本实验主要内容是大气污染物传输扩散理论，是气象学、边界层气象学、污染气象学和大气环境学中非常重要的基本概念，定量计算污染物在大气中的传输情况是大气污染物治理的重要基础内容，对研究城市污染物形成机理，超大城市环境容量，制定城市大气污染物减排策略具有重要的理论意义。

通过本虚拟仿真实验，学生可掌握以下知识：

（1）监测方案设计：熟悉大气扩散能力数值计算分析，掌握大气稳定度确定方法、基于各类天气条件、污染物类型、源强源高影响等特征的方案设计技能。

（2）观测系统搭建：掌握观测仪器搭载选择、探空过程操作控制方法。

（3）试验结果分析: 掌握大气稳定度、扩散参数、地面最大浓度及离源距离、污染物超标预警范围计算分析方法。

大气环境监测预警实验由搭载仪器装备、进行探空过程实施操作、探空结果计算分析，预警决策制定四个阶段组成。本实验以5种污染事件中大气污染物扩散规律为研究对象，基于大气垂直观测方式和数据计算，综合运用高斯扩散方程，空气动力学、边界层气象学等专业知识，计算分析包括稳定度级别、地面最大浓度处扩散参数、地面最大浓度及离源距离。通过采用Unity三维软件以及三维动画，将现实中很难在实体实验教学进行完整重现的污染环境下大气监测预警应急工作进行仿真模拟。

系统包括“实验知识准备-实验方案设计-实验设备布设-加载组织实施-实验数据整理”的全流程模拟仿真，系统架构图如图1所示。涵盖了“实验背景及介绍”、“以学生为主的交互性实验操作”和“实验报告及讨论”三个阶段，并尝试变换天气背景参数、污染物释放强度、污染物释放高度、实验仪器类型、加载方式等20多个操作步骤来了解不同实验参数对实验结果的影响。针对每一模块所涉及的知识设置了理论强化和知识考核等交互环节，在实验过程中对学生操作进行实时引导、评价和打分，并将所有的流程步骤进行记录，得出结论，最终完成大气环境监测预警实验各个阶段的学习。

知识点：共8个

1.天气背景对大气稳定度的影响：掌握不同天气状况下对应的5种大气稳定度分类类型及判据。

2.系留气艇观测系统：掌握气艇观测系统的构成和各部件功能。掌握气艇使用气体选取原则，气艇大小选取依据，搭载仪器选取及摆放位置，气艇释放速度控制方法，气艇释放高度等。

3.气象要素和污染物垂直廓线特征：获得风速、温度等气象要素垂直变化特征。获得颗粒物和污染气体垂直变化特征。

4.大气稳定度的计算方法：掌握利用温度梯度和风速切边进行大气稳定度分级的方法。

5.高斯扩散方程：掌握点源高斯扩散方程的组成，各参数含义。掌握运用水平和垂直大气扩散参数的计算方法。掌握运用高斯扩散方程计算污染物地面分布的方法，并确定地面最大浓度的位置。

6.污染物地面分布的时间变化特征：掌握污染物地面分布的特征，并可根据实时天气背景条件，预测其时间演变趋势。

7.预警决策研判制定：根据国家环境质量标准，结合污染物地面浓度分布特征和时间演变趋势，给出污染物影响范围和持续时间。

8.烟云类型扩散特征：比较五种典型大气污染物烟云扩散特征及对地面浓度影响的强度。

实验内容：

1.实验准备，该模块类似于实验教材，有实验目的、内容、实验对象设计原则等内容。系统习题将利用知识要点考核、案例测试和系统提示协助学生完成整个实验预习过程。

2.污染事件发生，选择设置实验场景、设置天气背景参数、设置污染事件发生位置、发生时间、泄漏或爆炸点源高、泄漏释放强度。

3.探测方式设计，根据污染事件的属性，选择适合的大气垂直观测设备开展实验。

4.数据分析及预测预警，利用获得的垂直污染物和气象资料，分析稳定度级别、地面最大浓度处扩散参数、地面最大浓度及离源距离，并制定预警决策结论。比较五种典型污染物烟云扩散过程的差异特征。

5.实验报告提交，在完成整个实验的预习及学习后，学生开始实验。学生将自主选择相关测试仪器及布置位置、加载天气条件，控制整个实验过程。通过系统设定的流程进行天气条件、观测仪器搭载、数据资料计算分析比较、预测预警决策制定、典型烟云扩散规律比较的实验模块。学生在做实验的过程中，系统进行记录考核，实验结束时，即可得获得客观操作分数，实验报告提交后，经学生互评，教师点评后，可获得主观评价分数。

实验步骤：

知识预习（0.3学时）：

教师提前布置预习任务，以预习考核方式引导学生主动预习。仿真平台24小时向学生开放，在规定的学期内，学生可进入仿真平台，点击“开始实验”即可进行实验。学生可进入“实验方法介绍”模块了解试验目的、内容，实验对象设计原则等；通过“实验原理”熟悉实验场景、实验设备、实验算法等；在“实验习题”中，理解方案设计方法、测试仪器原理、实施注意事项，并尝试完成习题考核测试。

污染事件发生及探测方式设计（0.5学时）

基于翻转课堂的引导式、开放式教学，教师在课堂上针对关键知识点进行提问、讨论和讲解。学生在完成预习后，可在教师的引导下进行核心知识点的学习，一步一步规范操作演练，以学生自主学习为主，遇到问题时可求助于系统、同学及老师。

数据分析及预测预警：（1学时）

学生学习仿真实验,开展数据计算分析, 确定稳定度级别、地面最大浓度处扩散参数、地面最大浓度及离源距离，并制定预警决策结论。

实验报告提交：（0.2学时）

学生总结典型烟云扩散规律特点和差异，撰写实验报告。系统根据操作客观评分和教师主管评价，确定学生最终成绩。学生课后可通过网络进入虚拟仿真平台，进行课后复习。师生可利用网页平台的“互动留言”板块进行实时答疑。