您的位置:首页

详情

立足基础理论研究 构建空气污染气象学新体系——《空气污染气象学》(2021年版)简介

2021-11-25

 

空气污染气象学作为一个新兴学科,既是大气科学的一个分支,又是环境科学与环境工程学的一个重要组成部分。空气污染气象学的研究对象是大气环境中由自然因子和人为因子及其与大气系统相互作用构成的大气污染系统。运用大气科学的原理与方法,研究空气污染物由排放源进入大气层的散布规律,其核心是大气输送与湍流扩散,即研究发生在一个多维、多尺度的具有相互联系与反馈作用的复杂系统中,包括大气物理和大气化学乃至地质、地理及生物等过程的诸多综合性问题,旨在对大气污染的发生、发展实施有效的预测、控制和防治,以改善环境空气质量。空气污染气象学属于交叉学科,涉及面广,应用性强。《空气污染气象学》(2021年版)一书着重研究空气污染气象学数学模拟预测及其实际应用,以求能有效应对处理上述问题。
20世纪后期至21世纪的数十年时间里,对大气污染问题的关注、认识和评估水平不断增长,尤其是发生在大气环境中,有很多具有比较严重影响的问题需要对近源的局地范围(Local-scale),以及中尺度(Mesoscale)和天气尺度(Synoptic-scale)区域性大气污染问题进行评估,诸如局地的工业与工程的污染物排放及大小城市和超大城市群大气污染以及大工业城市下风方城市尺度排放烟流的影响、区域性霾(Haze)污染、光化学烟雾、酸雨、对流层臭氧、事故性有毒气体排放以及由放射性活性物质排放及泄漏造成的大范围无组织释放和空气污染,以致介入到全球变化与气候变化的研究领域等,都会受到社会公众关注。
我国空气污染气象学学科发展至今经历了3个阶段。第一阶段可追溯至20世纪七八十年代,主要在空气污染管理、控制和工程环境影响评价及区域规划决策中,运用空气污染气象学的基本原理与方法,对局地空气污染物可能的散布规律作出计算预测及应用处理。研究并处理问题的气流条件基本上限于气象学意义上的均匀、定常条件和一二十公里的水平范围,空气污染物的扩散计算则为大气扩散方程的解析解的技术方法。
随着大气污染问题研究与处理范围的扩大,上述气流均匀、定常条件假定的处理,因评估范围突破了水平一二十公里的范围,需要引入气流非均匀(如山地、水陆等)、非定常等条件,并引入不同的大气层结稳定度条件下的大气输送与扩散问题,我国空气污染气象学学科发展随之进入到第二阶段。20世纪八九十年代,计算机技术发展日新月异,我国开始在每秒百次运行速度的计算机上开发建立大气扩散方程数值解的模式。同时,边界层气象学含内边界层概念的提出及其分析处理的研究,有效推进了局地空气污染物的扩散计算及应用。随着大气边界层气象学实验和理论研究的进一步发展,尤其是电子计算机技术飞速进步,大气扩散三维数值模拟技术开始被引入并取得积极进展,使得空气污染气象学研究和应用处理进入到各种条件下大气动力学方程组(含大气扩散方程)的数值求解,实施有效的数值模拟处理的数值模拟模式大量涌现并日趋成熟。
在处理中尺度(水平20200 km)大气输送与大气扩散的条件下,一方面,定常、水平均匀气流的近似假设不再成立,应代之以大量中尺度气流流动模型,同时又有着相当宽的时空尺度,会有更为另类的物理过程、化学过程和生物过程所致的种种复杂过程和稀释机制掺入。另一方面,高效而又经济的大气环境模拟手段和监测分析装置也比较成熟并有长足发展,可以获取足够精细有效的数据信息,以弄清大气及空气污染物的性状,其结果可实施更为有效的预测规划和排放控制与管理。中尺度气象学和中尺度气象模拟技术的建立与发展,促进了空气污染气象学进展到有条件开创中尺度空气污染气象学新领域的时代,并成为空气污染气象学发展进程进入第三阶段的重要标志。这一进展尤其为城市空气污染气象学问题的研究赋予了强大的生命力。20世纪末,大涡模拟的数值计算技术逐步成为湍流数值模拟研究和应用领域的热门,以湍流支配为基础和核心的空气污染气象学的数值预测模拟自然也不例外。随着对大气污染问题认识的不断深入,其研究面不断拓展,这一阶段有较大进展的另一重点领域是空气污染与大气化学变化关系及其机制问题的研究拓展,以及细颗粒大气气溶胶的大气物理过程研究等。
从学科发展出发并按上述学科发展的历史进程和思路安排选材是该书所遵循的思路。在此认识基础上,试图创建一个空气污染气象学的新体系。当今的重点是:适时提出以中尺度大气扩散为核心的中尺度空气污染气象学理念并建立预测模拟系统,以及空气污染与大气化学和气溶胶物理过程偶接处理的研究;发展建立城市实用的多尺度空气质量预测模拟,同时,拓展区域性尺度的研究与应用范围,把属于学术性层面的研究进行更加全面深入的展开。该书重点论述了这些内容的基本原理、方法和技术思路,并引入近期团队所取得的一些研究成果。
该著作获得2019年度国家科学技术学术著作出版基金资助,由南京大学出版社出版。作为一部学术基础理论著作,力求能引入更多最新的学科发展理念和具有国际前沿特色的内容。共设七章,第一、四、六、七章由刘红年和蒋维楣撰写,第二章由刘红年撰写,第三章由刘红年、张宁、彭珍、蒋维楣撰写,第五章由张宁撰写,全书由蒋维楣校核。第一章为绪论,简要介绍空气污染气象学问题及其由来、影响因子和研究内容、研究意义及研究方法。在此基础上,论述如何运用气象学原理,对空气污染气象学的核心问题作基本描述和基本理论处理。第二章阐述空气污染气象学的两个基础内容,即与空气污染气象学密切相关的大气物理过程和大气化学过程及它们的相互联系与影响,以及由它们支配进入大气的空气污染物的散布规律,包括污染源的排放、污染影响和归宿的支配关系。第三章专门论述空气污染物散布计算预测数值模拟处理,这也是当今空气污染气象学最重要和最常用的处理方法和技术。第四章介绍局地尺度到中尺度再到区域和全球尺度的空气污染气象学问题的研究处理方法。第五章比较充分地阐述了各种城市空气污染气象学问题及其应用处理的内容。第六章强调中尺度气象学对中尺度空气污染气象学问题的作用和重要影响,以及中尺度气象学的基本方法对中尺度空气污染气象学问题处理的重要性。第七章探讨区域与全球空气污染气象学问题,希望读者能对整个地球系统的大气环境问题有更加全面的认识。