1.0 引言

本章对 AERMOD 模型及《AERMOD 用户指南》作总体介绍，并针对不同类型的用户，提出如何更有效地使用相关手册的建议。此外，本章还概述模型的适用范围、可用选项，以及基本输入数据和计算机硬件要求。

运行 AERMOD 所需的输入文件通常称为控制文件。该文件采用描述性的关键字，并允许用户以较为灵活的结构和格式组织输入内容。

1.1 如何使用 AERMOD 手册

《AERMOD 用户指南》旨在满足不同用户的需要，这些用户对模型的熟悉程度和应用经验可能不同。本节简要说明各类用户如何利用本手册。

1.1.1 初学者

初学者是指接触 AERMOD 较少或缺乏实际应用经验的用户。他们可能总体上刚开始接触大气扩散模拟，也可能只是不熟悉 AERMOD，因此不了解其输入文件采用的关键字/参数方式。

这类用户应首先阅读本章其余内容，以形成对 AERMOD 用途的总体认识，尤其应了解其在法规模拟中的应用。随后应重点阅读第 2 章。第 2 章概述 AERMOD 输入、输出文件的类型，并说明如何建立一个包含常用选项的输入文件。

第 2 章还对输入文件结构作基础说明，并解释使用关键字/参数方式指定模拟选项和输入数据的若干优点。第 3 章则对模型运行所涉及的各种选项提供更详细、完整的参考说明。

1.1.2 有经验的模拟人员

有经验的模拟人员通常已经在多种情形下应用过 AERMOD。他们应当基本了解法规模拟的总体目标和用途，也应熟悉 AERMOD 所提供选项的大致范围。

具有扩散模拟经验、但刚开始使用 AERMOD 的人员，首先阅读本指南第 2 章会较有帮助。第 2 章介绍输入控制文件所采用的关键字/参数方式的基本结构、组织形式和设计思路。

在掌握输入文件的结构和语法规则后，这类用户可以主要将第 3 章作为参考，用于了解模型的总体功能，或掌握实施某一具体选项的方法。第 3 章按功能组织内容，并依据不同功能路径，对各项关键字选项作详细说明。

熟悉关键字以后，用户可以利用附录 A 的功能性关键字参考，快速核对某一关键字的正确语法及可用选项或参数。

有经验的模拟人员还可能需要查阅《AERMOD 模型理论与算法说明》（EPA，2023a），以更全面地理解 AERMOD 的技术基础。

1.1.3 管理人员和决策者

负责扩散模拟项目管理或决策的人员，应特别关注本章其余内容。本章概述模型及其在不同法规项目中的作用，简要介绍可用选项的范围，并说明运行模型所需的基本输入、输出数据和计算机硬件条件。

通过这些内容，管理人员和决策者应能充分了解 AERMOD 的基本能力，从而判断模型是否适合具体应用。他们还可以阅读第 2 章的概述，以了解输入控制文件的性质和结构，从而更好地审核模拟结果。

1.2 AERMOD 模型概述

本节概述 AERMOD，包括模型的法规适用性、运行模型时可采用的基本选项，以及执行模型所需的基本输入数据和硬件要求。

1.2.1 法规适用性

美国环境保护署（EPA）发布并维护《空气质量模型指南》（EPA，2017b，下文简称《指南》）。该指南作为经修订的美国《联邦法规汇编》40 CFR 第 51 部分附录 W 发布，说明 EPA 对空气质量扩散模型在法规工作中适用性的指导意见。

一般而言，法规模拟应依据一份在正式开展模拟之前，由相应主管机构审核并批准的模拟方案实施。模拟方案应明确具体应用所采用的模型、模拟选项和输入数据，例如气象资料、排放源参数等。

1.2.2 基本输入数据要求

AERMOD 的基本输入之一是控制文件。控制文件包括所选模拟选项、污染源位置和参数数据、受体位置、气象数据文件说明以及输出选项。

运行模型所需的另一类基本输入是气象数据。AERMOD 需要两类由气象预处理程序 AERMET（EPA，2023c）生成的气象数据文件：

  1. 地表标量参数文件；
  2. 气象数据垂直廓线文件。

本章后续内容将对这两类气象数据文件作简要介绍，第 2 章和第 3 章则提供更详细的说明。

对于涉及高地形影响的应用，在将受体和地形数据输入 AERMOD 之前，需要使用地形预处理程序 AERMAP（EPA，2018）进行处理。

1.2.3 计算机硬件要求

当前版本的 AERMOD 在 Microsoft Windows 操作系统环境中开发，并设计为在 Windows 个人计算机的命令提示符窗口中运行。用户通过命令行参数启动模型。

某一具体应用需要的硬盘存储空间，在很大程度上取决于所选择的输出选项。部分可选的浓度数据输出文件可能非常大。有关输出文件产品的更多信息，见第 2.1 节和第 3.7 节。

AERMOD 提供了广泛的选项，用于模拟污染源对空气质量的影响，因此在模拟领域被广泛应用于多种任务。以下各节简要概述 AERMOD 中可用的主要选项。

1.2.4 扩散选项

由于 AERMOD 的设计目标之一是支持 EPA 的法规模拟工作，因此模型默认采用法规模拟选项。这些默认选项包括：

  • 考虑烟囱顶部下洗；
  • 在静风或气象数据缺失时，采用相应的平均值处理程序。

模型还提供多种非默认选项，例如：

  • 不采用烟囱顶部下洗；
  • 模拟沉降；
  • 进行 NO₂ 转换；
  • 对低风速条件进行专门处理；
  • 对日期不连续的气象数据文件关闭日期检查等。

关闭非连续气象数据文件日期检查的选项，主要用于方便模型评估。

AERMOD 还包括一种非默认筛选模式，该模式专门用于与 AERSCREEN 模型界面集成（EPA，2021）。

用户可以在一次 AERMOD 运行中指定多个短期平均时间，并可同时要求计算整个模拟时段的平均值，例如年平均值。

1.2.5 污染源选项

AERMOD 可以处理多个污染源，并支持以下污染源类型：

  • 点源；
  • 体积源；
  • 面源；
  • 露天矿源；
  • 浮力线源；
  • 非浮力线源。

AERMOD 将非浮力线源模拟为狭长面源或一系列体积源。如果采用狭长面源表示较窄的非浮力线源，用户可以在控制文件中直接指定线源，从而简化通常用于定义面源的输入内容。

从 15181 版本开始，AERMOD 纳入了浮力线源与点源模型 BLP（Buoyant Line and Point Source）中的浮力线源算法（Schulman and Scire，1980）。

一次运行中可以指定多个污染源组，模型将分别合并各组内污染源的贡献。这一功能对防止空气质量显著恶化（PSD）分析尤其有用。例如，可能需要合并一部分会占用允许增量的背景污染源影响，同时还需要合并全部背景污染源与拟许可污染源的影响，以证明符合美国国家环境空气质量标准（NAAQS）。

模型包含以下相关算法：

  • 模拟邻近建筑物产生的空气动力学下洗对点源排放的影响；
  • 模拟颗粒物排放的沉降效应。

污染源排放速率可以在整个模拟期间保持恒定，也可以按照月份、季节、一天中的小时或其他可选时段发生变化。

可变排放速率系数既可以针对单个污染源指定，也可以针对一组污染源指定。用户还可以为一次模型运行所包含的全部污染源或部分污染源，提供单独的逐小时排放速率文件。

1.2.6 受体选项

AERMOD 在受体位置的设置方面具有较高的灵活性。用户可以在一次运行中指定多个受体网络，也可以在同一次运行中同时使用笛卡尔网格受体网络和极坐标网格受体网络。

当用户需要在整个模拟区域布设较稀疏的网格，同时在预计最大影响区域布设更密集的网格时，这一功能十分有用。

对于极坐标受体，用户还可以灵活指定其坐标原点，而不必采用默认的 x、y 坐标 (0, 0)。

用户可以输入高程受体高度，用于模拟烟囱基底高程以上或以下地形的影响；也可以指定受体相对于地面的高度，以模拟旗杆式受体。

AERMOD 不再像早期法规模型那样，根据地形位于排放高度以下还是以上，将地形区分为简单地形和复杂地形。对于涉及高地形的应用，除受体高程外，用户还必须输入山丘高度尺度。

为生成 AERMOD 所需的山丘高度尺度，EPA 开发了名为 AERMAP 的地形预处理程序（EPA，2018）。

1.2.7 气象选项

AERMOD 使用以下两类气象输入：

  1. 地表边界层参数文件；
  2. 廓线变量文件，其中包括风速、风向和湍流参数。

这两类气象输入由 AERMOD 的气象预处理程序 AERMET（EPA，2023c）生成。

两个气象输入文件均为按时间顺序排列的 ASCII 文件。AERMOD 会自动将 AERMET 生成的格式识别为默认格式。

默认情况下，模型处理指定输入文件中的全部可用气象数据；用户也可以方便地指定需要处理的特定日期或日期范围。

1.2.8 输出选项

AERMOD 可生成的基本打印输出包括：

  • 按受体汇总的高值，例如最高值、第二高值等；分别对应不同的平均时间与污染源组组合；
  • 每个平均时间与污染源组组合的总体最大值汇总，例如最大的 50 个值；
  • 对每个平均时间与污染源组组合，按受体汇总每个处理日的同期值表。这些“原始”浓度值也可以输出到未格式化的二进制文件中。

按受体汇总的高值以及总体最大值，可在同一次模拟中针对一个或多个污染源组和单个污染源输出。

当输出单个污染源的最大值时，用户还可以选择输出以下内容之一或两者同时输出：

  • 每个污染源各自独立的最大值；
  • 各污染源对污染源组最大值的贡献。

除上述表格型打印输出外，AERMOD 还提供多种专用文件输出选项。

其中一种选项是将所有计算得到的浓度值输出到未格式化的二进制文件中。这类文件通常用于对结果进行专门的后处理。

除未格式化浓度文件外，AERMOD 还可以生成包含 (X, Y) 坐标和设计值的文件。例如，可以输出某一平均时间和污染源组组合下，每个受体位置的第二高值。此类文件可以方便地导入多种绘图软件，用于绘制浓度等值线图。

用户可针对所关注的每一种平均时间和污染源组组合，分别指定输出文件。

AERMOD 还可以生成浓度值达到或超过用户指定阈值的全部事件文件。此类文件同样仅针对用户关注的平均时间和污染源组组合分别生成。文件包括：

  • 超过阈值的日期；
  • 受体位置；
  • 浓度值。

AERMOD 提供两类专门用于模型评估的输出文件。

第一类文件按排序名次列出浓度，并确保每个日期只包含一个值。该文件可以用于生成结果的 Q-Q 图（分位数—分位数图），通过排序名次配对不同模型的结果和/或观测数据。

第二类文件提供弧线最大值结果，并给出与该弧线最大值相关的烟羽特征详细信息。

此外，AERMOD 还提供专门的输出选项，用于将模型结果与以下 NAAQS 进行比较：

  • 24 小时 PM₂.₅ 标准；
  • 1 小时 NO₂ 标准；
  • 1 小时 SO₂ 标准。

这些标准的统计形式基于跨年度排序值的平均，因此评价较为复杂。1 小时 NO₂ 和 SO₂ 标准尤其如此，因为它们基于逐日最大 1 小时平均浓度分布中的排序值。

1.2.9 源贡献分析

在空气质量扩散模拟中，用户可能需要了解某一特定污染源对一组污染源总体浓度值的贡献。本节简要介绍如何使用 AERMOD 开展此类源贡献分析。这类分析有时也称为污染源归因分析。有关具体选项的详细使用方法，见第 3 章。

AERMOD 允许用户指定污染源组，并由模型分别计算各污染源组的高值。

但是，为获得污染源贡献结果，用户往往还需要第二次运行模型：只选择出现高值的特定日期，并将每个污染源分别设置为独立的污染源组。

为简化这一工作，AERMOD 内置了 EVENT 处理器。此外，模型还提供前文所述的专门处理和输出选项，用于确定各污染源对 PM₂.₅、NO₂ 和 SO₂ 标准相关结果的贡献。