，這與計算機和信息系統的發展緊密相關，一般來說5年左右就要換代。所以上述所有歐洲各國現在正在使用的模式都是近幾年研制或引進的。



5 歐洲城市大氣污染研究的目標

　　 2000年6月，COST715的參加國在捷克首都布拉格舉行會議。會上各參加國代表對城市大氣污染研究目標都發表了自己的看法，從這些看法中我們大致能看到歐洲大氣污染研究的發展趨勢。需指出的是由于會議議題所限，下面所列出的研究目標都與氣象相關。

　　 （1）要增加高分辨的氣象資料和空氣質量的監測，特別是在城區。要增加觀測項目，例如輻射和近地層湍流通量的觀測。為此要添置和研制新儀器，其中特別講到了風和溫度的垂直廓線儀。

　　 （2）開展城市污染氣象學的研究。廣義地說城市是污染物的緩沖區（Buffer），城市內污染物濃度的演變，不單受城市大氣邊界層內氣象條件的影響，還受城市內建筑物、植被和地形的影響及兩者的共同影響。但迄今為止，即使對城市大氣邊界層的氣象條件，也不是研究得很清楚，其原因之一是缺乏觀測資料。城市污染氣象學研究的重點是將城市的影響參數化。

　　 （3）在現有的條件下大力發展“預處理”研究?，F在所選的用于空氣質量預報的大氣邊界層的氣象參數，多數是參照Monin-Oberkhov相似理論選定的，所選參數是否合適和是否足夠，都需進一步評估。

　　 （4）在歐洲一般是在冬季高壓控制的形勢下容易出現污染超標的情況。對污染物超標的氣象條件，及在什么情況下容易吸入懸浮的易吸入顆粒物（SIP），要作進一步的研究，以便能對污染超標事件預先作出警告。

　　 （5）發展空氣質量的預報模式特別是化學預報模式，提高高分辨有限區域數值預報模式（HIRLAM）及先進的中尺度氣象模式的作用?！?

（6）研究何種模式對本國和本地區是最適合的。歐洲城市大氣污染的研究除了著重于對本地區空氣質量的監測、預報和控制之外，近年來還廣泛進行了與除歐洲國家之外的其它國家的國際交流與合作，象在中國和埃及等國都有一些合作項目。

6 結語

以上對歐洲部分國家城市大氣污染研究的進展進行了簡單的介紹。不難看出，有很多先進經驗是值得我們借鑒的。例如合作研究，這種方式可以把人才和資金集中使用。另外，在氣象站增加邊界層的觀測項目，也是“投資小見效大”的一個有效措施。至于他們提出的一系列城市大氣污染研究目標也有很重要的參考價值。



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第一作者蒙偉光，男，1962年生，1983年畢業于中山大學，現為在讀博士生，高級講師。該文作者還有中山大學的林文實、范紹佳、王安宇及廣東省環境科學研究所的鐘流舉和于群。