增加气象模式接口的中尺度大气光化学污染模拟预测算法制造技术

本发明专利技术公开了一种增加气象模式接口的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ArakawaA格点，并将MM5、WRF的垂直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，从而通过气象模式的预报场诊断获得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。本发明专利技术成功的将CALGRID模式与MM5、WRF、TAPM的输出气象场相连接。

【技术实现步骤摘要】
增加气象模式接口的中尺度大气光化学污染模拟预测算法
本专利技术属于大气环境污染物检测
，尤其涉及中尺度大气光化学污染的改进型预测模型。
技术介绍
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。专利技术内容针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种增加气象模式接口的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，本专利技术采用了以下技术方案：一种增加气象模式接口的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，通过算子分列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9)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2a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。如图2b所示，垂直网格的划分有三种方案：方案(1)第一层的高度固定为20m；混合层以下的其它层的高度固定，为Z1；混合层以上的层也有固定高度(Z2)。给定模式顶高度ZTOP，混合层以下的层数NZL，总的层数NZ，就可以得到Z1和Z2：当混合层高度不同时，Z1和Z2的值也会有所不同，即Z1和Z2有时空变化。方案(2)第一层的高度固定为20m；其它层的高度根据下式计算：r＝ln[1+(e-1)s]ρ＝r[(1+p1+p2)/(1+p1r+p2r2)]P1、P2是模式内部计算的经验参数，确保第一层的高度为20m，第NZL层的高度为Zi。可见每层的高度也随时空变化。方案(3)模式默认的垂直网格系统。每一层的高度由使用者自己定义，不随时间变化，第一层的高度固定为20m(为了有一层的数据在近地层)。)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；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。(所述输送扩散数据包括逐时PM10、SO42-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－本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增加气象模式接口的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、地面面源和高架排放源的影响，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)，

【技术特征摘要】
1.一种增加气象模式接口的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、地面面源和高架排放源的影响，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，通过算子分列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；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所述增加气象模式接口的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计算水平风速u、v、温度t和垂直风速w变量在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所述增加气象模式接口的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所述增加气象模式接口的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，可以通过以下四种...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢旻，王体健，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32