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CALPUFF 空气质量模型 技术导则 Version 5 中国环境科学研究院 I 目 录 1 简简 介介 3 1 1 CALPIUFF 模型概述 3 1 2 CALPUFF 模型系统 CALPUFF MODELING SYSTEM 5 2 CALMET 气象模型气象模型 6 2 1 CALMET 气象场原理 6 2 2 技术研究 6 2 3 微气象模块 MICROMETEOROLOGICAL MODEL 11 2 4 CALMET 模块所需输入的数据及计算机格式要求 SUMMARY OF DATA AND COMPUTER REQUIREMENTS 15 3 CALMET 模块使用说明模块使用说明 16 3 1 控制文件 CALMET INP 的建立 16 3 2 CALMET 外部输入文件 18 3 3 CALMET 的输出文件 CALMET DAT 25 4CALPUFF 烟团扩散模块烟团扩散模块 28 4 1 CALPUUFF 烟团扩散模型简介 28 4 2 CALPUFF 模块特征及其中的选项 28 4 3 技术研究 30 4 4 CALPUFF 烟团扩散模型 45 4 5 CALPUFF 模块使用说明 46 5 CALPOST 后处理模块后处理模块 62 5 1 CALPOST 模块的介绍及选项 62 5 2 CALPOST 模块的输入文件及输出文件 62 1 1 简 介 1 1 CALPIUFF 模型概述 空气质量扩散模式研究方法基本上是在把握城市下垫面特征和气象场特征 的基础上 掌握各种类型的污染物排放源资料 进而运用边界层湍流扩散理论 及大气化学理论确立污染物迁移 扩散和转化的规律 目前空气质量扩散模式 的种类繁多 应用时首先通过对关心的污染源和污染物 模拟的时空范围及分 辨率 模拟区域的下垫面特征几个方面选择空气质量扩散模式 如在时空范围 方面 对于小尺度的空气质量模拟 一般只需考虑大气的扩散稀释作用 而对 于中 大尺度的空气污染 则还需考虑污染物的化学转化和干 湿沉积等其它 物理化学过程 CALPUFF 模型是美国 EPA 推荐的由 Sigma Research Corporation 现在是 Earth Tech Inc 的子公司 开发的空气质量扩散模式 它由 CALMET 气象模块 CALPUFF 烟团扩散模块和 CALPOST 后处理模块三部分组成 CALPUFF 是用于非定常 非稳态的气象条件下 模拟污染物扩散 迁移 以及转化的多层 多物种的高斯型烟团扩散模式 它模拟的尺度可以从几十米 到几百公里 在近距离模式可以处理如建筑物下洗 浮力抬升 动力抬升 部 分烟羽穿透和海陆交互影响等过程 在远距离可以处理如干 湿沉降 化学转 化 垂直风修剪和水上输送等污染物清除过程 模式可以处理逐时变化的点源 面源 线源 体源等污染源 可选择模拟小时 天 月以及年等多种平均模拟 时段 模式内部包含了化学转化 干湿沉降等污染物去除过程 充分考虑下垫 面的影响 输出结果主要包括逐时的地面网格和各指定受体点的污染物浓度 应用 CALPUFF 扩散模式对空气质量进行模拟时 主要是通过 CALMET 气象模块通过质量守恒连续方程对风场进行诊断 在输入模 式所需的常规气象观测资料或大型中尺度气象模式输出场后 自动计算并生成 包括逐时的风场 混合层高度 大气稳定度和微气象参数等的三维风场和微气 象场资料 CALPUFF 烟团扩散模块通过对 CALMET 输出的气象场与相关污染源 资料的叠加 在考虑到筑物下洗 干 湿沉降 化学转化 垂直风修剪等污染 物清除过程情况下 模拟污染物的传播及输送 2 通过 CALPOST 后处理模块输出所需结果来完成的 具体路线见图 1 1 其中 CALPUFF 烟团扩散模块是整个 CALPUFF 空气质量扩散模型的核心 部分 CALPUFF INP CALMET INP Predicted Concentration Fields CONC DAT Predicted Dry Flux Fields DFLX DAT Relative Humidity Data for Visibility Calculations VISB DAT Predicted Concentration Fields CONC DAT CALPUFF Output List File CALPUFF LST Gridded Hourly Wind Fields CALMET DAT CALPOST Postprocessor Output List File CALPOST LST 3 1 2 CALPUFF 模型系统 CALPUFF Modeling System 在 CALPUFF 模型中 大部分软件都是根据 CALMET CALPUFF 和 CALPOST 三个模块开发的 为了提高模型的功能性 每个模块都有基于计算 机之上使用的图形界面 CALGUI 用户可以在图形界面上通过输入相应的参 数参量形成一个控制文件 control file 来运行各模型运行 这个控制文件很容 易操作 而且包含了大量的关于模型选项 默认值和变量单位等信息 除了使用 CALMET CALPUFF 和 CALPOST 三个模块 在 CALPUFF 模 型中 还可以利用其它经过预处理程序后很容易使用的模块处理后的结果 如 MM5 MM4 气象模块 PRTMET 后处理模块等 具体可供使用的模型模块见图 1 2 图图 1 1 2 2 CALPUFFCALPUFF 模型中可选择的模块模型中可选择的模块 图图1 1 CALPUFF模型技术流程模型技术流程 4 2 CALMET 气象模型 2 1 CALMET 气象场原理 CALMET 是利用质量守恒连续方程 在三维网格模拟域中描述小时风场 与温度场的气象模块 其核心部分包括诊断风场以及微气象场模式 它通过质 量守恒连续方程对风场进行诊断 在输入模式所需的常规气象观测资料或大型 中尺度气象模式输出场后 CALMET 模式将自动计算并生成包括逐时的风场 混合层高度 大气稳定度和微气象参数等的三维风场和微气象场资料 CALMET 模块在三维风场模拟过程中详细考虑了地形的动力学影响 倾斜气流 和阻塞效应 2 2 技术研究 2 2 1 网格系统 Grid System CALMET 气象模块的网格是一个由 X Y Z 方向构成的三维网格系统 图 2 1 以一层 7 4 网格的例子举例说明了 CALMET 的网格系统的构成 其中 grid point 指的是每一个网格的水平与垂直方向的中心交点 cell face 指两个 相邻网格的边界线 气象网格的位置是由地理坐标 X Y 决定的 5 图 2 1 CALMET 模型中的网格系统 在 CALMET 网格系统中 X 轴和 Y 轴代表的方向分别是东 西向和南 北向 这样的定义使坐标轴与风向的方向相一致 常用的坐标系是 UTM 坐标 系 如果模拟的范围比较大时 需要输入不同的 LLCONF 变量消除兰伯特坐标 系中由于地球本身的曲率造成的影响 CALMET 模型中 Z 轴 随地形变化 坐标的计算公式如下 t hzZ 式中 Z 随地形变化的坐标 the terrain following vertical coordinate z 笛卡儿坐标 the Cartesian vertical coordinate 地形海拔高度 the terrain height t h 在随地形变化的坐标系中 风速的垂直速率的计算公式为 y h v x h uwW tt 式中 w 笛卡儿坐标系垂直方向的风速 u v 水平方向风速 6 2 2 2 诊断风场模块 Wind Field Module CALMET 气象模块主要有诊断风场和海陆边界层之上的微气象模块构成 当模拟较大区域的空气质量时 用户应该选用兰伯特投影坐标系 以便校正由 于地球曲率造成的误差 在 CALMET 模块中 诊断风场模式经过两步模拟 最后形成完整的诊断风场 第一步风场的形成 用诊断模型模拟第一步风场时 需要调整地形 坡风 闭合效应的影响 还需要进行三维散度最小化 动力学地形影响 Kinematic Effects of Terrain CALMET 采用 Liu and Yocke 1980 方法对地形的动力影响进行了参数化 笛卡儿坐标系的风速垂直分量 w 按如式计算 kzhVw t exp N N k 2 1 dz dg N V 区域平均风速 m s ht 地形高度 m k 大气稳定度幂指数 z 垂直坐标 N 地面到用户输入的高度 ZUPT 的 Brunt Vaisala 频数 位温 K g 重力加速度 m s2 V 区域平均风速 坡风 Slope Flows CALMET 使用经验方法考虑了复杂地形的坡风尺度 坡风的方向一般朝水 流方向 把坡风模拟到第一步网格风场后 形成了调整后第一步风场的风矢量 7 s uuu 1 1 s vvv 1 1 u1 v1 考虑坡风前 第一步风场的风速 m s us vs 坡风风速 m s u1 v1 考虑坡风后 第一步风场的风速 m s 闭合效应 Blocking Effect 地形对风场的热动力闭合效应用局地 Froude 数进行了参数化 t hN V Fr ijk ijt zhh max Fr 局地佛罗德数 Froude 数 V 网格点的风速 m s N Brunt Vaisala 频数 ht 障碍物的有效高度 m hmax i j 网格点 i j 的影响半径内的最大地形高度 m z i j k 网格点 i j 的最打高度 m 对每个网格点计算 Froude 数 如果 Fr 小于临界 Froude 数 且网格点的风 有向上的分量 风向被调整为与地形相切 如果 Fr 大于 Froude 数 对风场不 进行调整 第二步风场的形成 诊断模型的第二步风场由如下几部分组成 内插和外推 平滑处理 垂直 风速的 O Brien 调整 散度最小化 内插和外推 一般在所给的气象资料中只有几个地面站观测的风速 因此 如果欲在每 个网格点都要产生风速 必须根据已知的观测资料进行内插和外推 第一步风 场按如下方法进行内插 k k k k kobsobs RR R vu R vu vu 22 22 1 2 11 8 uobs vobs k 地面站 k 的观测风速 m s u v 1 网格点的第一步风速 m s u v 2 网格点第二步风速 m s Rk 观测站 k 到网格点的距离 m R 用户指定的第一步风场的加权参数 风速垂直外推由以下公式求得 P mmz zzuu z 网格中点高度 m zm 地面观测点的观测高度 m uz 在高度 z 处的风速 u 分量 m s um 观测的风速 u 分量 m s P 风速廓线幂指数 平滑处理 为了避免风场的不连续性 第一步风场需经过平滑处理 CALMET 的平滑 处理公式为 1 1 1 1 2 125 0 5 0 jijijijiji uuuuuvu u v 在网格点 i j 经平滑处理后的风速 m s uij 平滑处理前风速 m s 表 2 1不同稳定度条件下风速廓线指数 稳定度级别农村指数城市指数 A0 070 15 B0 070 15 C0 100 20 D0 150 25 E0 350 30 F0 550 30 垂直风速的 O Brien 调整 CALMET 有两种方法计算垂直风速 一种方法是利用平滑处理后的风场 直接从质量守恒方程求得垂直分量 另一种方法是对垂直风速廓线进行调整 使模拟区域顶层的值为零 不可压缩流体的质量守恒方程为 9 0 1 dz dw dy dv dx du w1 地形追踪坐标系下 风速垂直分量 m s u v 平滑处理后的风速 m s O Brien 调整方程为 toptop zzwzzzwzw 112 经调整后 模拟区域顶层的风速垂直分量变成零 但在有些场合 不能进行 O Brien 调整 散度最小化 在 CALMET 三维风场的散度必须小于用户定的最大允许散度 即 dz dw dy dv dx du 点 i j k 的散度 Dijk表示为 y vv x uu zz ww D kjikjikjikji kk kjikji ijk 22 1 1 1 1 2 12 1 2 1 2 1 x y 网格边长 散度最小化过程为 adjkjikjinew uuu 1 1 adjkjikjinew uuu 1 1 adjkjikjinew vvv 1 1 adjkjikjinew vvv 1 1 2 xD u ijk adj 2 yD v ijk adj 这过程一直反复进行到散度小于 10 2 3 微气象模块 Micrometeorological Model 2 3 1 地表热通量和动力通量参数 很多研究表明 在进行空气质量扩散模拟时选择恰当的边界层参数可以优 化模拟的结果 描述边界层时所采用的主要参数是 地表热通量 地表 h Q 动力通量 和边界层高度 h 另外 还有一些其它的参数 如 摩擦 2 u 率 湍流系数 和莫宁 奥不霍夫长度 L 对于模拟烟羽扩散过程 u w 这些参数的选择 Hanna et al 做了很多的研究 有两种方法可以用来计算地表 热通量和动力通量 第一种是采用轮廓线的方法 这种方法要求必须具备近地 层不同高度上的风速 两个不同高度间的温度差 空气温度和近地层的平滑特 征等数据 通常采用 Monin Obukhov 理论解决近地层通量问题 第二种方法 通过能量守恒定律计算计算地表热通量 常采用后一种方法 陆上边界层 Overland Boundary Layer 地表能量平衡的计算公式如下 geHf QQQQQ 式中 净辐射net radiation W m2 Q 人为热通量anthropogenic heat flux W m2 f Q 显热 sensible heat flux W m2 h Q 潜热 latent heat flux W m2 e Q 地热 storage soil heat flux term W m2 g Q 其中 显热和潜热的比例称为 Bowen 比 简称 B 模型中要求输入网格化 的 Bowen 比的值 Bowen 比基于土地利用类型的不同 具有相应的季节默认值 它的重要性在于可以决定湍流强度 degree of convective 反应了显热和潜热通 量的变化情况 从海洋地区过渡到沙漠地区 Bowen 比范围为 0 1 10 e h Q Q B 11 地热 g Q 指的是白天土壤或建筑物吸收的太阳辐射所产生的能量 其计算公式为 g Q QcQ gg 其中 Oke对常数的取值范围做了一定的研究 他认为在郊区或农村 g c 的取值范围为0 05 0 25 城市里的取值范围为0 25 0 30 城市中变量 g c g c 值大的原因是城市中建筑物传热快 热容量大 吸收的能量多 Holtslag和 g c Ulden把草地的定为0 1 g c 人为热通量 f Q 可以反应一个地区的人口密度 是由于人类活动所产生的能量值 f Q 净辐射 Q 指的是地表吸收的辐射能与支出的辐射能的差值 其计算公式为 Q uwdwsw QQAQQ 11 1 其中 吸收的短波辐射 W m2 sw Q 地表反照率A 吸收的大气长波辐射 W m2 dw Q 1 地表放射的长波辐射 W m2 uw Q 1 显热 h Q 其计算公式为 fgh QcQ B B Q 1 1 摩擦率 u LzLzzzkuu mm00 ln 其中 地表粗糙深度 m 0 z 12 a stability correction function m Karman 常数k 垂直高度层的风速 m s u 莫宁 奥不霍夫长度 Monin Obukhov length h p kgQ Tuc L 3 其中 温度 K T 常压条件下空气热量 p c 空气密度 kg m3 重力加速度 m s2 g 稳定条件下边界层的高度 A Venkatram 1980 提供的计算公式为 23 21 uBh B Zilitinkevich 1972 提供的计算公式为 f Lu h 4 0 2 海上边界层 Overwater Boundary Layer 受水表面的空气动力学和热力学特性影响 在计算海上边界层参数时 不 同的海洋环境应采用不同的方法 海上边界层和陆上边界层的最大区别在于其 不存在太阳辐射造成的潜热的影响 在 CALMET 模块中 是根据海面气温的 差异和海上风速形成的轮廓线计算海上边界层参数 海上边界层的动力扩散系数 uN C 在中性的气象条件下 海上边界层的动力扩散系数可以用 10 m 的风 uN C 速表示 计算公式如下 3 10067 0 75 0 uCuN 摩擦率 u 计算公式为 21 uN uCu 莫宁 奥不霍夫长度 Monin Obukhov length 13 vsv unv E uC L 2 223 其中 水 气潜在的温度值 K v vs 10 m风速 m s u 是常数 值为5 096 10 3 2 E 海上混和层的高度 f uc h w water 其中 常数 值大约为0 06 w c 摩擦率 m s u Coroilis参数f 2 3 2 三维温度场 在模拟三维温度场时 所要求的条件如下 具有可利用的探空站观测数 据 具有可利用的时变地表温度数据 把对流层以下的大气看作是绝热 的 通过对探空数据的连续线性插补最终形成三维温度场 2 3 3 降水插补 Precipitation Interpolation CALMET 模型需要把观测站观测到的时变降水数据通过插补的方法网格化 到各网格中 有三种插补方法可供选择 1 d 插补 1 d2 插补和 1 d2指数插补 通常默认的插补方法是 1 d2 插补法 在网格点 i j 处的降水量的表达式为 K n k K n kk ji d dR R 1 其中 观测站观测的时变降水率 mm hr k R 观测站离网格点 i j 的距离 k d 指数n 14 2 4 CALMET 模块所需输入的数据及计算机格式要求 Summary of Data and Computer Requirements CALMET 气象模块数可以输入多种数据 常用的输入数据简要概述如下 地面站气象数据 Surface Meteorological Data CALMET 模块要求输入尽量多的气象地面站的每日逐时观测资料 包括风 速 风向 气温 云底高度 云量 气压和相对湿度 对于所获得的地面站观 测资料 允许温度 云量 气压等数据有缺失时 但应用最近的地面站数据取 代那些无效值 探空气象数据 Upper Air Data CALMET模块要求输入至少1个气象探空站的每日探空资料 包括风速 风 向 气温 气压和抬升高度的垂直廓线 对于所获得的观测资料 如果风速 风向或温度等有缺失时 探空站中通过内插的方法获得数据取代那些无效值 海上观测数据 Overwater Observations 如果所模拟的区域包括水面或受海洋的影响很大时 模型应用软件中还涉及 到了海上气流的传输和扩散 因而 CALMET 边界层模块中还需要观测海面气 流中的一些参数 包括 海气温度差 气温 相对湿度 海上混和层高 风速 风向等 地理数据 Geophysical Data CALMET模型还要求需要输入地理数据 包括网格化了的海拔高度和土地 利用类型数据 有时也需要输入一些其它网格化了的地理参数 比如 地表粗 糙度 反照率 波恩比 土壤热通量常数 人为热通量及植被覆盖率等 在对以上数据进行预处理时 需要变成 National Climatic Data Center s NCDC 的格式输入计算机 或者可以以外部文件的形式输入 3 CALMET 模块使用说明 3 1 控制文件 CALMET INP 的建立 CALMET 模型的选项和控制都由控制文件 CALMET INP 执行 CALMET INP 包含了能详细描述模型运行的所有信息 如 模型运行起始时间 15 水平和垂直网格数 模型选项标记 地理数据 海拔高度 土地利用类型及地 面特征 等 CALMET INP 可以通过传统的编辑方式直接建立 也可以通过在 windows 下运行的 CALMET GUI 输入界面间接的建立 通过对 CALMET GUI 的信息输入 不仅能形成控制文件 而且 CALMET GUI 能使模型运行 也可 优化文件的管理功能 CALMET INP 大体上主要通过以下 10 组信息输入和一个三行的标题完成 若不在 CALMET GUI 界面中而是使用传统方式输入时 组内的变量可以不按 顺序自由输入 但各组应该按顺序输入 每组信息输入完成后应以一个输入 END 表示结束 通常都是在 CALMET GUI 界面中输入信息形成控制文件的 具体输入内容如下 标题 Run Title 概括性的描述了模型的选项 包括网格数 网格间距 采用的风场及所用 地面站 地表站 降水资料等情况 输入文件和输出文件的名称 Input and Output File Names 地理 气象等数据因为数据比较繁多 一般以外部文件的形式输入 形成 GEO DAT UP DAT SURF DAT 和 SEA DAT 等输入文件 另外还应指定输 出文件的路径和名称 如 CALMET DAT 和 CALMET LST 这些文件中包含了 CALMET 气象场的信息 以便在 CALPUFF 模块中使用 运行时一般的控制参数 General Run Control Parameters 模型运行时常规的输入信息 如 起始时间 运行时间 模拟区域所处的 时区及一些其它的运行选项 如 模拟过程中是只计算风场还是风场和气象参 数都需要计算 默认值 0 代表只计算风场 默认值 1 表示风场和气象参数都需 要计算 网格控制参数 Grid Control Parameters 包括网格数 网格间距 垂直层高度取值 坐标系的选取及模拟区域起始 点坐标等 当模拟区域范围比较大时 常采用兰伯特坐标系 输出文件时的选项 Output Options 指的是输出文件时对一些气象变量是否输出的决定 如是否以特定的格式 输出 MET 气象场 采取什么样的格式输出 CALMET DAT 或者 16 PACOUT DAT 输出指定的 U V 风速层 w 风速层 3 D 温度层等 气象数据选择 Meteorological Data Options 包括模拟区域所采用的地面站 探空站 降水站 海洋站的个数 还有一 些关于降水变量的选项 风场选项及参数 Wind Field Options and Parameters 在选择风场时 可以选择客观分析风场 Objective analysis only 或诊 断风 Diagnostic wind module 在 CALMET 中 通常选择诊断风场模块 另外还要考虑是否计算 Froude 数 考虑动力地形学影响 用 O Brien 调 整垂直速率 坡风 外堆或内插探空层等一系列问题 而且还应对影响半径 radius of influence parameters weighting factors barrier data 等作出计算和选 择 混和层高度 温度和降水参数 Mixing Height Temperature and Precipitation Parameters 1 混和层高度经验值 Neutral mechanical equation 为 1 41 湍流系数为 0 15 稳定海拔高度 2400 Overwater mixing ht equation 为 0 16 Coriolis 参数默认值是 1 E 4 2 Spatial averaging of mixing heights 3 其它的混和层高度变量 海陆混和层高度最大指和最小值 气温直减率最小值 常默认为 0 001 Depth of layer above current conv mixing height 气温插补类型 1 R 或 1 R 2 气温插补影响半径 气温插补时站数的最大值 是否进行气温空间平均 降水 插补类型 1 R 1 R 2 或 EXP R 2 降水影响半径 降水概率最小值 地面站参数 Surface Meteorological Station Parameters 站名 Name 编号 ID 坐标 X Y 时区及外部输入文件名 Upper Air Station Parameters 站名 Name 编号 ID 坐标 X Y 时区及外部输入文件名 Precipitation Station Parameters 站名 Name 坐标 X Y 时区及外部输入文件名 17 3 2 CALMET 外部输入文件 地理数据文件 GEO DAT GEO DAT 文件中包含的是 CALMET 模块中所需的地理数据 包括土地利 用类型 海拔高度及一些其它地表参数 如 地表粗糙度 反照率 波恩比 土壤热通量参数等 其中土地利用类型和海拔高度以网格化的形式输入 模型 中提供了与土地利用类型相关的参数默认值 具体 GEO DAT 文件格式见表 2 2 包括文件标题 小于 80 字符 X 轴 网格数目 Y 轴网格数目 水平网格间距 模拟区域起始点坐标 X Y 模拟 区域所处的 UTM 区域 全球共分 60 个区 是否使用缺省土地使用类 0 表示 使用 1 表示不使用 土地利用类型数据库 海拔高度数据库 默认的土地利用类型基于美国的土地利用分类系统 USGS 见表 2 3 在 美国土地利用类型分类系统中 把土地利用类型分为 14 类 即城镇用地 农业 非灌溉用地 农业灌溉用地 牧地 林地 小水体 河口用地 大水体 沼泽 地 覆盖有植被的沼泽地 无植被覆盖的沼泽地 裸露地 冻土和冰原地带 各种土地利用类型都有相应的标号 另外 在这 14 种类型中又有更细的划分 共分为 52 类 比如城镇用的又可分为工业用地 住宅用地 商业用地等 在确 定土地利用类型时 可以通过查询获得 表 2 2 GEO DAT 文件格式 18 19 表2 3 美国土地利用类型分类系统 探空数据文件 UP1 DAT UP2 DAT CALMET 的探空文件是从 UPn DAT 中读取的 建立探空数据文件时 可 以通过 READ56 或者 READ62 预处理程序处理成 NCDC 格式 也可以通过 FORTTRON 语言编制应用程序 输出后使数据格式与指定的格式相符 具体 UPn DAT 文件格式见表 2 4 文件中包含的内容有 开始年 序列天 格林威 治 GMT 时 结束年 序列天 格林威治 GMT 时 TOP 层压强 初始文 件夹格式 TD 6201 格式或 NCDC CD ROM 格式 数据块 压强 海拔高度 温度 风速和风向 表 2 4 UPn DAT 文件格式 20 地面站数据文件 SURF DAT CALMET 中对于 SURF DAT 文件可以通过两种方式建立 一种是通过 SMERGE 气象预处理程序建立 SMERGE 预处理程序可以把时测到的地表气 象数据转化成与 CALMET 模型相适应的 NCDC 格式 这种方法适合于有很多 地面站 数据量很大的情况下使用 第二种方法是根据给定的格式手写入所需 的数据 数据量小的时候可以使用这种方法 表 2 5 是一个关于 SURF DAT 的简单的例子 在 SURF DAT 文件中 包 含有 开始和结束的年 序列天和当地时间 时区 站数和站号及数据快 风速 风 向 云层高度 云量 气温 相对湿度 压强及降水编号 0 表示没有降水 1 18 表示液态降水 45 表示固态降水 数据都是以 FORTRAN 语言格式读取 的 21 表 2 5 SURF DAT 文件格式 海洋数据文件 SEA1 DAT SEA2 DAT 当所模拟的区域内有水域的存在时 CALMET 模型中要考虑水气的传输于 扩散 而且在选择边界层参数时 应该观测水 气温度差异 空气气温 相对 湿度及海上混和层高度 尽管在 CALMET INP file 中气温直减率有默认值 但 是当考虑了水气温差后 必须重新给定气温直减率 在 SEAn DAT 文件中 通 过特殊的方式观测了风速和风向 另外 海洋站观测的数据不能对其进行插补 只能用 SURF DAT 文件代替 SEA DAT 文件 而且 SEA DAT 文件中不能有风速 风 向等数据的缺失 否则会出现错误的结果 表 2 6 为一个简单的 SEA DAT 文件例子 所包含的内容为 站名 ID 号 及数据块 观测点 UTM 坐标 X Y 经度 纬度 开始年 开始序列天 开始时 结束年 结束序列天 结束时 水气温差 气温 湿度 混和层高度 混和层气温下递减率 混和层气温上递减率 风速和风向 22 表 2 6 SEA DAT 文件格式 降水数据文件 PRECIP DAT 当 CALPUFF 模型中考虑湿气消除运算法则 wet removal algorithm 时 CALMET 就必须生成网格化的时变降水率 可以通过 PXTRACT 和 PMERGE 预处理程序重新格式化 NWS 降水数据生成可被 CALMET 模型接受的 TD 3240 格式 具体 PRECIP DAT 文件见表 2 7 文件中包含 开始年 序列天 时 结束年 序列天 时 时区 站数 站 ID 号及数据快 年 序列天和降水量 国内没有PXTRACT 可以处理的降雨量数据 可以写好单站的 TD3240 文件 直接用 PMERGE 得到所需的降雨量文件 PRECIP DAT 单站 TD3240 文件格式 见图 3 5 和表 3 5 23 图 3 5 TD3240 文件格式 24 表 3 5 TD3240 文件格式 序号字段字段宽度Position默认值DELPHI 1Record Type301 03HPD 3s 2站点号801 11 8d 3气象要素412 15HPCP 6s 4单位216 17HI 5年418 212001 2200 4d 6月222 231 12 2d 7日424 271 31 4d 8NUM VALUES328 30001 3d 9小时431 34 01 24 100 4d 10降雨量值635 400 01 英寸 6d 注 蓝色为不定值 黑色为定值 单位换算为 1 英寸 25 4 毫米 表 2 7 PRECIP DAT 文件格式 25 3 3 CALMET 的输出文件 CALMET DAT CALMET DAT 文件包含的是 CALMET 模块生成的气象场数据 也包括一 些 CALMET 模块 CALGRID 和 CALPUFF 模块都所需的地理数据如 海拔高 度 地表粗糙度及土地利用类型等 不同的是 CALGRID 需要输入三维的温度 场和垂直速率而 CALPUFF 模块去不需要 因而需要通过 CALMET 模块生成气 象场时转化那些变量 CALMET DAT 文件由 15 组记录描述和一系列的时变数据组成 15 组记录 性的描述分别代表 模块运行标题 网格系统 垂直高度的确定 地面站坐标 探空站坐标 降水站坐标 地表粗糙度 土地利用类型 海拔高度 叶面积指 数 距离各网格点最近的气象站 所包含的具体变量和数据块描述见表 2 8 表 3 8 CALMET DAT 所含变量及数据块 序 号 变量 序号 变量描述 标 题 记 录 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 TITLE VER LEVEL IBYR IBMO IBDY IBHR IBTZ IRLG IRTYPE NX NY NZ DGRID XORIGR YORIGR IUTMZN IWFCOD NSSTA NUSTA NPSTA NOWSTA NLU IWAT1 IWAT2 CALMET 运行时用户指定的标题 不超过 80 字符 CALMET 模型的版本数 CALMET model level number 开始年 开始月 开始天 开始时 时区 运行时长 运行类型 0 只考虑风场 1 风场和微气象场都考虑 X 方向的网格数 Y 方向的网格数 垂直方向的层数 网格间距 模拟区起始网格点 X 轴坐标 模拟区起始网格点 Y 轴坐标 UTM 区 风场模块的选择 0 客观分析 1 诊断风场 地面气象站的个数 探空气象站的个数 降水气象站的个数 海上气象站的个数 土地利用类型的种类 26 标 题 记 录 2 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 5b 5b 5b 6b 6b 6b 7c 7c 7c 8c 8c 8c 9d 9d 9d 10d 10d 10d 11 11 11 12 12 12 13 13 13 14 14 14 15 15 25 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 LCALGRD XLAT0 XLON0 LLCONF CONEC XLAT1 XLAT2 RLAT0 RLON0 CLAB1 IDUM ZFACEM CLAB2 IDUM XSSTA CLAB3 IDUM YSSTA CLAB4 IDUM XUSTA CLAB5 IDUM YUSTA CLAB6 IDUM XPSTA CLAB7 IDUM YPSTA CLAB8 IDUM Z0 CLAB9 IDUM ILANDU CLAB10 IDUM ELEV CLAB11 IDUM XLAI CLAB12 IDUM 土地利用类型的等级划分 水面变量 IWAT1 或者 IWAT2 是否采用了 CALGRID 所要求的气象数据的标记 中心网格点的纬度 中心网格点的经度 是否使用 LCC 投影坐标 若采用 选择 TRUE LC 常数 Standard parallel 1 for LC map Standard parallel 2 for LC map 在 LC 坐标系中起始网格点的纬度 在 LC 坐标系中起始网格点的经度 ZFACE 变量标记 不使用变量 网格点的高度 XSSTA 变量标记 不使用变量 各地面站 X 轴坐标 YSSTA 变量标记 不使用变量 各地面站 Y 轴坐标 XUSTA 变量标记 不使用变量 各探空站 X 轴坐标 YUSTA 变量标记 不使用变量 各探空站 Y 轴坐标 XPSTA 变量标记 不使用变量 各降水站 X 轴坐标 YPSTA 变量标记 不使用变量 各降水站 Y 轴坐标 Z0 变量标记 不使用变量 网格化到各网格上的地表粗糙度的长度 m ILANDU 变量标记 不使用变量 网格化到各网格上的土地利用类型 ELEV 变量标记 不使用变量 网格化到各网格上的海拔高度 XLAI 变量标记 不使用变量 网格化到各网格上的叶面积指数 27 153NEARS NEARS 变量标记 不使用变量 距离各网格点最近的地面气象站 数 据 块 数 据 块 1 1 1 2 2 2 3b 3b 3b 4b 4b 4b 5 5 5 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 9 9 10 10 10 11 11 11 12 12 12 13 13 13 14 14 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 CLABU NDATHR U CLABV NDATHR V CLABW NDATHR W CLABT NDATHR ZTEMP CLABSC NDATHR IPGT CLABUS NDATHR USTAR CLABZI NDATHR ZI CLABL NDATHR EL CLABWS NDATHR WSTAR CLABRMM NDATHR RMM CLABTK NDATHR TEMPK CLABD NDATHR RHO CLABQ NDATHR QSW CLABRH NDATHR U 变量标记 年 序列天和时 YYYYJJJHH 各网格点风的 U 分量 m s V 变量标记 年 序列天和时 各网格点风的 V 分量 m s W 变量标记 年 序列天和时 各网格点风的 W 分量 m s 温度变量标记 年 序列天和时 各网格点上的温度 K IPGT 变量标记 年 序列天和时 各网格点上的 PGT 稳定性 USTAR 变量标记 年 序列天和时 地表摩擦率 m s ZI 变量标记 年 序列天和时 混合层高度 m EL 变量标记 年 序列天和时 Monin Obukhov 长度 m WSTAR 变量标记 年 序列天和时 湍流速率 m s RMM 变量标记 年 序列天和时 降水速率 mm hr TEMPK 变量标记 年 序列天和时 各地面气象站温度 RHO 变量标记 年 序列天和时 各地面气象站空气密度 Kg m3 QSW 变量标记 年 序列天和时 各地面气象站太阳短波辐射 W m2 IRH 变量标记 年 序列天和时 28 14 15 15 15 3 1 2 3 IRH CLABPC NDATHR IPCODE 各地面气象站的相对湿度 IPCODE 变量标记 年 序列天和时 降水类型的代码 4CALPUFF 烟团扩散模块 4 1 CALPUUFF 烟团扩散模型简介 CALPUFF 是一个用来模拟不稳定状态的多层 多物种污染的高斯型烟团 扩 散模式 它适用于模拟时空都在变化的气象条件下污染物的迁移 转化和清除 考虑了复杂地形的影响 水上传输 海岸的交界影响 建筑物的下沉影响 干 湿沉降以及简单的化学转化 以平流扩散的方式模拟从源排放出来的污染物 可以估算的出在预设点的浓度和沉降量 4 2 CALPUFF 模块特征及其中的选项 4 2 1 CALPUFF模块特征 CALPUFF 烟团扩散模式具有以下特点 1 可以处理时变的点源 面源污染 2 可以模拟几十米到几百公里的区域 3 可以预测一小时到一年的污染物浓度 4 考虑了污染物的线性去除过程和化学转化机制 5 适合于粗糙 复杂地形条件下的模拟 29 4 2 2 CALPUFF模块中的一些选项 CALPUFF 中主要的选项包括以下类别的变量及参数的选择 源类 Source types 点源 面源 线源和体源的变量和常数选项 不稳定状态下的排放及气象条件 三维气象场变量 风和温度 混和层高度 摩擦速率 湍流系数 Monin Obukhov 长度及降水速率等 变量的空间变量场 扩散系数 时变的源排放数据 取样时的有效函数 Efficient sampling functions 扩散系数选项 和 y z 直接测量的和 v w 通过相似性理论计算的和 v w 适合于郊区的 Pasquill Gifford PG 扩散系数 适合于城镇的 McElroy Pooler MP 扩散系数 适合于中性或稳定条件下的 CTDM 扩散系数 风的垂直煎切作用 烟羽的抬升作用 局部的烟羽穿透作用 浮力抬升和动力抬升 烟筒的阻挡影响 Stack tip effects 风的垂直煎切作用 建筑物下洗影响 建筑物下洗作用 在模拟建筑物对烟羽的下洗作用时有两种方法可供选择 Huber Snyder 法和 Schulman Scire 法 复杂次地形的影响作用 30 以为分界线 烟羽位于之上时 会沿着山体等爬升而改变扩散速度 d H d H 烟羽位于之下时 烟羽围绕山体扩散 d H 分界面 Time varying heat flux and emissions from controlled burns and wildfires 干沉降 气体或颗粒物 在处理烟羽中气体或颗粒物的干沉降作用时 有三个选项 通过模型系统地计算干沉降地时空变化 用户指定个污染物质的日循环 不考虑干沉降 海陆间的相互作用 海上边界层参数的选择 气象条件和海岸边烟羽扩散的突变 烟羽裂变 化学转化选项 与间的化学转化机制 MESOPUFF II 法 2 SO 2 4 SO x NO 3 HNO 3 NO 用户指定的化学转化速率 不考虑化学转化 湿沉降 Wet Removal 净化系数的选择 受降水强度和降水类型影响的去除率 Graphical User Interface 4 3 技术研究 4 3 1 在受体点的基本浓度方程 在烟羽扩散模型中 经常把烟羽看作是由许多烟团组成的 在一定的时间内 这些烟团是静止不动的 此时烟团的浓度可以通过公式计算 在 CALPUFF 烟 羽扩散模型中 受体点的基本浓度方程为 C g exp exp yx Q 2 2 2 2 x da 2 2 2 y dc 31 g 2 2 2 2 exp 2 2 ynhHe z n 式中 C 地面浓度 Q 源强 扩散系数zyx da 顺风距离 dc 垂直风向距离 H 有效高度 h 混合层高度 4 3 2 扩散作用 Dispersion 在 CALPUFF 扩散模型中 需要考虑垂直方向和水平方向上的高斯扩散系数 即 和 y z 扩散过程中的扩散系数计算公式如下 222 2 ybysynyt nyyy 22 2 zbzznztz nz 其中 污染源参量 如 时间 距离 yn zn 当时 0 在扩散过程中某指定位置上水平和垂直方向上总的扩散系数 znyn 由于大气湍流作用的形成的扩散系数和 ztyt y z 在扩散过程中由于浮力抬升产生的 分量 zbyb y z 面源侧向扩散产生的水平扩散系数分量 ys 大气湍流作用产生的量 Atmospheric Turbulence Components 在设计扩散模型时 应该使尽可能多的数据可以在计算和时被使用 yt zt 当数据不能直接使用时 应该提供备份的不要求输入专业数据的计算公式 输 入数据时 有五种扩散系数可供选择选择 分别是 32 根据湍流运动计算的扩散系数 即和 y w 利用微气象变量计算的扩散系数 通过ISCST模型计算的PG扩散系数和McElroy Poole扩散系数 通过MESOPUFF II计算的除了PG扩散系数以外的扩散系数 稳定的气象条件下CTDM格式的和不稳定条件下第三种选项中的 输入的数据有三种 levels 湍流扩散系数 和 Dispersion Options 1 and 5 neutral stabl y w 通过CALMET微气象参数或其它模块的微气象参数计算的侧风向和垂 直方向的分量 Dispersion Option 2 Pasquill Gifford Turner PGT 或ISCST模型中的扩散系数 计算和时常用的公式 Hanna et al 1977 是 yt zt lyyyyt tttf lzzwzt tttf 其中 风在水平方向上的标准偏离分量 m s v 风在垂直方向上的标准偏离分量 m s w 烟羽从产生至扩散到受体所用的时间 s t 分别为水平方向和垂直方向上的拉格朗日常数 ly t lz t 浮力抬升 Buoyancy