一个与时俱进的空气质量模型
空气质量是影响全球人类健康与福祉的最大因素之一。空气污染来自多个来源,包括电力、工业、住宅和交通部门的化石燃料燃烧,以及野火、农业活动等。它与气候相互作用,加剧无数健康状况,并估计每年导致数百万人死亡。保障公众健康和应对气候变化,依赖于对空气质量进行稳健的影响评估和制定有效的政策,而这又需要准确理解空气组成及其变化过程。
几十年来,科学家运用基于观测的多尺度建模方法,以增进对空气质量及其与气候相互作用的理解和预测能力。这类研究正变得越来越深入、越来越能揭示过程细节,并且越来越被更广泛的群体所使用。此类方法持续成功的关键在于,所用模型必须跟上科学知识、建模技术以及地球观测系统能力的发展步伐,并且其有价值的特点应被解读其结果的科学家和决策者充分认识。
本文回顾了其中一个有影响力模型——开创性的硫输送与沉积模型的历史,并展望了它如何能持续揭示更多关于空气质量、气候和其他社会重要问题的信息。
硫模型的先行之路
STEM的开发始于1976年,远早于许多同时代的空气质量与大气化学模型。当时,化石燃料消耗屡创新高,而有效的排放物硫清除技术尚未广泛应用。由此产生的大气硫污染和酸雨对人类、基础设施和生态系统造成了日益严重的负面影响。这些影响也提高了人们的意识,即空气污染不仅是一个局部问题:一个地方的排放可能影响下风向数百甚至数千公里之外的地方。STEM最初旨在帮助理解大气硫的输送、转化和去除过程,并为减排策略提供信息。
自创建以来,STEM已扩展到涵盖更广泛的关键空气污染物,如臭氧和颗粒物,这些问题也造成了区域性乃至洲际影响。结合广泛使用的气象模型(包括WRF和MM5的多个版本),STEM已被用于研究美国、北极、亚洲和南美洲等地区的空气质量,并为数百篇同行评审出版物做出了贡献。这些研究突出了此类模型在解决与大气化学物质分布、量化其环境影响以及评估环境缓解策略相关的广泛科学问题方面的用处。
通过回答这些科学问题,STEM还展示了模型支持机载和地面实验设计和部署的能力,其中许多实验由NASA或其他机构领导。例如,在2001年NASA的TRACE-P实验期间,STEM对太平洋上空污染流出区域的每日预报被用于帮助规划飞机采样空气污染物的位置。在实地应用STEM也使其能够用于解释和提供收集观测数据的背景,从而帮助改进了模型。此后,空气质量模型在此类预报应用中的使用急剧扩大,如今这些模型已在城市、国家和全球尺度上运行使用。
STEM还通过支持Aura等卫星任务、促进其主要数据产品的新应用、刺激新检索产品的开发和评估,以及参与国际多模型比较实验(如亚洲模型比较研究和半球输送空气污染物工作组),为科学界服务。这些实验有助于更稳健地估计空气污染的源-受体关系及环境影响,并帮助科学家更好地理解各种模型比较中的优缺点。
简洁、稳定与灵活
STEM悠久的历史和广泛的应用塑造了其主要技术优势。这些优势包括其结构简洁,便于用户修改;稳定性,基于数十年与现场和实验室测量及其他过去应用信息的调整而建立;以及灵活性,提供了生成化学边界条件和其他关键输入的灵活工具以及先进的数据同化能力。特别值得一提的是动力学预处理器软件的开发,它使得更改STEM(及其他模型)中使用的化学机制变得容易,并提高了其同化观测数据的能力。
这些特性使得使用该模型的研究人员在空气质量和气候领域都做出了与政策相关的显著科学贡献,并在全球范围内培训了数十名学生和早期职业科学家。这些贡献包括利用真实世界观测推导短寿命和长寿命气候强迫因子(如氮氧化物、二氧化碳、羰基硫)及其前体物的地表-大气通量,理解控制它们的因素;将气溶胶对空气质量和气候的影响归因于不同源部门(如能源生产、工业过程、交通、住宅来源和野火)的排放;以及识别在气候变化下大气环流和排放模式变化中的空气污染源。
这些基于STEM模型的研究激发了后续关于新应用的研究和讨论。例如,它们引发了关于使用羰基硫作为总初级生产力代理的讨论,因为植物吸收羰基硫与二氧化碳之间存在联系,这进一步导致开发和应用基于卫星的数据产品来追踪羰基硫。
同时,研究人员正在继续开发方法,以减少估计不同区域和源部门的气溶胶和温室气体排放对健康和气候影响的不确定性。这些努力部分涉及整合跨学科的地球观测,以改进用于进行这些估计的过程级约束。观测驱动的分析也在推进,以改进对背景空气污染水平的估计,这些信息与在气候变化下更新空气质量标准相关。
与时俱进以保持相关性
尽管STEM在其历史中已成果丰硕,但更新它(及类似模型)是必要的,以确保它仍然是空气质量与气候科学家研究环境和为政策制定及大气观测系统设计提供信息的一个稳健选择。
维持和增强可用于空气质量管理的模型的多样性非常重要,因为单个模型的预测(及其影响)仍存在重大不确定性。对STEM进行的主要更新正在进行中,以改进模型如何与最新和下一代气象与地表建模系统(例如可变分辨率运行的MPAS和能模拟多种配置下植被动态的Noah-MP地表模型)对接。这些更新可以促进大气沉降等过程的更好表示。STEM也将与区域和全球气候模型更紧密地整合,并将在逐渐更精细的、卫星可分辨的公里级或更低尺度上应用。
社区对STEM的目标和更新的输入一直在收集,且建议总是受欢迎的。理想情况下,STEM应适应在新一代高性能超级计算系统上运行,或许结合商业云计算、人工智能和机器学习及其他技术。
额外的更新可能包括提供模型元素、特性和执行步骤的详细文档,以及精心设计的后处理和可视化程序,以提高模型结果的可解释性和传播性。此外,模型可以更新以支持众包科学项目,通过整合来自或为其提供数据。用户社区应能够从集中、开放访问的平台轻松访问和贡献经过整合和现代化的模型及其相关文档。
这些更新将允许像STEM这样的模型在比以前更广泛的空间和时间尺度上实施,并支持新兴主题的研究,例如与环境正义相关的研究。区域到局部的空气质量模拟及其影响因素,结合社会经济数据,可以澄清某一感兴趣区域内的环境不平等状况,并帮助评估涉及移民、搬迁或城市或生态系统适应的潜在解决方案。
几十年来,STEM模型通过为塑造科学理解、基于科学的政策制定和软件设计贡献对空气质量、气候和环境的见解,证明了其价值。通过持续和计划中的更新,该模型在这些目的上的实用性将在未来许多年继续存在,其对新应用的相关性也将增长。