CN110020448A - 边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，在CALGIRD化学模式的基础上增加了气象模式接口模块，将MM5、WRF水平Arakawa B和C格点气象数据插值到CALGRID的Arakawa A格点，并将对应垂直σ地形跟随坐标系统的气象数据插值到CALGRID的Z地形跟随坐标系统，根据气象模式输出的下垫面类型从外部资料集中获取下垫面的特征参数，并通过改进算法优化获得CALGRID模式所需的边界层气象参数，如PGT稳定度分类、摩擦速度、对流速率尺度、莫宁－奥布霍夫长度等。本发明成功的将CALGRID模式与MM5、WRF、TAPM的输出气象场相连接。
Description
技术领域
本发明属于大气环境污染物检测技术领域，尤其涉及中尺度大气光化学污染 的改进型预测模型。
背景技术
空气质量模式，是在对污染物排入大气环境后传输、扩散、转化和清除等一 系列物理和化学过程的认识基础上，利用气象、环境、物理、化学等学科的研究 方法和计算机技术，实现模拟和预报不同空间尺度上空气污染物浓度分布状况及 变化趋势的方法，在空气质量预报、大气污染控制、环境规划与管理、城市建设 及公共卫生等方面均有重要的实际应用价值，具有广阔的发展前景。
目前欧拉型的中尺度大气光化学模式，例如ARB的CALGRID模式具有较 好的稳定性，针对二次污染源如臭氧的模拟具有较好效果，主要适用于晴空条件 下的光化学反应的模拟，包含了大气输送与扩散、气相化学反应、人为排放的点 面线源、干沉降等过程。但原有的的CALGRID模式还是存在一定的局限性，包 括仅建立与CALMET和MM5气象模式的连接，在实际应用方面受到一定的限 制，造成CALGRID模式与其他气象模式为离线连接，需要先运行其他气象模式 并将模拟的气象场输出存储，在通过存储的气象场驱动化学模式模拟污染物浓 度。因此需要运行MM5模式，将MM5的结果作为CALMET模式的初始推测 场，进而分析并能参数化处理斜坡流、地形动力作用、地形阻断作用以及水面和 陆面边界层的微气象等，将运行结果作为CALGRID模式的初始参数。因此元模 式系统结构，相当于要运行两个气象模式，并且CALMET模式本身的一些参数， 如地形、植被、站点、探空等资料，比较难获取，因此原CALGRID模式步骤复 杂，且适用面有限。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种边界层气象参数改进型中尺度 大气光化学污染模拟预测算法。本方法简化步骤的同时使得模式可利用更多的气 象模式输出结果，目前改进的CALGRID模式可以成功与MM5、WRF、TAPM 的输出气象场相连接
为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：一种边界层气象参数改 进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，包括以下步骤：
步骤1：采用CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉 降、底面积高架排放源的影响，并对化学物种原始浓度中物理量的平均量分解为 脉动量，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，
式中，C是化学物种平均浓度，V是三维风矢量的平均量，K是湍流扩散系 数，E是污染源排放，是由于沉降引起的物种浓度变化，PCHEM是化学产 生率，LCHEM是化学损失率；式(1)中二阶湍流扩散项通过湍流扩散 系数K理论闭合转化得到；式(1)中右侧多项式依次分别为平流项、垂直扩散 项、源项、沉降项、化学变化项；
步骤2：由于平流项、垂直扩散项、源项、沉降项、化学变化项各过程的特 征时间不一致，通过算子分裂时间积分对各过程进行积分，
Cn+1＝AxAyAzAcAzAyAxCn (2)
式中，Ax、Ay是水平输送扩散算子；Az是垂直输送扩散、物质输入和物理 损耗算子，Ac是化学反应算子；
步骤3：将气象模式MM5或气象模式WRF的水平差分跳点网格ArakawaB 和C格点气象数据插值到式(1)中CALGRID化学模式的水平差分非跳点网格 ArakawaA的格点上；(Arakawa等将普遍使用的差分网格进行分类，根据变量 分布方案的不同将差分网格划分为五种基本水平差分格式，ArakawaA为非跳点 网格，即各变量都是分布在同一网格点上；ArakawaB-E为跳点网格，即各变量 不是分布在同一网格点上。ArakawaA、B和C网格上的具体变量分布见图)
步骤4：将气象模式MM5或气象模式WRF的垂直σ地形跟随坐标系统的气象数据插值到式 (1)中CALGRID化学模式的高度Z坐标系统；(气象模式MM5或WRF垂直网格结构可任意分层， 采用σ坐标系。垂直σ坐标完全从参考大气压来定义：σ＝(p0-pt)/(ps-pt)，其中ps、pt分别 为独立于时间的参考态模式表面和模式顶的气压。如图所示，σ＝1的模式层即与地表平行的最低 层，变量在垂直方向也是交替分布的，即“垂直速度”放在整σ层，其它变量放在半σ层上，这 些变量表示了该层的平均。CALGRID化学模式垂直方向采用高度Z地形修正坐标，气象场的u、v、 t在每层中心点上，w是在层面上。
步骤5：通过气象模式MM5或WRF输出下垫面类型(下垫面是大气与其 下界的固态地面或液态水面的分界面，是大气的主要热源和水汽源，也是低层大 气运动的边界面。因此下垫面的性质对大气物理状态与化学组成的影响很大。下 垫面也可以说是地球表面的特征，如海陆分布、地形起伏和地表粗糙度、植被、 土壤湿度、雪被面积等，它对气候的影响十分显著。一般气象模式中应用的下垫 面类型是按美国地理调查(USGS)24种分类或中等分辨率成像分光计(MODIS) 20种分类)，并从外部资料集中获取下垫面的包括地表粗糙度和叶面积指数LAI 的特征参数，所述外部资料集包括：地表粗糙度、NASA/GSFC空间分辨率为1° 的LAI资料；
步骤6：通过气象模式MM5或WRF的预报场，诊断获得式(1)中CALGRID 化学模式所需的边界层气象参数，所述边界层气象参数包括：PGT稳定度分类、 摩擦速度u*、对流速率尺度w*、莫宁－奥布霍夫长度L；其中，所述摩擦速度 u*、对流速率尺度w*、莫宁－奥布霍夫长度L通过以下改进型公式计算：
上式中，u、v是气象模式输出的水平风速，ZH2为模式第一层的高度，Z0是 粗糙度，FF是气象模式输出地转偏向力，T1是模式第一层的温度，TS是地表 温度；
步骤7：输入步骤6得到的边界层气象参数，通过改进后CALGRID化学模式 (1)计算并输出污染物的输送扩散数据。
其中，所述输送扩散数据包括逐时PM10、SO4 2-气溶胶、NO3 -气溶胶、NH4 +气溶胶、OC、EC、O3、NO、NO2和SO2污染物浓度数据。逐时氨气干沉降量、 硫酸盐干沉降量、硝酸盐干沉降量、铵盐干沉降量、二氧化氮干沉降量、硝酸干 沉降量、二氧化硫干沉降量。逐时氨气湿沉降量、硫酸盐湿沉降量、硝酸盐湿沉 降量、铵盐湿沉降量、二氧化氮湿沉降量、硝酸湿沉降量、二氧化硫湿沉降量。
进一步的，步骤4中，对于水平风速u、v和温度t的插值通过以下方法求 取：
首先，根据σ值(σ＝(p0-pt)/(ps-pt))，以及模式地面气压(ps)、模 式顶气压(pt)计算变量(水平风速u、v、温度t和垂直风速w)在σ坐标系 中所处的等压面；
然后，利用压高公式计算等压面对应的高度；
最后，利用线性插值，得到CALGRID坐标系统各个层次对应的数值。
进一步的，步骤6中，首先通过通过气象模式MM5或WRF的预报场，得 到风速、温度、气压、湿度和降水量参数值，进而获得PGT稳定度分类、摩擦 速度u*、对流速率尺度w*、莫宁－奥布霍夫长度L。其中，PGT稳定度分类标 准可以根据Irwin(1979)提出的方法计算：式中Z0为地表粗糙度，L 为莫宁－奥布霍夫长度，a和b为经验参数。
进一步的，步骤1中公式(1)的平流项采用高阶chapeau函数数值处理方案， 并结合非线性局地滤波(有效保证了物质守恒并防止出现负浓度和低数值的扩 散)，具体计算方法如下：
假设Kxx＝Kyy＝Kh，可以通过以下三种方法确定水平扩散系数Kh；
方法1，在边界层以内，扩散参数由P-G-T稳定度分类法决定；在边界层以 上，扩散参数取为定值，由使用者赋给；
方法2，在方法1的基础上进行风速修正；
方法3，采用简化的Smagorinsky公式求取：
Kh＝α0|D|Δt (3)
式中，α0＝0.28；Δt是时步；|D|是度变形张量，u和v分别为水平风速； 它考虑了水平风场的形变和切变；
方法4，综合方法2和3的结果。
进一步的，步骤1中的CALGRID化学模式(1)的垂直扩散项中，地形修正 坐标下的垂直速度W被用做计算层面上的垂直平流通量，对于垂直扩散系数Kz， 通过以下计算方案求解：
(1)对于L<0的对流边界层情形：
(2)对于L>0的稳定边界层情形：
上式中，z是层面高度；zi是混合层高度；L是莫宁－奥布霍夫长度z/zi是尺度高度；zi/L是稳定度参数；u*0是地面摩擦速 度；u*为局地摩擦速度；w*是对流速率尺度Λ为局地莫宁－奥布霍 夫长度 为局地显热通量，wθ0为地面显热铜梁，κ为卡帕 常数，取值为0.4，g为重力参数，T为温度，和为与稳定度相关的函数，对L<0情 形，φ(z/L)＝0.74(1-9z/L)-1/2；对L>0情形，φ(z/L)＝0.74+4.7z/L。
进一步的，步骤1中CALGRID化学模式(1)的源项面源、周期变化的固定 点源、无周期变化的固定点源和流动点源；人为源以面源或固定点源形式输入， 自然源以面源输入。
进一步的，所述CALGRID化学模式对面源的处理分为两步，先默认面源排放 进入到100m，然后利用分布函数将浓度按比例分配到100m以下的CALGRID 的垂直分层上。(上述排放能到达高度、分布函数的形式均可由用户定义。)
进一步的，所述CALGRID化学模式针对点源排放的垂直分布，由点源的高度、 烟流抬升的高度、烟流在各个模式的垂直分层的比例决定组成。
进一步的，烟流抬升的高度Δh通过Briggs公式法计算，对于中性和不稳定 层结时，
Δh＝min(Δh1,Δh2) (5)
Xf＝3.5X*
式中，Δh1是中性条件下的烟流抬升高度，其中u为点源高度层的风速；F 是浮力通量，R0和w0分别为出口半径和出口速度的初始值；Ts为烟气温度；T为 大气温度，Xf是烟流终极抬升距原点的距离；s为稳定度参数；
考虑对流边界层上的逆温层对烟羽的影响，利用Briggs提出部分穿透方 程，可计算得到Δh2：
式中，zb为点源高hs到混合层顶的距离zi；β′为夹卷参数，取值为041314； s为稳定度参数；u为流速，当hs＞zi时，取值1m/s。
zb＝zi-hs为点源高(hs)到混合层顶(zi)的距离；β′是夹卷参数， 为041314；S＝(g/Ta)(dθ/dz)稳定度参数(dθ/dz为逆温层位温直减率)；当 hs>zi时，u取1m/s。
进一步的，针对稳定层结，烟流抬升的高度Δh通过下式计算：
式中，F是浮力通量，u为点源高度层的风速，s为稳定度参数。
进一步的，针对沉降项，对于气体干沉降，沉降速度Vd通过以下公式计算：
Vd＝(ra+rd+rc)-1
式中，ra、rd、rc分别表示湍流层、粘附层和植被层的阻抗；
对于固体颗粒物的干沉降，沉降速度Vd通过以下公式计算：
Vd＝(ra+rd+ra·rd·vg)-1+vg
式中，ra和rd分别表示湍流层和粘附层的阻抗，vg是重力沉降速度。
附图说明
图1为本发明所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测 算法的空气质量模式系统的流程框架图；
图2为本发明实施例1中水平风场影响下的近地面O3日均浓度热力分布图；
图3为本发明实施例1中WRF模拟的香港垂直风场逐时变化图(等值线和 填色均为垂直风速)；
图4为本发明实施例1中广东省近地面主要污染物日均浓度分布图(μg·m-3)；
图5为本发明气象模式MM5的水平差分跳点网格ArakawaB和C格点气象 数据插值在CALGRID模式中的ArakawaA的格点的示意图；
图2～5中，流线为WRF模拟的风场；背景填色和色标对应CALGRID模拟 的O3浓度，单位μg·m-3；
图6为本发明所述MM5或WRF的垂直σ地形跟随坐标系统；
图7为本发明所述CALGRID的高度Z坐标系统。
具体实施方式
下面结合附图并以具体实施例，进一步阐明本发明。应理解这些实施例仅用 于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人 员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
实施例1：如图1～4所示，利用本发明系统对我国华南地区空气质量有重 要影响的高压系统和台风系统控制下的污染作为典型个例开展研究。表2给出了 WRF以及CALGRID进行模拟时的一些参数设置。
表2研究个例说明以及模式的参数设置
(一)个例一：2000年3月28～31日，高压系统控制下的光化学污染
2000年3月28～31日发生在香港地区的这次光化学污染过程是很典型的局 地光化学和区域输送的复合污染，前后持续时间三天，影响香港全境。根据同步 大气环境监测资料和气象资料进行的浓度逐时变化分析、浓度日变化分析、气象 条件分析、局地光化学机制分析和输送机制分析显示：(1)在这次光化学污染 过程中香港受高压系统所控制，空气以下沉气流为主，天空少云，高温低湿，日 照时间长，太阳辐射较为强烈；香港局地人为污染物排放量较高；而香港复杂的 地形和城市布局使得城区大气扩散能力偏弱。上述这些条件非常有利于局地光化 学污染的形成；(2)由于位于高压系统的前缘，香港地区在28日和29日盛行 西北风，这为污染物的远距离输送创造了条件，上游珠江三角洲地区污染物的输 送有可能使得香港地区的RSP、SO2、CO、O3的浓度较高；而30～31日，当风 向是从海上吹向陆地时，香港地区的污染物浓度明显减小。可见，区域输送作用 在这次过程中也不容忽视。
WRF模式系统很好地模拟了2000年3月28～31日高压系统对香港地区流场的影响：(1)从 WRF模拟的水平风场可以看到，3月28日受我国华南的高压中心的影响，香港为西北气流控制； 29日高压系统移至东南沿海一带，此时香港处于高压系统的边缘，受北偏东风影响。30日开始高 压系统出海，香港处于高压的底部，盛行风向为偏东风；31日系统进一步东移，此时影响香港的 气流为东南风；(2)从垂直风场的逐时变化也可以看到，27～29日香港地区低层有较强的下沉气 流，明显受到了高压系统的影响；而30～31日高压系统东移出海，低层垂直气流主要是上升的。
Claims (11)
1.一种边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，包括以下步骤：
步骤1：采用CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、底面积高架排放源的影响，并对化学物种原始浓度中物理量的平均量分解为脉动量，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，
式中，C是化学物种平均浓度，V是三维风矢量的平均量，K是湍流扩散系数，E是污染源排放，是由于沉降引起的物种浓度变化，PCHEM是化学产生率，LCHEM是化学损失率；式(1)中二阶湍流扩散项▽·(K▽C)通过湍流扩散系数K理论闭合转化得到；式(1)中右侧多项式依次分别为平流项、垂直扩散项、源项、沉降项、化学变化项；
步骤2：由于平流项、垂直扩散项、源项、沉降项、化学变化项各过程的特征时间不一致，通过算子分裂时间积分对各过程进行积分，
Cn+1＝AxAyAzAcAzAyAxCn (2)
式中，Ax、Ay是水平输送扩散算子；Az是垂直输送扩散、物质输入和物理损耗算子，Ac是化学反应算子；
步骤3：将气象模式MM5或气象模式WRF的水平差分跳点网格ArakawaB和C格点气象数据插值到式(1)中CALGRID化学模式的水平差分非跳点网格ArakawaA的格点上；
步骤4：将气象模式MM5或气象模式WRF的垂直σ地形跟随坐标系统的气象数据插值到式(1)中CALGRID化学模式的高度Z坐标系统；
步骤5：通过气象模式MM5或WRF输出下垫面类型，并从外部资料集中获取下垫面的包括地表粗糙度和叶面积指数LAI的特征参数，所述外部资料集包括：地表粗糙度、NASA/GSFC空间分辨率为1°的LAI资料；
步骤6：通过气象模式MM5或WRF的预报场，诊断获得式(1)中CALGRID化学模式所需的边界层气象参数，所述边界层气象参数包括：PGT稳定度分类、摩擦速度u*、对流速率尺度w*、莫宁－奥布霍夫长度L；其中，所述摩擦速度u*、对流速率尺度w*、莫宁－奥布霍夫长度L通过以下改进型公式计算：
上式中，u、v是气象模式输出的水平风速，ZH2为模式第一层的高度，Z0是粗糙度，FF是气象模式输出地转偏向力，T1是模式第一层的温度，TS是地表温度；
步骤7：输入步骤6得到的边界层气象参数，通过改进后CALGRID化学模式(1)计算并输出污染物的输送扩散数据。
2.根据权利要求1所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：步骤4中，对于水平风速u、v和温度t的插值通过以下方法求取：
首先，根据σ值(σ＝(p0-pt)/(ps-pt))，以及模式地面气压(ps)、模式顶气压(pt)计算变量(水平风速u、v、温度t和垂直风速w)在σ坐标系中所处的等压面；
然后，利用压高公式计算等压面对应的高度；
最后，利用线性插值，得到CALGRID坐标系统各个层次对应的数值。
3.根据权利要求1所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：步骤6中，首先通过通过气象模式MM5或WRF的预报场，得到风速、温度、气压、湿度和降水量参数值，进而获得PGT稳定度分类、摩擦速度u*、对流速率尺度w*、莫宁－奥布霍夫长度L。
4.根据权利要求1所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：步骤1中公式(1)的平流项采用高阶chapeau函数数值处理方案，并结合非线性局地滤波(有效保证了物质守恒并防止出现负浓度和低数值的扩散)，具体计算方法如下：
假设Kxx＝Kyy＝Kh，可以通过以下三种方法确定水平扩散系数Kh；
方法1，在边界层以内，扩散参数由P-G-T稳定度分类法决定；在边界层以上，扩散参数取为定值，由使用者赋给；
方法2，在方法1的基础上进行风速修正；
方法3，采用简化的Smagorinsky公式求取：
Kh＝α0|D|Δt (3)
式中，α0＝0.28；Δt是时步；|D|是度变形张量，u和v分别为水平风速；它考虑了水平风场的形变和切变；
方法4，综合方法2和3的结果。
5.根据权利要求1所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：步骤1中的CALGRID化学模式(1)的垂直扩散项中，地形修正坐标下的垂直速度W被用做计算层面上的垂直平流通量，对于垂直扩散系数Kz，通过以下计算方案求解：
(1)对于L<0的对流边界层情形：
(2)对于L>0的稳定边界层情形：
上式中，z是层面高度；zi是混合层高度；L是莫宁－奥布霍夫长度z/zi是尺度高度；zi/L是稳定度参数；u*0是地面摩擦速度；u*为局地摩擦速度；w*是对流速率尺度Λ为局地莫宁－奥布霍夫长度 为局地显热通量，wθ0为地面显热铜梁，κ为卡帕常数，取值为0.4，g为重力参数，T为温度，和为与稳定度相关的函数。
6.根据权利要求1所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：步骤1中CALGRID化学模式(1)的源项面源、周期变化的固定点源、无周期变化的固定点源和流动点源；人为源以面源或固定点源形式输入，自然源以面源输入。
7.根据权利要求6所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：
所述CALGRID化学模式对面源的处理分为两步，先默认面源排放进入到100m，然后利用分布函数将浓度按比例分配到100m以下的CALGRID的垂直分层上。
8.根据权利要求6所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：
所述CALGRID化学模式针对点源排放的垂直分布，由点源的高度、烟流抬升的高度、烟流在各个模式的垂直分层的比例决定组成。
9.根据权利要求8所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：烟流抬升的高度Δh通过Briggs公式法计算，对于中性和不稳定层结时，
Δh＝min(Δh1,Δh2) (5)
Xf＝3.5X*
式中，Δh1是中性条件下的烟流抬升高度，其中u为点源高度层的风速；F是浮力通量，R0和w0分别为出口半径和出口速度的初始值；Ts为烟气温度；T为大气温度，Xf是烟流终极抬升距原点的距离；s为稳定度参数；
考虑对流边界层上的逆温层对烟羽的影响，利用Briggs提出部分穿透方程，可计算得到Δh2：
式中，zb为点源高hs到混合层顶的距离zi；β′为夹卷参数，取值为041314；s为稳定度参数；u为流速，当hs＞zi时，取值1m/s。
zb＝zi-hs为点源高(hs)到混合层顶(zi)的距离；β′是夹卷参数，为041314；S＝(g/Ta)(dθ/dz)稳定度参数(dθ/dz为逆温层位温直减率)；当hs>zi时，u取1m/s。
10.根据权利要求8所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：针对稳定层结，烟流抬升的高度Δh通过下式计算：
式中，F是浮力通量，u为点源高度层的风速，s为稳定度参数。
11.根据权利要求1所述边界层气象参数改进型中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其特征在于：针对沉降项，对于气体干沉降，沉降速度Vd通过以下公式计算：
Vd＝(ra+rd+rc)-1
式中，ra、rd、rc分别表示湍流层、粘附层和植被层的阻抗；
对于固体颗粒物的干沉降，沉降速度Vd通过以下公式计算：
Vd＝(ra+rd+ra·rd·vg)-1+vg
式中，ra和rd分别表示湍流层和粘附层的阻抗，vg是重力沉降速度。
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