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模式介绍

近年来,随着城市化和工业化进程的加快,我国城市地区空气污染严重,灰霾天气频发,为了实现对空气质量和灰霾天气的预报和预警,南京大学大气科学学院大气环境研究中心WRF-CHEMWRF-CMAQRegAEMS为基础,加以必要的改进和完善,构建城市/区域灰霾天气和空气质量预报系统,这里就模式系统和预报方法进行简要介绍。

1. 预报思路

预报思路可由图1加以说明。即把整个积分时段分成两部分,从前一天08时开始到次日00时为预积分时段,而从次日00时开始之后的72小时为今明后三天的正式预报时间。这样经过预积分时段的充分调整,保证模式在正式积分时段有良好表现。

1 72小时预报示意

2. 区域设置

在模式的网格设置上,水平方向设定四层嵌套网格,如图2水平网格距分别为81KM,27KM,9KM,3KM;在垂直方向上分为24层,模式顶为100hpa

2 嵌套网格示意图

3.预报产品

    预报产品包括SO2,NO2,PM10浓度,空气质量指数AQICOO3,PM2.5浓度,能见度,相对湿度,灰霾等级HL的空间分布,城市关心点位48小时预报结果的时间变化。图1.7给出了南京市各参数的预报结果。


 PM10SO2NO2O3COPM2.5RHVIS的空间分布

 PM10SO2NO2O3CO,PM2.5RHVIS48小时预报结果

4. WRF/Chem模式

WRF-CHEM模式(Grell, et al., 2005)是由美国NOAA 预报系统实验室(FSL)开发的,气象模式(WRF)和化学模式(CHEM)在线完全耦合的新一代的区域空气质量模式。图5给出了WRF-CHEM的流程框架图。

WRF-CHEM包含了一种全新的大气化学模式理念。就是基于一种气象过程和化学过程同时发生相互耦合的全新的大气化学模式理念而设计的,也就是它的气象模式和化学模式完全耦合,同时运行,它的化学和气象过程使用相同的水平和垂直坐标系,相同的物理参数化方案,不存在时间上的插值,并且能够考虑化学对气象过程的反馈作用气象因子变化能及时的影响化学过程,化学过程也能立刻对气象过程进行反馈1.2给出了WRF/Chem模式中化学过程对气象过程反馈的机制。有别于这之前的大气化学模式,如SAQM模式、CALGRID模式、MODEL3/CAMQ模式等,它们的气象过程和化学过程是分开的,一般先运行中尺度气象模式,得到一定时间间隔的气象场,然后提供给化学模式使用。这样分开处理以后,存在一些问题:首先,由于通常气象模式和化学模式使用的坐标系不同,利用这样的气象场驱动化学过程就需要时间和空间上的插值;其次,它丢失了一些小于气象模式输出间隔的气象过程,如一次短时间的降水等,而这些过程对化学过程来说可能是很重要的;再次,气象模式和化学模式使用的物理参数化方案可能是不一样的;最后,它不能考虑化学过程对气象过程的反馈作用。事实上,在实际大气中化学和气象过程是同时发生的,并且能够互相影响,如气溶胶能影响地气系统辐射平衡,气溶胶作为云凝结核,能影响降水,而气温、云和降水对化学过程也有非常强烈的影响。因此,WRF-CHEM能够模拟再现一种更加真实的大气环境。

5 WRF-CHEM流程图

WRF ( Weather Research Forecast , Skamarock et al., 2008) 模式系统是美国国家大气研究中心(NCAR)、美国国家大气海洋总署-预报系统实验室、国家环境预报中心(FSLNCEP/NOAA)等联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统。WRF模式是一个可用来进行110公里内高分辨率模拟的数值模式,同时,也是一个可以做各种不同广泛应用的数值模式,例如:业务单位正规预报、区域气候模拟、空气质量模拟,理想个例模拟实验等。故此模式发展的主要目的是改进现有的中尺度数值模式,例如:MM5(NCAR)ETA(NCEP/NOAA)RUC(FSL/NOAA)等,希望可以将学术研究以及业务单位所使用的数值模式整合成单一系统。这个模式采用高度模块化、并行化和分层设计技术,集成了迄今为止在中尺度方面的研究成果。模拟和实时预报试验表明,WRF模式系统在预报各种天气中都具有较好的性能,具有广阔的应用前景。

WRF模式采用高度模块化和分层设计,分为驱动层、中间层和模式层,用户只需与模式层打交道;在模式层中,动力框架和物理过程都是可插拔,为用户采用各种不同的选择、比较模式性能和进行集合预报提供了极大的便利。它的软件设计和开发充分考虑适应可见的并行平台在大规模并行计算环境中的有效性,可在分布式内存和共享内存两种计算机上实现加工的并行运算,模式的耦合架构容易整合进入新地球系统模式框架中。WRF 模式重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报,水平分辨率重点考虑110km。因此,模式包含高分辨率非静力应用的优先级设计、大量的物理选择、与模式本身相协调的先进的资料同化系统。

5. WRF/CMAQ模式

WRF/CMAQ模式包括WRFCMAQ两个部分CMAQCommunity Multiscale Air Quality Model是美国环保署(USEPA)开发的第三代区域 空气质量模式。CMAQ模式秉承一个大气(One Atmosphere的理念,将对流层大气作 为一个整体,使用一套各个模块相容的大气控制方程,对环境大气中的物理、化学过程以 及不同物种的相关作用过程进行周密的考虑,适用于光化学烟雾、区域酸沉降、大气颗粒 物污染等多尺度多物种的复杂大气环境的模拟,为空气质量预报、区域环境规划以调控提 供支持。

6  WRF/CMAQ流程图

6 .RegAEMS模式

RegAEMS包括中尺度气象模式(WRF/MM5/TAPM)和区域大气环境模式(RAEM)两个部分。气象模式输出的气象要素场提供给大气环境模式,大气环境模式则考虑了影响大气污染物分布的排放、输送、沉降、转化等复杂的大气物理和化学过程。

区域大气环境模式(RAEM)是一个三维时变的欧拉型模式,它考虑了影响大气污染物分布和酸雨形成的排放、输送、沉降、转化等复杂的物理和化学过程。该模式可以输出二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOX)、臭氧(O3)、硫酸盐(SO42-)、硝酸盐(NO3-)、铵盐(NH4+)、黑碳(BC)、有机碳(OC)、沙尘、海盐等大气污染物浓度和沉降量。

在模式中污染源考虑了全国主要城市面源和电厂高架源的SO2NOX排放、自然源NOXVOCCH4排放、沙尘与海盐排放,平流项采用Smolarkiewicz的有限正定上游差分方法(Smolarkiewicz, 1983),铅直扩散项采用Crank-Nikson方案,水平扩散项采用中心差方案,采用三层阻力模型计算SO2等物质的干沉降速度。气相化学考虑了60个反应和30个物种,并耦合ISORROPIA热力学平衡模式(Nenes et al., 1998)描述二次无机盐的形成过程。

 

 

7 区域霾天气和空气质量预报系统框架图

 

 
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