为计算大气沉降，这三个气象要素，能不能不买？
作者 | 尚云环境.牛晓静
关于大气沉降计算这事儿由来已久，想必做过环评的人都知道，做过大气环评专篇的人更是知道。因为一旦涉及要计算大气沉降的时候，单就aermod模型而言，我们所采用的气象数据就要不可避免的由原来的5要素增加到8要素，多出来的3要素分别是降雨量、相对湿度、大气压。那这三个要素对沉降究竟有没有影响，影响程度如何？之所以有这样的疑问，是因为这三个要素不是免费获取的，如果影响很小甚至没有，那还有必要多花钱买吗？小编作为淼淼环评大军中的一员，原来对此是存过疑的，但终究是缺点儿格物致知的勇气（就是懒），后来因（领）缘（导）际（发）会（话），关于这个疑问的探底，终于提上了小编的日程。文章篇幅较长，结论离此处有点儿远，贴心的小编还是先放下结论吧，那就是：经过一系列验证对比发现，做沉降计算需要的地面气象数据文件是一定要包含降雨量、相对湿度、大气压这三个要素的，这是毋庸置疑的。因为在这三个要素中，降水量对沉降结果影响还是很明显的，其次是大气压，而相对湿度，大多数情形下，影响是不突出的，但在气态物干沉降过程中，相对湿度的作用也是不能忽略的。俗（小）话（编）说，任何没有论据的论点就好比鸭子开会——无稽之谈。所以接下来，秉承我党理论与实践相结合优良传统，小编就从两个方面佐证上述论点。
首先，沉降的概念老生常谈，所以这里就不复制粘贴了，我们挑重点说。关于沉降，它是有如下类型划分的：
沉降既然有不同的类型，那就说明不同沉降所对应算法也是不一样的。因为小编的本意是跟大家分享下降雨量、大气压、相对湿度（以下简称“三参”）对沉降的影响，自然地，分析思路也是顺着不同沉降类型算法进行的，为了更加凸显三参对沉降的直观影响，小编对其中无关降雨量、大气压、相对湿度的参数进行了封装，在将被封装参数人为锁定的前提下，定性分析三参与沉降的相关性（数学基础过硬的同学可以考虑求偏导，这个方法是最靠谱、有效的）。1.1 干沉降
干沉降的计算公式是不区分物质是气态物还是颗粒物的，统一采用公式如下：
但公式中涉及的干沉降速率（Vd）计算方法是随物态变化而不同的。
1.1.1 颗粒物（粒径大于10μm质量占比>10%）
根据AERMOD Deposition Algorithms – Science Document (Revised Draft)，其中，Rp是涉及St（Stokes number）变量的函数，St是涉及υ（kinematic viscosity of air）变量的函数，而修正后的υ是涉及大气压变量的函数，具体关系如下：
所以，可以间接看出，大气压对颗粒物（粒径大于10μm质量占比>10%）的干沉降速率是有影响的。1.1.2 颗粒物（粒径大于10μm质量占比≤10%）
V dpf p 和V dpc都是涉及Rp变量的函数，不同于颗粒物（粒径大于10μm质量占比>10%）情形，这里Rp是关于摩擦速度u*和莫宁长度L的分段函数，具体如下：
从表达上看，是不涉及三参的，但是从下面莫宁长度的计算公式来看，L是与空气密度有关的，显然，空气密度是与大气压有关的。据此，我们可以认为大气压对颗粒物（粒径大于10μm质量占比≤10%）的干沉降速率是有影响的。
（注：莫宁长度计算公式摘自《沿海大气稳定度分类莫宁-奥布霍夫长度L分类标准研究》）1.1.3 气体
关于气体的情况，分析起来较复杂，因为它的延展计算是最多的，不过我们这里还是打算只简要说明下，公式中Rb因为涉及υ（参看前面粒径大于10um质量占比大于10%颗粒物的情形），所以它与气压有关；Rc是涉及Rs（cannopy stomatal resistance）变量的函数，Rs又是涉及变量f2（multiplicative scaling facor for soil moisture）、f3（multiplicative scaling factor for humidity）的函数，通过分析f2、f3计算公式（因为参考文献中，公式有三页半，所以小编这里就不截图了，感兴趣的可以移步文末附件），我们可以发现，f2解析式是一个与前一时刻降水量有关的数列通项公式，f3涉及的饱和蒸汽压是与相对湿度有关系的。所以，气态物情况下，干沉降速率是与降水量、气压还有相对湿度都有关系的。1.1.4 小结
通过以上分析可知，颗粒物（粒径大于10μm质量占比>10%）、颗粒物（粒径大于10μm质量占比≤10%）、气态物三种情形结论取并集，三参对干沉降是均有影响的。
这里需要注意的是：以上是干沉降速率和三参的相关性讨论，但是沉降通量计算公式中涉及的χd浓度变量，小编查到的参考文献中并没有对它关于三参做过多说明，也没有找到它的算法公式，但小编猜想这并不意味着它与三参就没关系，至少它和降雨量 是有关系的，并且负相关。事实上，后面颗粒物情形下验证案例也验证了小编这一猜想（为什么小编没说气态物呢？因为气态物下的沉降速率和降水量本身是有关系的，不易看出正负相关性）。
1.2 湿沉降
1.2.1 颗粒物
和干沉降不同，颗粒物湿沉降算法公式是不区分粒径分布的，统一采用上述公式，但是粒径所发挥作用会体现在公式里。公式中的r代表降水量，可以明显说明，颗粒物湿沉降是于降水量有关系的，但是不能简单的据此认为他们是呈正相关的，因为上述沉降公式除了涉及降水量，还有另外一个变量，Wp（particle washout coefficient），也是与降水量有关系的，且无明显正负相关性。此外，Wp的计算公式还涉及υ，而υ与气压相关，所以颗粒物湿沉降不仅与降水量有关，还与大气压有关。
1.2.2 气体
关于气态物的湿沉降，除了上述公式中含有的降水量参数r，液相中污染物浓度Cl也是一个涉及降水量的分段函数，因为Cl又是一个复杂的解析函数，所以这里气体湿沉降与降雨量的正负相关性小编不好武断，只能负责任地告诉大家，气态物湿沉降受降水量影响的。
1.2.3 小结
通过以上分析可知，颗粒物与气态物沉降分析结论取并集，三参中，降水量、大气压对湿沉降结果是起主要作用的。（理论部分所涉及公式均摘自EPA发布的aermod沉降算法文档AERMOD Deposition Algorithms – Science Document (Revised Draft)，小编已放在附件，以便想了解更多详细信息的同学）文中，我们只是通过理论部分确认了三参对沉降是否有影响，下面我们通过案例来了解三参变化对沉降的影响程度。
为了更好的辅证三参对沉降的影响，小编对三参中每要素均列举三组对比值，一组参照值，相当于四组样例对比（也就是干沉降要做3（要素）×4（样例）×3（物态）=36次对比分析，湿沉降要做3（要素）×4（样例）×2（物态）=24次对比分析，共计60次对比，每次对比都是固定2603个样点沉降结果值的对比。简言之：某要素下，每次对比，均筛选出2603个样点中沉降值在四组样例之间互不同的点位，以便观察三参变化对沉降结果的影响程度及规律）
下面小编具体罗列下三要素各对应的4组样例的情况，其实主要是是4个地面气象数据文件（三要素累计的话就是12个）的区别，在各要素下，其中称为“参照”的气象文件是来自某地2017年的真实地面气象数据，另外三个文件均是“参照”文件在保证无关要素不变的前提下，只对三参中某特定要素进行定量增减之后衍生出来的气象文件（遵循单一变量原则）。下面列表说明下：参照 | 对比1 | 对比2 | 对比3 |
降水量（mm） | +10 | +40 | +60 |
相对湿度（%） | -20 | +10 | +20 |
气压（pa） | +100 | +500 | +10500 |
由于要提取沉降结果不同的样点，对比过程繁琐冗杂（借助工具eiaproa2018、Uedit32、excel），所以这里具体对比过程，小编不打算详说，而是直接将对比结果以图的形式来分析三参对沉降的影响。
2.1 干沉降
2.1.1 颗粒物（粒径大于10μm质量占比>10%）
在四组只是降水量不同的案例中，小编在2603个点中筛选出55个干沉降通量不同的样点，对比结果如下图所示，可以看出，降水量的变化对干沉降结果影响挺明显的，且随着降水量的增加，干沉降结果值趋于减小，但整体变化趋势是保持一致的。关于气压，一共筛出36个不同点，但是小编这里分两张对比图列出，这是为了说明气压对颗粒物干沉降有影响，但是并没有确定的正负相关性。单从图（i），很容易让人觉得气压增加，干沉降结果也随着增加，其实不是的，因为小编还发现有两个点是不符合这个规律的，如图（ii）所示（因为值差异太小，就是0.00098和0.00099，0.00001和0的区别，所以通过图不太容易看出来），气压继续增加的时候，干沉结果反而变小了。所以小编认为气压对沉降结果是有影响的，但没有正负相关性。
（i）
（ii）
关于相对湿度，小编没有列出对比图，是因为没有筛选出干沉降结果不同的点。换言之，就是相对湿度的增减，对沉降结果的影响变化并没有达到肉眼可辨的程度。2.1.2 颗粒物（粒径大于10μm质量占比≤10%）
当粒径大于10μm的颗粒物质量占比小于等于10%时，降水量对干沉降的影响时很小的，但也呈负相关。因为四个案例，2603个点中，只从其中两个案例中筛选出两个不同的点，如下图所示：
这里气压对干沉降的结果影响情况同粒径大于10μm的颗粒物质量占比大于10%的情形，不再赘述。
同粒径大于10μm的颗粒物质量占比大于10%的情形一样，小编也是没找到不同点，可以认为相对湿度对干沉结果几无影响。2.1.3 气体
不同于颗粒物的情形，由如下两图，可以看出降水量对气态物的沉降结果有影响，但是并无明确的正负相关性，其中原因，可以回看理论部分来理解。
b气压
虽然只筛选出两个不同点，但小编还是要说论点：由如下图可以看出，气态物的情形下，气压对干沉降结果是有影响的，且呈正相关。
终于看到一个可以让相对湿度发挥作用的了，虽然影响很小。四种情形里，小编只列举了其中两种情形4个不同点的对比图，可以看出是呈正相关的。
2.1.4 小结
根据案例验证结果及对比情况可以发现，气压、降水量、相对湿度对干沉降结果均有不同程度的影响，其中影响程度较突出的首先是降水量（通过影响浓度），其次是气压。而相对湿度的影响主要体现在气态物干沉降过程中。2.2 湿沉降
2.2.1 颗粒物
关于颗粒物的湿沉降，前面理论部分并未区分颗粒物的粒径占比，意味着，不同粒径分布的颗粒物湿沉分析是可以一概而论的，所以这里我们重点以粒径大于10μm的颗粒物质量占比大于10%的情形为例来说明，三参对湿沉的影响。（要对比的情况太多了，接下来小编准备言简意赅，减少字数）由下图可以看出，降水量对湿沉降结果影响明显，但是并无确切正负相关性。
由如下两图可以看出，气压的变化对湿沉降有影响，但无正负相关性。
不知道为啥，相对湿度的变化怎么就是撼动不了湿沉降结果的变化呢？ 关于颗粒物的湿沉降，为了保险起见，小编也是对比了是粒径大于10μm的颗粒物质量占比小于等于10%的情形的，对比结论跟大于10%的情形并无冲突，只不过具体到结果值的话，气压的影响程度要更小些。2.2.2 气体
由下图可以看出，气态物情形下，降水量越大，湿沉降结果越大。
气态物情形下，根据对比结果，并未发现由气压变化导致的湿沉降结果不同的点，可以说气压对气态物情形下的湿沉降影响也是几无可察。2.3 小结
由以上湿沉降结果对比分析可知，降水量、大气压、相对湿度的影响各异。对于湿沉降的影响，主要发生在降水量变化时，大气压影响次之，尤其是在气态物情形下；而相对湿度，不管在哪种情形下，影响都是可忽略不计的。
通过理论和案例验证两方面的分析，可知：降水量、大气压、相对湿度三个要素中，对沉降影响最明显的是降水量，其次是大气压，而相对湿度的作用主要体现在气态物的干沉降过程中，各要素于沉降具体相关程度因物态不同会有不同。在这种认知下，大气沉降计算所需气象数据中，除了必备五要素以外，还需额外有降水量、大气压、相对湿度这三个要素。
编辑：君君.环评互联网
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