大氣化學(xué)反應(yīng)過(guò)程

大氣污染是一種包含了一系列的物理、化學(xué)和生態(tài)學(xué)過(guò)程的復(fù)雜現(xiàn)象，如圖 1所示。了解污染物機(jī)制，識(shí)別污染源并對(duì)污染源進(jìn)行正確判斷是有效控制污染的前提，盲目的削減可能會(huì)帶來(lái)更嚴(yán)重的后果。一般來(lái)說(shuō)，一次污染物釋放到大氣中以后，會(huì)受到氣象化學(xué)轉(zhuǎn)化作用，水平和和垂直傳輸擴(kuò)散作用，氣溶膠生成平衡及碰并過(guò)程，云霧液相過(guò)程以及干、濕沉降等多種因素的共同影響。

人為源和自然源的多樣性、高非線性和復(fù)雜的相互作用，使得大氣污染問(wèn)題變得更加復(fù)雜和難以理解。多種因素的共同影響造成大氣系統(tǒng)的復(fù)雜性，因而，污染物的減排與空氣質(zhì)量的改善在很多情況下呈非正比例的關(guān)系[5]~[6]。這種非線性關(guān)系已經(jīng)成為污染控制策略制定的關(guān)鍵和國(guó)際上大氣科學(xué)研究的熱點(diǎn)。這種關(guān)系包括：

(1) 復(fù)雜的化學(xué)連鎖反應(yīng)，使得二次污染物與各個(gè)前體物之間呈現(xiàn)多元非線性關(guān)系。

(2) 排放源地域差異導(dǎo)致其作用機(jī)制不同，例如同一前體物的本地或周邊排放，地表或高空排放的影響作用不同。

(3) 氣象因素不同，比如輻射強(qiáng)度、溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨，在

不同氣象條件下，污染物與源排放之間的非線性關(guān)系也會(huì)有很大的差異。

監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)是有效的解決辦法，但是受時(shí)間和空間條件限制較多，因此，亟待開(kāi)發(fā)有效的空氣質(zhì)量模型來(lái)改善這一狀況。用空氣質(zhì)量模型來(lái)研究空氣污染，滿足了診斷污染的機(jī)制和過(guò)程的需要，建立了污染物排放削減與經(jīng)濟(jì)效益，環(huán)境效益和健康效益之間的關(guān)系，為最終評(píng)估控制措施的有效性和優(yōu)化控制方案提供依據(jù)。這些空氣質(zhì)量模型已經(jīng)成為實(shí)用且高效的工具，廣泛應(yīng)用在世界各地的空氣污染調(diào)查和管理工作中[7]~[8]。

近來(lái)，美國(guó)提高了空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[9]，并且中國(guó)[10]也頒布了顆粒物（PM2.5，直徑小于2.5微米的顆粒）的新標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)包括日均標(biāo)準(zhǔn)值35 μg⁄m3 和超過(guò)三年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，年均標(biāo)準(zhǔn)值15 μg⁄m3。 為了能夠在2020年達(dá)到這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)各州被要求制定相應(yīng)的實(shí)施計(jì)劃，包括：直接排放源的控制和二次排放源的控制。而中國(guó)政府最新頒布的控制標(biāo)準(zhǔn)中，將顆粒物污染分為2級(jí)，一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為24小時(shí)平均值不超過(guò)35 μg⁄m3、年均值不超過(guò)15 μg⁄m3；二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為24小時(shí)平均值不超過(guò)75 μg⁄m3、年均值不超過(guò)35 μg⁄m3。十五期間，國(guó)民生產(chǎn)總值的增長(zhǎng)率為9.5%，于此同時(shí)，二氧化硫排放量年增長(zhǎng)率為7.3%[11]、氮氧化物為10.2%[12]、顆粒物為3~5%[13]。揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）的排放量，氨（NH3）和其他空氣污染物也呈上升趨勢(shì)[14]~[16]，導(dǎo)致空氣質(zhì)量不斷惡化[17]~[19]。控制空氣污染排放量，特別是人為排放量，并大幅減排，是解決中國(guó)大氣污染問(wèn)題的唯一途徑。

面對(duì)日益嚴(yán)格的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，制定高效、合理的達(dá)標(biāo)計(jì)劃成為擺在科研人員和決策者面前的嚴(yán)峻課題。以PM2.5的減排為例，控制何種前體污染物的排放、控制的比例如何、控制哪些污染源（點(diǎn)源、面源還是移動(dòng)源）、不同的目標(biāo)區(qū)域間有無(wú)相互影響等等一系列的問(wèn)題，都是指定達(dá)標(biāo)計(jì)劃時(shí)要考慮的因素。要解決這些問(wèn)題，需要對(duì)不同的大氣污染控制情景進(jìn)行分析。

美國(guó)環(huán)境保護(hù)署已經(jīng)開(kāi)發(fā)出第三代區(qū)域多尺度空氣質(zhì)量模型CMAQ。CMAQ[20]大氣模型系統(tǒng)是為仿真分析各種復(fù)雜大氣物理、化學(xué)過(guò)程而開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型。CMAQ系統(tǒng)考慮了多種污染物之間的反應(yīng)過(guò)程，并能準(zhǔn)確描述大氣中主要污染物質(zhì)濃度的時(shí)空分布，適合處理復(fù)雜的空氣污染情況。我國(guó)已成功地使用CMAQ模擬了O3，PM10和SO2，Hg等區(qū)域大氣污染狀況及其傳輸和形成特征[21]~[24]，模擬結(jié)果表明CMAQ具有較強(qiáng)的模擬能力，能較好的反應(yīng)污染物的時(shí)空變化特征。但是，CMAQ在實(shí)際應(yīng)用中存在2大局限：(1)運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，不能根據(jù)給定污染源排放控制情景實(shí)時(shí)得到所造成的環(huán)境濃度變化；(2)只能在Linux平臺(tái)上運(yùn)行，僅能為少數(shù)專業(yè)科研人員所使用[25]。運(yùn)用高維克里金算法建立響應(yīng)曲面模型運(yùn)算CMAQ的模擬結(jié)果可解決這些問(wèn)題，瞬時(shí)計(jì)算出由一組預(yù)定義參數(shù)（來(lái)源、位置和前體排放類型）的變化帶來(lái)的污染物環(huán)境濃度的變化。

可視化方案分析器(Visual Policy Analyzer，VPA)是一個(gè)基于響應(yīng)曲面模型的空氣質(zhì)量決策工具 [26]~[28]. 借助圖形用戶界面，VPA允許用戶通過(guò)利用控件（滑動(dòng)條）改變控制因子的值、菜單選項(xiàng)選擇需要展示的信息和鼠標(biāo)縮放地圖界面等進(jìn)行一系列操作，具有較好的交互體驗(yàn)。但是VPA也存在一定的缺陷，比如在某些控制情景下，預(yù)測(cè)值會(huì)出現(xiàn)負(fù)值和數(shù)據(jù)文件太多等現(xiàn)象，令用戶難以接受。

在這種情況下，基于響應(yīng)曲面模型的大氣污染控制情景分析工具（以下簡(jiǎn)稱RSM-Multi Region），建立了大氣污染物控制情景和復(fù)合大氣污染物濃度之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特殊排放控制情景的實(shí)時(shí)響應(yīng)。建立排放削減-空氣質(zhì)量改善關(guān)系不僅是控制策略制定的基礎(chǔ)，同時(shí)也是控制情景優(yōu)化的關(guān)鍵內(nèi)容，而且政策制定者關(guān)注更多的是人為源排放的行為模型和其對(duì)空氣質(zhì)量的影響，畢竟控制人為源的排放是改善空氣質(zhì)量的主要可控手段。模型的快速發(fā)展導(dǎo)致模擬過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，由此帶來(lái)的計(jì)算成本也在激增，高度非線性的模擬與多種因素之間的關(guān)系的性質(zhì)要求一個(gè)巨大的排放量控制方案評(píng)價(jià)，傳統(tǒng)的逐個(gè)評(píng)價(jià)的方法效率低下，難以滿足實(shí)用需求。高的計(jì)算成本，低效率的分析方法成為模型應(yīng)用的障礙，且由于CMAQ運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，而VPA需要借助擴(kuò)展的控件才能運(yùn)行，因此優(yōu)化研究模式的分析方法成為改進(jìn)模型本省之外的另一研究方向。RSM-Multi Region的目的是建立一種更精確、更復(fù)雜的模型，并快速計(jì)算在排放量的變化范圍內(nèi)一組預(yù)定義的來(lái)源、位置和前體排放類型引起的環(huán)境濃度變化量，通過(guò)考察前體污染物、排放源和目標(biāo)區(qū)域之間的相互作用的非線性影響，對(duì)大氣污染控制情景提供一個(gè)完整的、系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。