随着空气质量模拟技术的迅速发展，空气质量模型已在环境管理领域得到广泛应用。但是，与国际相比，我国在这方面的工作起步较晚，急需积极推进空气质量数值模式的应用。
空气质量数值模式在环境管理中的作用
空气质量模型近年来在环境管理领域得到广泛应用，主要表现在：
预报预警。基于空气质量模型开展空气污染短期及中长期的预报，预测未来的空气状况，建立和完善环境空气质量预测预警机制。
控制情景模拟。根据设定的控制因子及控制情景，运用空气质量模型模拟得到各控制情景条件下的环境污染物浓度，对比不同排放控制情景下的环境效益，包括重污染状况下的应急管理，为制定科学的控制方案提供依据。
环境规划和影响评价。通过在不同规划情景下对空气中各种污染物质的浓度模拟，评价建设项目和区域发展对空气质量的影响，为确定排放上线、质量基线、合理进行环境规划提供技术支持。
污染物来源解析。研究各区域内污染物的来源和产生机理以及传输和扩散过程，判别不同行业及源类在不同时段对研究区域的影响，包括一次污染物和二次污染物前体物的环境影响解析。
跨界输送与长距离传输。科学地界定跨界输送与长距离传输、传输的范围与时效以及传输的污染物类别与强度，研究大气污染物传输路径和易累积区域，为联防联控提供决策支持。
国内空气质量模型在使用中存在诸多问题
目前，国内空气质量模型在使用过程中存在诸多问题，具体包括以下几个方面：
第一，模型选择与使用。从模型适用性来看，每一个空气质量模型都有其优缺点，适用性各有差异。在实际应用中，首先应结合研究问题的特点、模拟的时空尺度、数据可获性、技术复杂性、软硬件平台要求等多种因素，选取合适的空气质量模型。最先进的空气质量模型未必适合每种应用，对于某些研究问题，从应用的效果来看，复杂的第三代数值模式并不一定优于第一代高斯模式。
第二，源排放清单。由于我国污染源排放数据呈多样化局面，还没有一套适合我国的污染源排放清单规范，建立的污染源排放清单各异。源清单已成为我国进行空气质量数值预报的瓶颈。
我国源清单的具体问题包括：一是排放源识别、分类及编码系统缺乏规范化。二是缺乏本地的排放因子数据库。三是缺乏全国性的、精细化的源排放清单。四是时空网格化分辨率低及技术不够准确。五是缺乏本地化排放源化学成分谱及物种分配方法。六是对区域排放源清单的不确定性分析与验证工作重视不够。七是缺乏本地化可调清单。
第三，资料同化。资料同化的主要任务是将各种不同来源，不同误差信息，不同时空分辨率的观测资料融合进入数值动力模式，依据严格的数学理论，在模式解与实际观测之间找到一个最优解。这个最优解可以继续为动力模式提供初始场，以此不断循环下去，使得模式的结果不断地向观测值靠拢。但是，我国使用资料同化技术优化与化学模式相关的排放清单、模型参数、初边界值等内容的研究开展相对较少，尤其是业务化的实现，这导致数值预报结果出现误差。
第四，化学反应机制。目前，国外空气质量模型使用的化学反应机制主要有CBM、SAPRC、RADM、RACM。这些化学反应机制是按清洁空气条件下归纳出的。对于我国来说，污染物排放强度较高，大气重污染频发，前体物与二次污染物之间的关系更为复杂，因此这些化学反应机制用于我国大气复合污染模拟会带来一定程度的偏差，需要开发适合我国的大气化学反应机制。
第五，模式的校验与优化。利用观测资料对模式模拟结果进行验证是开展空气质量模拟的一个重要环节。目前，我国对VOCs、O3、PM2.5等涉及大气化学反应过程的关键性指标尚未开展大范围三维立体监测，因此对于复合型大气污染过程进行模拟，现有观测数据较难对模型中的关键性参数进行本地化。此外，模式验证仅停留在浓度水平的对比上，对大气中各种物理、化学过程层面上的对比分析较少， 在较大尺度上通过从地面到边界层（几百米到几公里）上下环境监测数据对模式进行校验工作更是稀少。
第六，人员、技术和运维。先进的空气质量模型对基础数据、硬件平台、专业门槛等要求非常苛刻，工作成本相对普通空气质量模型会增加数倍。各地环保部门在建立本地化的模式预警预报系统时面临人员、技术、运维等多方面的巨大挑战。尤其在人员配备上，缺乏气象学、大气物理、大气化学专业和计算机专业相结合的技术人员。
空气质量数值模式应用方面的建议
一是制定空气质量模型使用的技术规范或指南。在综合考虑不同环境问题、研究尺度、数据可得性、技术难度等因素基础上，建立一套模型选取、参数选定、结果验证及结果分析的技术方法和基本流程，针对不同的环境问题推荐出可选的模型系列，以此规范模型的使用。对于有条件的地区，可利用人工智能学习技术建立空气质量多模式集成模拟系统，提高空气质量模拟的准确性。
建议借鉴美国环保局有关Models-3/CMAQ的方式，推荐列入国家数值模式名录的相关模式的源代码应该主动公开，以使列入名录的模式能够得到更多的技术支持和多方的检验，模式得到更多的可持续发展的保证，有利于模式应用单位的本地化、日常运行和改进，有利于快速、整体提升我国模式开发和应用水平。
二是建立本地化的动态源清单。构建一套适合我国的全面、规范、系统、可行的区域大气污染物排放源识别、分类及编码体系；建立一个全国由下自上的污染源调查、分析、上报体系，并使其业务化；建立本地化的排放因子数据库；建立统一规范的全国性污染源排放清单，特别是在建立动态的移动源和开放源清单方面，需要下更大的功夫；建立精细的时间和空间特征谱，得到小时、日、周或月排放量谱库的一系列分配系数，提高空间分配的精度；建立本地化的污染源化学成分谱及物种分配原则；定期对排放清单进行横向比较，进行趋势校验，包括定性分析方法、半定量分析方法和定量分析方法；建立动态、可调的排放源清单。依据本地的排放源分类、时空物种等机制，结合计算机数据库技术和网络技术，研究源排放清单的快速动态更新机制。并能够根据管理需要，制定不同控制情景，并自动地生成相应的源排放清单。
三是建立和完善相应的监测网络系统，发展四维资料同化技术。对于资料同化方法而言，具有一定数量和质量的观测数据是同化方法应用的基础，因此今后必须基于空气质量预报，建立和完善相应的监测网络、监测系统，提高观测数据的数量和质量，提高资料同化的效果。未来模式还需要更多地集成遥感、高空探测等资料，发展大气环境时空四维同化技术，进一步提高模式模拟的效能和结果的合理性。此外，由于污染排放源的不确定性，利用资料同化技术对排放源进行反演将是未来模式研究的热点之一。
四是加强烟雾箱模拟实验。模型中使用的化学反应机制需要尽可能地使用大量的、完整的烟雾箱实验数据对其进行检验。一方面，确定所使用化学反应机制的有效性；另一方面，继续归纳完善未知的大气化学反应机理。
五是通过第三方开展模式评估比对工作。通过第三方，开展观测与模式对比评估工作，获得对模拟结果可靠性以及模式适用性评价。同时，也可开展多种模式间的对比评估工作，认识不同模式的共同特性与差异，揭示模拟结果差异产生的原因，有助于进一步改进模式，使模式计算结果更加符合客观现实中污染源和受体点浓度的响应关系。
六是建立国家、省、城市三级预警预报技术体系。由环境保护部牵头成立国家环境空气质量模式预警预报技术共享中心，通过对人员、技术和流程的有效整合，使环境空气质量模式预警预报流程标准化、结果精细化，向各省市环保部门提供高质量的个性化技术服务，使各地环保部门集中精力于模拟结果的应用。由省一级环保部门牵头建立省际和区域空气质量预警预报平台，通过国家技术共享中心提供的模式模拟，结合部门会商，为所辖各城市提供预警预报结果。由城市一级环保部门定期组织实施所辖地区的源清单调查，逐级上报给国家技术共享中心，达到资源的高效共享。
作者单位：白志鹏、王歆华，中国环境科学研究院大气环境研究所大气化学与气溶胶科技创新基地；侯鲁健，济南市环境保护科学研究院/济南市环境监测中心站；赵宏，南开大学计算机与控制工程学院
