基于Hysplit模型的大气污染扩散应急系统开发

摘要：危害化学品泄漏的潜在污染污染范围较大，且在大气中扩散的路径和范围受风、降水、大气稳定度以及地形等多重因素的影响，因此建立大气污染扩散应急系统可以快速模拟污染物影响范围并采取准确、及时的应对措施。系统包括预报数据管理、扩散模拟运算和前端平台三块内容。扩散模拟运算作为核心模块采用拉格朗日混合单粒子轨道模型，以前端平台的指令和气象模式预报数据为输入在线驱动Hysplit模型，动态输出扩散轨迹、浓度分布和粒子运行等相关定制化产品。

关键词：扩散应急；Hysplit模型；轨迹模拟

引言

气态或低沸点液态危险化学品发生泄漏事故后，多数以重气体云的形式在空气中扩散传播，遇引火源易发生燃烧、爆炸，引发危险化学品事故[1]。如果不能在短时间内启动气象环境污染物扩散响应并采取及时、有效、有针对性的处置措施，将对人类的生命安全和生态环境构成严重威胁。因此，为了应对突发性危化品泄漏事故，需提供实时在线的危险化学品泄漏扩散预测，即根据事故污染源参数及气象条件，在事故发生后的第一时间对泄漏污染物颗粒或烟羽的扩散轨迹、空中和地面污染浓度和影响范围进行及时准确的预报，为相关应急管理部门防灾减灾工作提供科学依据和支撑。

国家气象中心（北京区域专业气象中心，RSMCBeiJing）是世界气象组织（WMO）下设的全球8个负责核污染环境紧急响应业务的区域专业气象中心之一，从1997 年起就开展了全球核应急响应的工作，并利用HYSPLIT4和T213模式的耦合在高性能计算机上建立了一套能满足国际演习需求、运行稳定、自动化程度高的核污染物长距离传输业务数值预报系统[2]。本文基于HYSPLIT4和中尺度模式WRF耦合，并在此基础之上开发了基于GIS的环境污染物扩散响应产品相关服务系统，旨在实现地方城市中尺度大气扩散模式运算作业在线调度和服务产品快速响应。

1 技术路线

1.1关键技术

1.1.1基于HTML5/JavaScript的WebGIS界面开发技术

系统界面基于HTML5/JS前端开发语言、Vue前端开发框架开发而成，用户通过访问浏览器就可以直接完成与系统平台的人机交互操作，无需安装额外的插件或程序，在很大程度上加快了访问速度，提升了用户体验。将WebGIS[3]技术应用到网络版决策支持系统界面的构建中，使系统平台通过一个通用地图界面，与Web中的其他信息服务进行无缝集成，实现通过互联网进行网络地图、用户自定义地图的发布、地图浏览、多源气象模式数据图层和污染扩散结果叠加展示以及地图交互空间数据绘制和产品制作。

1.1.2气象模式数据解析技术

NetCDF（network Common Data Form）网络通用数据格式是由美国大学大气研究协会（University Corporation for Atmospheric Research，UCAR）的Unidata项目科学家针对科学数据的特点开发的，是一种面向数组型并适于网络共享的数据的描述和编码标准[4]。

一个NetCDF数据集包含维（dimensions）、变量（variables）和属性（attributes）三种描述类型，每种类型都会被分配一个名字和一个ID，这些类型共同描述了一个数据集，NetCDF库可以同时访问多个数据集，用ID来识别不同数据集[5]。

1.1.3 三角网GIS绘图融合技术

在制作标准产品时，采用了PostGIS空间数据库来存储图形绘制所需的底图，PostGIS是对象关系型数据库PostgreSQL的空间数据扩展模块，PostGIS所支持的几何对象是由开放地理协会（OGC）定义的简单要素[6]，可以非常方便的更换底图。采用三角网格划分法来绘制浓度等值线，对原始网格进行插值并进行等值线的遍历和填充等值面，支持规则网格和不规则网格。

1.2 Hysplit模式

后向轨迹模型（Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model，简称HYSPLIT模型），是由美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，简称NOAA）的空气资源实验室和澳大利亚气象局联合研发的用于计算和分析大气污染物输送、扩散轨迹，并可以实时预报风场形势、研究水汽输送轨迹的专业模型[7]。模式运行时需要输入规则网格化的气象数据场，空气污染物浓度计算将污染物质量与烟团、微粒或两者结合的排放相联系。通过垂直系数廓线、风切变和风场水平变形，计算扩散率。对于烟团扩散过程和微粒扩散过程，有不同的计算方式，前者是在特定的网格点上计算，而后者按网格平均计算[8]。

1.3业务流程

前端平台生成应急指令信息，将模拟开始时间、预报时长、污染物泄漏或释放时间、位置和高度信息、污染物理化参数信息和输出配置信息等以JSON形式传递给后台应用服务，大气扩散模型运算服务调用数据库相关参数信息，接入GFS气象场要素数据，生成模型运算控制文件、边界配置文件和配置文件，通过hysplit模型组件实现实时在线模型驱动运算，生成轨迹、浓度和粒子结果文件，并在此基础上实现轨迹、浓度和粒子图形产品及后处理文本产品制作，同时生成环境场数据和模型结果数据地图可视化服务接口，用于大气污染扩散地图GIS交互操作。

2 系统功能介绍

2.1模式指令设置

2.1.1 基本参数设置

进入指令生成页面的第一个操作是基础参数配置。基础参数包括情景名称、情景状态、泄露类型、到达时间和请求时间。其中泄漏类型可以设定为点源、线源和面源其中之一。

2.1.2指令参数设置

指令参数明确泄露位置、模拟开始时间、模式时长、模拟层数和高度等关键信息。泄漏位置需确定泄漏位置经纬度数值。预报时长默认设定为72h。模拟高度根据关注的模拟泄漏高度，默认为500，1500，3000三层高度。

2.1.3格点参数设置

格点参数设置用于设置污染物浓度扩散模拟的网格参数，包括模拟范围、模拟结果分辨率、输出层高、层数及输出时间范文和时间间隔，平台为用户提供一系列默认参数，用户可以直接修改参数值。

2.1.4污染物参数设置

污染物参数设置界面可以设定污染物释放的基本参数信息和污染物沉降参数信息。污染物种类数可指定污染物的个数，通常与定义的浓度网格类型数对应。在模型种中可以定义多种污染物释放，每种污染物总会被设定自身的颗粒和烟团模式。泄漏开始时间设定模拟污染物释放开始的时间；持续时间设定污染物释放的持续时间；泄漏结束时间设定模拟污染物释放结束的时间；释放速率设定污染物释放的速率，单位为becquerel/hour；释放总量设定污染物释放的总量，单位为becquerel；污染物类型包括气态和颗粒态。

2.1.5模型运行界面

提交应急扩散任务并执行后，流程监控面板展示模型运行进度，展示当前模型运行的阶段，即指令接入阶段、数据接入阶段、模型运行阶段、产品制作阶段，用不同颜色和图标展示执行状态，同时显示模型运行时间。

2.2产品制作

模型运行结束后自动生成产品报告图，包括轨迹预报图、浓度预报图、地面沉降图的逐小时产品图，选择对应情景自动加载产品列表及对应时间，提供产品下载。

2.3 GIS交互

按照开始、结束时间查询历史情景模拟列表，按照情景名字展示相关信息。选择一个场景，展示不同高度轨迹、地面沉降、浓度场、风场、降水、温度等地理空间图；提供任意方向上对应剖面数据提取工具，根据线路轨迹绘制该方向上固定间距的浓度变化图，支持表格和图表下载

3 结论

本文结合信息化技术搭建Hysplit大气污染扩散应急系统平台，协助使用者快速模拟和预测大气中污染物的扩散路径和浓度分布。通过模拟不同气象条件下的污染物扩散情况，了解污染物的传输规律，为制定环境保护策略提供技术支撑。系统同时适用于城市规划中的环境影响评价，通过模拟城市内污染物的扩散过程，评估不同规划方案对环境的影响，为城市规划提供科学依据。

参考文献

[1]尹亮.重气体泄漏的扩散特征及应急处置要点[J].化工管理， 2022（34）：135-140.

[2]孙明华，宋振鑫，吕终亮.区域大气环境应急响应数值预报系统[J].气象科技，2010，38（05）：635-639.

[3]胡亚明，金焱.浅论WebGIS的结构[J].测绘与空间地理息，2005（03）：31-58.

[4]饶俊，朱贞榕，许朋朋，丁海萍.基于NetCDF气象数据可视化分析[J].科技创新与应用，2023，13（17）：18-21.

[5]岳俊.基于GeoServer的Web瓦斯地质图发布技术[J].测绘与空间地理信息[J]，2023，46（08）：74-77.

[6]杨玉红，寇媛媛.NetCDF4性能分析与调优研究[J].计算机技术与发展，2019，29（10）：89-94.

[7] Stein， A.F.， R.R.Draxler， G.D.Rolph， B.J.B.Stunder， M.D.Cohen， and F.Ngan.” NOAA’s HYSPLIT Atmospheric Transport and Dispersion Modeling System”， Bulletin of the American Meteorological Society 96， 12 （2015）： 2059-2077， accessed Oct 7， 2021， https：//doi.org/10.1175/BAMS-D-14-00110.1.

[8]王广杰，沈红，李娟，兰伟仁，管维彪.基于拉格朗日混合单粒子轨迹模式（HYSPLIT）的核污染物扩散数值预报技术[J].辐射研究与辐射工艺学报， 2024，42（02）：109-118.

作者介绍：

张小意（1991.10.26），性别：女；籍贯：浙江；民族：汉；学历：本科、学士；研究方向：地理信息系统。