摘要：綜述了歐洲部分國家大氣污染研究的進(jìn)展情況。總的來說，進(jìn)展速度很快，主要表現(xiàn)在：近年來在歐洲科學(xué)和技術(shù)研究合作組織（COST）領(lǐng)導(dǎo)下開展了大量的合作研究；氣象和空氣質(zhì)量觀測網(wǎng)點和觀測項目迅速增多，所獲得資料也逐漸公開化并在網(wǎng)上發(fā)布；無論是中尺度氣象模式還是城市空氣質(zhì)量預(yù)報模式，更新?lián)Q代的速度都非常快；建立了與空氣質(zhì)量有關(guān)的資料系統(tǒng)、預(yù)報模式、預(yù)報系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和評估系統(tǒng)，并有機(jī)地結(jié)合成空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)；制定了比較先進(jìn)的城市大氣污染研究的目標(biāo)，如要開展城市污染氣象學(xué)的研究、增加高分辨率的氣象資料和空氣質(zhì)量的監(jiān)測等。

關(guān)鍵詞：大氣污染 城市空氣質(zhì)量 預(yù)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(jìn)展

最近二、三十年以來，歐洲部分國家在科學(xué)技術(shù)上進(jìn)行合作研究，取得了巨大的成就。數(shù)值天氣預(yù)報就是很好的例子，20世紀(jì)五、六十年代美國借助于人才、資金和技術(shù)的優(yōu)勢，對數(shù)值天氣預(yù)報的研究進(jìn)展很快、遙遙領(lǐng)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(jì)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(yù)報中心(ECMWF)，并在1979年第一次成功地發(fā)布了中期數(shù)值預(yù)報。到了20世紀(jì)80年代，歐洲中期預(yù)報中心的預(yù)報準(zhǔn)確率便趕上和超過了美國，這種優(yōu)勢一直維持到現(xiàn)在。

20世紀(jì)90年代開始，在歐洲科學(xué)與技術(shù)研究合作組織(COST)的領(lǐng)導(dǎo)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(dá)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(zhì)量而研究”（CITAIR），4個項目分別為：

COST615——城市空氣污染的資料庫、監(jiān)測和模擬；

COST616——城區(qū)汽車產(chǎn)生的空氣污染源；

COST617——城區(qū)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(guī)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(rèn)為一定要使歐洲城市有良好的空氣質(zhì)量，才能滿足社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。為此，要大大減少工業(yè)園區(qū)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(rèn)為歐洲要對空氣質(zhì)量的評估和管理建立統(tǒng)一的法規(guī)。參加國也一致認(rèn)為歐洲要有統(tǒng)一的觀測網(wǎng)和資料庫，并已提出了基本構(gòu)想。參加國還就4個合作項目進(jìn)行了大量的學(xué)術(shù)交流。

第5個合作項目是：COST710——用于污染物擴(kuò)散模式的氣象資料預(yù)處理中的調(diào)試問題。將氣象資料輸入空氣質(zhì)量預(yù)報模式進(jìn)行城市大氣污染預(yù)報時，需要輸入一些大氣邊界層參數(shù)，這些參數(shù)的計算被稱為“預(yù)處理”。為了提高“預(yù)處理”的質(zhì)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(rèn)識。COST710活動始于1994年，于1998年秋結(jié)束。

有一個合作項目直至現(xiàn)在還在進(jìn)行，即COST715——氣象在城市污染問題中的應(yīng)用。這個項目始于1998年，要到2003年才結(jié)束。城市污染問題的預(yù)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(yù)處理”的質(zhì)量，及與化學(xué)模式相配套的中尺度氣象模式的預(yù)報效果，都與城市大氣污染預(yù)報和研究的水平密切相關(guān)。COST設(shè)計這個合作項目的目的，是讓參加國進(jìn)行關(guān)于氣象資料與污染物濃度資料、氣象與化學(xué)模式以及其它相關(guān)信息的交換，對什么樣氣象條件下污染物濃度會超標(biāo)進(jìn)行充分的學(xué)術(shù)交流。此項合作雖然只進(jìn)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(zhì)量觀測網(wǎng)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(zhì)濃度的資料，城市大氣污染的預(yù)報和研究是沒法進(jìn)行的。

2.1觀測網(wǎng)點

近一、二十年在歐洲許多國家氣象和空氣質(zhì)量觀測網(wǎng)點迅速增多。以芬蘭為例，芬蘭是一個空氣污染并不嚴(yán)重的人口小國（全國人口僅500萬左右）。按歐共體的標(biāo)準(zhǔn)，它只有1個監(jiān)測站測得了總懸浮顆粒物（TSP）超標(biāo)，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(zhì)量觀測網(wǎng)，共建立了31個城市監(jiān)測網(wǎng)，112個監(jiān)測站。

基本天氣站和探空站的數(shù)目沒有很大的變化，氣象觀測站的增加主要表現(xiàn)在自動氣象站（AMS）的增加上。如葡萄牙是一個經(jīng)濟(jì)不算發(fā)達(dá)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(qū)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(jī)相聯(lián)，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(yīng)城市大氣污染預(yù)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(guī)的地面氣壓、1.5m處的氣溫、相對濕度、降水和10 m處的風(fēng)向風(fēng)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(shù)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(yù)報與研究關(guān)系十分密切。如法國氣象站增加了在10m和35m 2個高度上進(jìn)行湍流通量和湍流脈動量標(biāo)準(zhǔn)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(yù)處理”都是十分需要的。此外在農(nóng)田和森林區(qū)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(nóng)業(yè)布局以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也很不一樣，所以各國的空氣質(zhì)量觀測項目很不相同。例如挪威空氣質(zhì)量良好，所以空氣質(zhì)量監(jiān)測站只有少數(shù)進(jìn)行常規(guī)觀測，大多數(shù)只在冬季對NOX/NO2進(jìn)行監(jiān)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(zhì)量監(jiān)測站主要對SO2、NOX、TSP和O3進(jìn)行監(jiān)測，在某些大城市增加鉛的監(jiān)測，在２個煉油廠旁則增加碳?xì)浠衔锏挠^測。

2.3 氣象資料和空氣質(zhì)量監(jiān)測資料的公開化

在相當(dāng)長的一段時期內(nèi)，全國氣象資料和空氣質(zhì)量監(jiān)測資料都不屬公開資料。尤其是氣象資料，曾被認(rèn)為一旦泄漏出去會危及國家的安全。但隨著時代的發(fā)展，尤其是衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，使這種觀念發(fā)生了變化。因為在不久的將來，就可以通過衛(wèi)星遙感獲取全球的氣象資料。美國著名氣象學(xué)家Anthes認(rèn)為，這個時間是2025年。與此相類似，全球的空氣質(zhì)量監(jiān)測也可以通過衛(wèi)星遙感來實現(xiàn)。實際上，目前美國科學(xué)家已經(jīng)可以利用衛(wèi)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(zhì)量監(jiān)測資料的保密將越來越?jīng)]有意義。美國國家環(huán)境預(yù)報中心（NCEP）率先在網(wǎng)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(yù)處理”物理量，如各種地面通量。前述的歐洲中期天氣預(yù)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(zhì)量監(jiān)測資料在因特網(wǎng)上發(fā)布。當(dāng)然，總的來說，歐洲各國對待資料公開化的態(tài)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(yù)見，這些資料一旦上網(wǎng)公開，使用是非常方便的。

3 中尺度氣象模式的研制與引進(jìn)

一個高質(zhì)量和高分辨率的中尺度氣象預(yù)報模式，是城市大氣污染預(yù)報的基礎(chǔ)。在美國環(huán)保局（EPA）研制的第3代空氣質(zhì)量預(yù)報模式（Models-3）中，就有2個可供選擇的十分先進(jìn)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(xué)大氣科學(xué)系（PENN）的一批氣象學(xué)家經(jīng)過20多年的努力聯(lián)合研制成功的。另一個是美國科羅拉多州立大學(xué)Pielke教授等研制的區(qū)域中尺度大氣模式系統(tǒng)RAMS。這2個模式都是非靜力的。

歐洲一些國家在進(jìn)行城市大氣污染的預(yù)報和研究時，分別引進(jìn)了這2個模式。引進(jìn)這2個模式需有較好的氣象科研基礎(chǔ)。挪威的氣象科研水平比較高，著名的卑爾根學(xué)派又叫挪威學(xué)派，正是他們將鋒面和氣團(tuán)的學(xué)說引入天氣學(xué)，奠定了天氣分析的基礎(chǔ)。挪威氣象學(xué)家引進(jìn)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(lián)合研制的水平分辨率為10km的高分辨率有限區(qū)域模式系統(tǒng)（HIRLAM10）上。MM5本身也有兩重嵌套，粗網(wǎng)格分辨率為3km，細(xì)網(wǎng)格分辨率為1km，這個分辨率在歐洲是最高的，同時也已達(dá)到了MM5的極限能力。挪威空氣研究所（NILU）將MM5聯(lián)到前述的空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)（AirQUIS）的排放模式和城市尺度數(shù)值擴(kuò)散模式上進(jìn)行空氣質(zhì)量的預(yù)報。意大利和西班牙則分別引進(jìn)了RAMS。意大利氣象研究所將RAMS聯(lián)到一個大氣污染物擴(kuò)散模式上進(jìn)行城市大氣污染預(yù)報。西班牙的地中海環(huán)境研究中心,則是將RAMS聯(lián)到一個變格點的城市污染物濃度預(yù)報模式UAM-V上來作預(yù)報。

在氣象模式方面，歐洲聯(lián)合設(shè)計了歐洲中期數(shù)值預(yù)報模式，后來又聯(lián)合設(shè)計了高分辨率的有限區(qū)域模式系統(tǒng)并都獲得了成功，但他們好像就此止步了，并沒有聯(lián)合設(shè)計中尺度的氣象模式。歐洲一些國家獨立設(shè)計了中尺度氣象模式，其中比較成功的是法國氣象學(xué)家Aladin設(shè)計的ALADIN中尺度氣象模式，它每天都發(fā)布中尺度預(yù)報，1日2次，每次預(yù)報36h，為各種空氣質(zhì)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(guān)的一些氣象場及氣象參數(shù)，如海風(fēng)以及里斯本地區(qū)每日混合層高度和通風(fēng)指數(shù)的最大值等。無論法國還是葡萄牙都沒有直接將ALADIN模式聯(lián)到空氣質(zhì)量預(yù)報模式上去。有些國家既沒有引進(jìn)也沒有研制中尺度氣象模式，但它們設(shè)計了一些模式專門計算“預(yù)處理”的物理量，供空氣質(zhì)量預(yù)報模式使用。例如英國環(huán)境科學(xué)部的大氣科學(xué)研究組（ASRG）,就設(shè)計了一個這類模式。

4 城市空氣質(zhì)量預(yù)報模式的研制

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

歐洲各國的空氣質(zhì)量預(yù)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(zhì)量預(yù)報的要求不同有關(guān)，也許這也是歐洲沒有在城市空氣質(zhì)量預(yù)報模式上進(jìn)行聯(lián)合研制的原因之一。如比利時空氣質(zhì)量很好，它只有一個污染預(yù)報模式，即臭氧濃度預(yù)報模式。而意大利的空氣質(zhì)量就不如比利時那么好，相應(yīng)地污染預(yù)報模式就比較多，主要的有10多種，且種類齊全，擴(kuò)散模式、化學(xué)模式和空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)都有。

現(xiàn)時的歐洲空氣質(zhì)量預(yù)報模式大致分3類。第1類是無化學(xué)反應(yīng)的預(yù)報模式，它主要由擴(kuò)散模式和統(tǒng)計模式組成。擴(kuò)散模式是根據(jù)污染物在大氣中的擴(kuò)散來作預(yù)報，最簡單的是挪威用的高斯擴(kuò)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(kuò)散模式和丹麥用的高分辨有限區(qū)域示蹤物模式等。統(tǒng)計模式是利用氣象場參數(shù)，主要是大氣邊界層一些氣象參數(shù)與污染物時空變化的統(tǒng)計關(guān)系來作預(yù)報。統(tǒng)計模式類型很多，如法國的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式，意大利預(yù)報NO2污染的SMA-ARPA業(yè)務(wù)統(tǒng)計模式，及匈牙利的化學(xué)質(zhì)量平衡模式等，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模式很有創(chuàng)意，發(fā)展很快。一般來說，在歐洲空氣質(zhì)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(xué)反應(yīng)的預(yù)報模式。第2類是既考慮氣象場的影響又考慮污染物化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)預(yù)報模式。意大利和西班牙有許多化學(xué)預(yù)報模式。例如，用于意大利Bologna區(qū)的光化學(xué)歐拉模式和光化學(xué)箱式模式，考慮了云霧化學(xué)過程的大氣化學(xué)模式STEM-Ⅱ；西班牙變格點的城市空氣污染預(yù)報模式UAM-V和西班牙的三維光化學(xué)擴(kuò)散模式MARS等。一般來說只有在大工業(yè)區(qū)才研制化學(xué)預(yù)報模式。如意大利的化學(xué)模式基本上只用于它的北部地區(qū)，其北部地區(qū)的工業(yè)占了意大利工業(yè)的80%以上。第3類是空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)。簡言之，所謂空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)，是將與空氣質(zhì)量有關(guān)的資料系統(tǒng)、預(yù)報模式、預(yù)報系統(tǒng)、決策系統(tǒng)和評估系統(tǒng)等有機(jī)地結(jié)合在一起。如系統(tǒng)中可以包括各種尺度的氣象資料和“預(yù)處理”模式，及將“預(yù)處理”結(jié)果輸入各種空氣質(zhì)量預(yù)報模式的系統(tǒng)模塊。系統(tǒng)可以按用戶的需求將“預(yù)處理”的結(jié)果輸入用戶所需用的模式，得到用戶所需的結(jié)果。不難看出，建立空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)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(zhì)量預(yù)報模式Models-3，就是空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)的典范。在歐洲已有很多國家建立了空氣質(zhì)量信息系統(tǒng)，如挪威建立的稱作AirQUIS的系統(tǒng)。此外，丹麥建立的系統(tǒng)稱作丹麥大氣化學(xué)預(yù)報系統(tǒng)DACFOS；芬蘭建立的系統(tǒng)稱作空氣污染信息系統(tǒng)API-FMI；而意大利則加了“控制”二字，稱作空氣質(zhì)量控制信息系統(tǒng)ATMOSFERA,主要為羅馬服務(wù)。

無論是氣象模式還是空氣質(zhì)量預(yù)報模式，更新?lián)Q代都十分快，這與計算機(jī)和信息系統(tǒng)的發(fā)展緊密相關(guān)，一般來說5年左右就要換代。所以上述所有歐洲各國現(xiàn)在正在使用的模式都是近幾年研制或引進(jìn)的。

5 歐洲城市大氣污染研究的目標(biāo)

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(biāo)都發(fā)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(fā)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(biāo)都與氣象相關(guān)。

（1）要增加高分辨的氣象資料和空氣質(zhì)量的監(jiān)測，特別是在城區(qū)。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(fēng)和溫度的垂直廓線儀。

（2）開展城市污染氣象學(xué)的研究。廣義地說城市是污染物的緩沖區(qū)（Buffer），城市內(nèi)污染物濃度的演變，不單受城市大氣邊界層內(nèi)氣象條件的影響，還受城市內(nèi)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(xué)研究的重點是將城市的影響參數(shù)化。

（3）在現(xiàn)有的條件下大力發(fā)展“預(yù)處理”研究?，F(xiàn)在所選的用于空氣質(zhì)量預(yù)報的大氣邊界層的氣象參數(shù)，多數(shù)是參照Monin-Oberkhov相似理論選定的，所選參數(shù)是否合適和是否足夠，都需進(jìn)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(xiàn)污染超標(biāo)的情況。對污染物超標(biāo)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(jìn)一步的研究，以便能對污染超標(biāo)事件預(yù)先作出警告。

（5）發(fā)展空氣質(zhì)量的預(yù)報模式特別是化學(xué)預(yù)報模式，提高高分辨有限區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式（HIRLAM）及先進(jìn)的中尺度氣象模式的作用?！?/p>

（6）研究何種模式對本國和本地區(qū)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(qū)空氣質(zhì)量的監(jiān)測、預(yù)報和控制之外，近年來還廣泛進(jìn)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(jié)語

以上對歐洲部分國家城市大氣污染研究的進(jìn)展進(jìn)行了簡單的介紹。不難看出，有很多先進(jìn)經(jīng)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(biāo)也有很重要的參考價值。

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