AERMOD 扩散模式 - 概说

AERMOD 发展背景 (ps1)

1991 年，美国气象协会 (American Meteorological Society, AMS) 以及美国环保署 (US EPA) 开始研究将行星边界层 (planetary boundary layer, PBL) 加入到法规认可的扩散模式中。于是，这两个单位抽调人力，组成 AERMIC 小组 (AMS/EPA Regulatory Model Improvement Committee) 进行研究。

大部分的空气品质模式都会考虑到 PBL 的效应，这是因为紊流经常发生在地表的空气层，这是因为地表的热效应、摩擦阻力与地表粗糙度互相影响的关系。 而空气扩散在紊流的情况下，会比较容易快速进行。PBL 大约在 1970 年代开始就被广泛的研究，包括实际测量与实验室分析。

在 1980 年代中期，使用涡流扩散 (eddy-diffusion) 机制以及数值统计理论与 PBL 混合层机制的扩散参数评估，被加入概率密度函数 (probability density function, pdf) 观点中，并加入较为容易取得的气象参数 (例如表面热流) 等计算出紊流效应， 并带入空气品质扩散模式中，包括 PPSP, OML, HPDM, CTDMPLUS, HPDM 等模式 (相关模式请自行查找文献啰)，都有这方面的机制存在。 AERMIC 的组成分子中，就有很多学者来自于 PPSP, CTDMPLUS, HPDM 等团队的开发者。

但是，在 1980 年代后期，学者在分析 15 种以上的扩散模式机制后，发现到当时所使用的计算机制所产生的 PBL 高度预测结果，与实际的观测值似乎有不小的误差！ 由于美国环保署需要制定法规标准，因此这种误差需要进行较有效的改善才行。到了 1991 年，US EPA 持续着重在 PBL 紊流参数的研究与最新的扩散模式改善上， AERMIC 最早的任务，就是要改善 PBL 以及提供最新的扩散模式，以符合 US EPA 的法规标准。后来再既定的目标之后，又加入了 PBL 紊流机制的研究， 烟流与地形之间相互运动的关系 (是反弹污染物？还是沈降到地表？)，建筑物对污染物的下洗作用 (downwash) 等等。

AERMIC 团队开发的短程 (short-range) 新扩散模式与既有的模式 ISC3 是有重叠的，新模式在平均风速、PBL 紊流、CBL (convective boundary layer, 对流的边界层效应) 的扩散机制、烟流与地形的交互等， 与 ISC3 较为类似，不过新的模式在 CBL 的紊流参数、计算理论等，均有比较好的改善，同时，学者们研究两者的机制， 发现到 AERMIC 模式的发展比起 ISC3 来说，较能展现实际的状态。

• 行星边界层 (planetary boundary layer, PBL) 或大气边界层 (atmospheric boundary layer, ABL) 简介 (ps2)

开始谈行星边界层之前，我们先来讨论一个『冷风』现象～冬天寒流来很冷的时候，在一个空间当中，为了躲避寒风，你会待在空间正中央？ 还是会躲在墙边，即使这片墙是一大片，而没有 L 型的角落。答案当然是躲在墙边～为什么？你可能会说，因为墙边风比较小啊～ 好答案！那...为什么躲在墙边风就会比较小？强风不就是这样吹过来～你怎么躲的掉呢？呵呵！因为这个是有理论依据的。

根据实验的结果，如上图所示，当流体 (不论是液体、空气) 经过一个表面时，空气与该表面因为有黏滞力的关系，因此风与表面之间， 是没有相对运动的！也就是说，越接近表面的风速会越弱。所以，当你躲风的时候，躲在墙角，可能会有意想不到的帮助！

同样的，理论上，越高空的风速越高，越接近地表的风速越低。也因为地表层黏滞力的关系，让风速会降低，而且很容易在盛行风的方向 (例如台湾冬天吹东北风)， 产生水平与垂直的乱流 (也称为紊流, turbulence)。也因为紊流的关系，让垂直方向的扰动强度增加，因此大气就很容易将空气成份均匀混合。 这对污染物的扩散影响相当大。

另外，不同的地球表面粗糙度也会影响到地表风速的变化。一般来说，比较粗糙的地表，包括不规则地表或人为建筑物 (例如都会区) 可以降低大约 40%~50% 的风速。但是在海面、冰原上、可能降低风速的情况只到 20%~30% 而已，风速会比较强。而由于 PBL 会受到地表粗糙度、阳光辐射热等的影响， 因此 PBL 的高度是会变化的。通常白天比较高而晚上比较低。经过计算的结果，PBL 层顶 (地表到 PBL 的最高点) 大约是数百公尺到一千公尺之间。

现在，你会知道 PBL 的高度会影响到污染物的扩散，且在 PBL 内，污染物的垂直扩散速度会比较快。过去用高斯扩散模式推估的方式， 通常假设大气传输为稳流的状态，才有办法快速的得到扩散的数值。但这就会有些许的问题，毕竟实际测量上面，扩散还是与 PBL 有关的！ 这也就是 AERMOD 为什么会开发来取代 ISC3 模式的主要原因之一啰。

• AERMIC 团队发展的目标：取代 ISC3 模式

美国是个联邦政府，各大州都有自己的法规模式，大部分的 SIP (State Implementation Plans, 国家实施计划) 计划， 大多使用 ISC3 作为工业排放源类型的近距离影响评估效应，US EPA 也在 1995 年公告 ISC3 为法规公认的模式。由于 ISC3 已经使用多年， 不过许多机制仍值得改善。为此，AERMIC 主要以 ISC3 作为取代的目标，让模式操作者在转换到新模式时，不会有太多的阵痛期。 因此，AERMIC 在发展时，主要着重在：

• 采用 ISC3 的电脑输入/输出架构
• 使用最新的机制改善 ISC3 的运算机制与扩散机制等
• 尽量采用与 ISC3 相同的输入/输出文件格式，方便模式操作人员转换到新模式

AERMIC 开发的新模式，称为 AERMIC Model，后来称为 AERMOD ！

AERMOD 模式的使用还包含两个附属模式，一个是 AERMET 模式，此模式主要在提供 AERMOD 运算时所需要的气象参数， 包括前面提到的 PBL 特征参数等的计算。另一个附属模式则是 AERMAP，此模式主要在将地形与地层高度等特征， 包括受体点的地形高层位置参数等，设计出提供给 AERMOD 使用的受体与地形数据。最终再由 AERMOD 模式去操作排放源与受体之间的扩散效应。 至于 AERMOD 改善了 ISC3 的机制，大致上有：

• 改善垂直与稳流的边界层效应
• 烟流上升效应与浮力效应
• 烟流在逆温层的反弹或渗透效应的改善
• 改善在垂直方向的风速、紊流、温度等参数的计算
• 都市夜间的边界层计算
• 从地表到烟流上升高度间，都可以加入受体点的计算
• 建筑物的影响效应
• 改善基础边界层效应的参数
• 处理烟流尾流信息

最终，在 2000 年，US EPA 宣布 AERMOD 取代 ISC3 成为主要的联邦空气品质模式范本。

AERMOD 模式概观

AERMOD 是一个稳定态烟流模式 (steady-state plume model)，在稳定边界层 (stable boundary layer, SBL) 状态下， 是假设以高斯扩散理论处理烟流的水平与垂直扩散效应，并据以计算浓度分布。在垂直边界层效应 (CBL) 的情况下， 水平扩散依旧使用高斯扩散理论，而垂直分布方面，则加入概率密度函数 (probability density function, pdf) 来计算污染物浓度的扩散状态。

再过去， ISC3 对于探空数据仅有计算出一层混合层高度，只要烟流上升高度超过混合层高度时，该污染物就假设不再回到地表受体。 而 AERMOD 则会持续超出混合层高度的烟流质量，并且允许在混合层之外的烟流，可能经过一段时间的扩散，会再次回到地表受体。 AERMOD 可以持续追踪在 SBL 或 CBL 状态下的烟流尾流的扩散，因此计算结果会比较符合实际的观测值。

能够有上述的功能，主要在于 AERMOD 模式，可以使用多层垂直方向的气象场数据。每个垂直分层都有独立的气象参数数据， 包括风速、风向、紊流状态、温度等等。此外，AERMOD 也能直接使用 NWS (National Weather Service) 气象站的数据。

一般来说，AERMOD 需要的气象数据有： (1)地表大气数据： AERMOD 仅须单一地面气象数据，包括风速、风向、大气温度等。如果没有云层数据， 可能也需要 2m 与 10m 高度的温度数据，以及阳光辐射数据等。(2)探空大气数据：完整的一笔探空数据，被使用来计算混合层高度， 同时，地表面的粗糙度，也会被用来作为计算 PBL 的相关参数。

由于 AERMOD 的垂直气象数据可以分为多层，因此可以计算出非均匀的 PBL 高度。过去混合层高度计算完毕后，温度梯度可能是线性的。 而 AERMOD 采用多层的垂直气象场，因此每一层之间，就有不同的温度梯度计算结果，这对模式运作来调查实际的扩散，会具有更准确的效应。

总之，AERMOD 的模式运作就如同底下的图标这样。要跑 AERMOD 之前，要先进行：

• AERMET 的运算：
  • 先取得气象局的地面与探空数据 (纯文本档，格式要正确)
  • 经过 AERMET 的定义，运行模式后，取得 AERMOD 需要的气象场数据。
• AERMAP 的运算：
  • 先取得台湾地区的地面高层数据，以 DEM 格式来处理最佳 (Digital Elevation Model, DEM)。
  • 带入 AERMAP 取得仿真范围内的地形与受体数据。
• AERMOD 的运算：
  • 取得前两项数据
  • 设计排放量数据，同时设计输出数据 (年平均、最大日平均等等)
  • 运作模式，最终产生纯文本档的输出信息。最终带入绘图软件制图。

上面三个步骤的详细信息，就让我们在后续的章节慢慢谈吧！

参考数据

• 美国环保署的 AERMOD 介绍 (很重要！一定要看！)：
  https://www.epa.gov/scram/air-quality-dispersion-modeling-preferred-and-recommended-models#aermod
• (ps1)针对 AERMOD 的背景介绍：https://www3.epa.gov/ttn/scram/models/aermod/aermod_mfed.pdf
  鸟哥的备份：http://vbird.org.cn/enve/images/aermod_mfed.pdf
  本文第一大段数据，都是由此处取得！
• (ps2)行星边界层 (PBL) 简介：https://en.wikipedia.org/wiki/Planetary_boundary_layer
• (ps3)王老师流体力学讲义当中的图标：http://www.isu.edu.tw/upload/81201/72/news/postfile_57170.pdf
• 中兴工程顾问期刊：http://www.sinotech.org.tw/journal/pdfview.aspx?n=88&s=55