区域大气质量评价数值模拟模式系统的开发与应用

区域大气质量评价数值模拟模式系统的开发与应用

calpuff系统calduff模式是美国（epa）推荐使用复杂地形下的大气质量评价数值模型系统的建议。由Sigma公司开发,基于LFFortran95编译、调试。系统包括边界层气象模式CALMET、污染物扩散模式CALPUFF和后处理软件CALPOST3部分和大量的对标准界面设计的预处理程序,用于气象和地理信息数据的处理。CALMET利用质量守恒原理对风场进行诊断,包括客观分析、斜坡流、地形动力效应、地形阻塞效应参数化、差分最小化及一个用于陆面和水面边界条件微尺度气象模型。可使用中尺度气象模式(MM5、MM4、CSUMM)的模拟、预测结果、实测气象资料作为输入资料,输出逐时风场、温度场、混合层高度、大气稳定度等污染气象参数。CALPUFF包含复杂地形效应、水面过程,海陆效应,楼宇下洗流,干、湿沉降和简单化学转换的非静态拉格朗日微粒传输、扩散、沉积和高斯烟团扩散模型,模拟在时空变化的气象条件下对污染物输送、转化和清除的过程,适用于几十至几百公里范围的评价。气象场通常使用CALMET输出的格点资料,也可直接使用非网格化的气象观测资料。主要的输出文件包括:评价区每小时的浓度或每小时的沉积通量。CALPOST是用于计算平均浓度和沉积通量的后处理程序,输出1h、3h平均最大浓度和日、月、年浓度的逐级评价结果;计算选定区域和时段的消光系数及能见度等相关量。近年来CALPUFF系统在我国大气环境研究中得到应用。如宋宇等利用2000年1、4、7和10月北京市气象观测资料和石景山PM10排放清单,通过CALPUFF系统模拟计算,分析了该工业区的影响范围和大小。王淑兰等利用CALPUFF系统,根据2002年污染源排放清单、气象资料和空气质量观测资料,通过数值模拟和排放源现状分析,揭示了珠江三角洲城市之间污染物相互输送的特点和规律。结合陕西省气象局大气环境业务服务的实际情况,对CALPUFF系统进行了移植和应用开发。在MICAPS系统、MM5系统的基础上,通过VB6.0编程,建立了一个具有自动数据处理、可视化程度较高、操作简便、比较实用的区域大气质量评价数值模式系统平台。实现地理信息、污染源及气象资料数据格式向CALPUFF系统所需格式转换和模式输出结果分析显示的自动和交互式操作。1面源及体源参数本研究使用的资料包括:国家气象中心卫星传送的T213资料;TTAA和AAXX报文资料;污染源资料,包括点源、面源、体源和线源。点源参数为源的编号(名称)、位置(经纬度或坐标值)、海拔高度(m)、源高(m)、烟囱直径(m)、排放速度(m/s)、排放率(g/s、kg/h、t/a、…)、排放口温度(K),扩散系数σ。面源参数为源的编号(名称)、面积坐标、有效高度(m)、海拔高度(m)、排放率[g/(m2·s1)、kg/(m2·h1)、…]。扩散系数σ体源参数为:源的编号(名称)、体源位置坐标、有效高度(m)、海拔高度(m)、排放率(g/s、kg/h、…),扩散系数σ。输出产品包括:①各种气象要素,②边界层污染气象特征参数,③逐时、日、月、年的区域大气质量等级评价,④逐时地面区域污染物(SO2、NOx、PM10、HNO3、SO4等)浓度预报、模拟值。2数据处理和显示系统的大多数应用程序针对3个主要模型,为提高系统的应用效率,对每个主要模型提供一个以个人计算机为基础的图形用户界面。并给出了适应于美国国家气候数据中心(NCDC)文件格式的标准化初始数据资料预处理程序,如处理探空资料的程序READ62、将被压缩的CTG数据文件转换成模式标准格式的预处理程序CTGPROC等,用户可根据自己的数据格式进行修改。对系统的应用开发,首先是资料格式的转换和本地地形地表资料的处理工作。依据CALPUFF系统提供的源程序,利用MM5中尺度预报模式和预报实时业务的网络环境,对系统数据接口部分作了本地化处理、运行调试工作。数据接口处理分前处理和后处理两部分。前处理由数据资料预处理程序完成,采用自动和人机交互方式将原始气象报文资料、T213数值产品资料转换成MM5中尺度气象模式所需格式。后处理同样采用自动和人机交互方式将MM5输出结果转换成CALMET和Surfer绘图软件所需格式,将CALMET、CALPUFF、CALPOST输出产品转换成Surfer绘图软件所需格式,以便输出分析图表。实现:①地形资料的人机交互式提取和资料格式转换,②地表资料的人机交互式提取和资料格式转换,③中尺度数值模式MM5输出产品的提取和资料格式转换,④MM5输出产品的处理和绘图显示,⑤CALMET输出产品的处理和绘图显示,⑥CALPUFF输出产品的处理和绘图显示,⑦CALPOST输出产品的处理和绘图显示。其次,依据气象业务应用的网络环境,通过VB6.0编程,建立了具有自动和人机交互处理功能的,操作简便实用的区域大气质量评价数值模式系统用户界面(图略),实现逐时、月、年西安市区域大气质量评价及逐时区域污染物(SO2、NO2、PM10等)浓度预测。其结构及流程如图1。3模式处理区域大气质量评价数值模式系统在Windows下运行,操作简便,依次为地理信息资料、气象资料、模式运行和模式结果处理,其中在给定精度的条件下对于某一区域来说地理信息资料的处理只需做一次,可根据系统界面步骤进行。3.1地图投影中心经纬度的修正单击“模式资料前处理”下拉式菜单,在地形资料处理栏,点击“参数编辑”按钮,打开参数文件“TERREL.INP”,修改参数:输入输出文件、地图投影、中心经纬度、格距等,表1给出用户依据具体情况需要注意改动的参数。点击“地形资料”按钮,运行结束生成文件“TERREL.DAT”“TERREL.LST”、“TERREL.GRD”等文件,输出文件名由用户在参数编辑中给出。打开LST文件查看运行过程、结果。3.2表面数据的处理与地形和表面数据的整合3.3calmm5.inp简介单击“模式资料前处理”下拉式菜单,点击“参数编辑”按钮,修改参数文件“CALMM5.INP”,具体见表2。点击“MM5TOCALMET”按钮,运行MM5处理程序,成功运行后生成“XAMM5.DAT”、“CALMM5.LST”文件,打开LST文件查看运行过程、结果。3.4气象要素及格式CALMET的操作步骤:单击“大气质量评价数值系统”下拉式菜单,点击“CALMET”按钮,打开“CALMET”用户界面;单击“FILE”下拉式菜单,“OPEN”调入参数控制文件;单击“Input”下拉式菜单,修改参数输入输出文件、地图投影、中心经纬度、格距、风场诊断方案等;单击“RUN”下拉式菜单,“RUNCALMET”运行CALMET模式,成功运行后生成“CALMET.DAT”、“CALMET.LST”文件;打开LST文件查看运行过程、结果。如需要分析气象要素场,单击“大气质量评价数值系统”下拉式菜单,点击“PRTMETIN”打开参数控制文件,选择要输出的气象要素及格式,运行“PRTMET”输出气象要素。CALPUFF及CALPOST的操作步骤同CALMET。4评价的必要性图2所示5点为西安市某工程拟建地,主要污染物为SO2,大气环境标准为2级。新增这一污染源后,年平均浓度分布如何、是否超标、年内日平均浓度超标情况如何、当地的大气环境是否还能达到国家对环境标准的要求,就5个拟建地点来说,建在何处较合适等一系列问题需要考虑,给出科学的评价。以下给出利用区域大气质量评价数值模式系统进行的数值模拟分析评价结果。4.1资料处理和数据开放MM5中尺度数值预报模式,采用三重嵌套(DOMAIN1、DOMAIN2、DOMAIN3),水平网格距分别为45、15、5km,垂直方向23层,中心经纬度为108.3°E、34.5°N,格点数分别为60×60、50×50和50×50。积分步长为120s,积分时间从2004年1月1日12:00至12月31日12:00。背景场资料使用2004年每天T213分析和间隔6h的预报产品,客观分析资料使用国家气象中心发布的每天2次的高空和每天8次的地面原始报文资料,经解报、检误、逐步订正分析得到。CALMET边界层风场诊断模式,水平网格距为1km,垂直方向11层(0、20、40、80、160、300、600、1000、1500、2200、3000m),格点数为99×99,输入资料使用MM5DOMAIN3输出的结果。CALPUFF模式,水平网格距、垂直分层、格点数同CALMET,输入资料使用CALMET的输出结果(calmet.dat)。4.2出烟速率及出烟口温度源排放参数为:源强10g/s,烟囱高度40m,烟囱直径3.5m,出烟速率12.6m/s,出烟口温度355K。5个拟建地点SO2的背景浓度,取2001~2005年西安市环境监测部门5个监测点监测的SO2质量浓度平均值的最高值0.027mg/m3。4.3在评估源事件的分析中使用2004年一个完整年的气象资料和拟建工程项目源排放参数,将新增污染源逐一放入5个备选厂址,进行了数值模拟计算和2级评价分析。4.3.1年平均质量浓度一般来说,污染物年平均质量浓度的分布轴向与主导风向一致。根据2001~2005年风玫瑰图的分析,西安主导风向为NE和WS。图3给出了A、B、C、D、E5个备选地址SO2的年平均浓度分布图。由图可见,通过数值模拟获得的年平均质量浓度的分布轴向与主导风向一致,其形状受周围地形的制约,其中C、D、E3点由于相距较近周围地形一致,年平均质量浓度的中心值一致,分布形状也极为相似,表明数值模式较好地模拟了污染物的分布特征。年平均浓度2级评价结果为5地中C、D、E3地未出现超负荷浓度值,满足2级标准要求,A和B地均出现超负荷浓度值(图略)。从超负荷范围和强度看,处于山谷中的A地均大于B地,污染超标最重,分析其原因可能是,由于山体的影响处于谷中的A地低层水平风速相对较小,不利于污染物的水平扩散,同时易形成地形山谷风次级环流,次级环流把输送出去的污染物带回原地,形成2次污染。4.3.2日期级标准描述依据A、B、C、D、E5地SO2近地面日均浓度分布,按分布区内只要有1个网格点数据出现超2级标准就记为一个超标日进行统计分析,则年内A、B、C、D、E日均浓度出现超标的概率分别为27%、11%、5%、3%、8%。因此,依据年平均浓度评价结果,C、D、E3地均可作为选址地点,可进一步根据日均浓度出现超标的概率、交通便利情况、水、电负荷状况等其它条件确定最佳备选厂址。4.4污染物浓度分布特性是否发生在calmet一般来说,水平风场的分布、稳定度大小、混合层高度的高低以及垂直速度的变化决定着污染物日平均浓度的分布特征。典型情况为:当污染源所在地近地面水平风速小、稳定度大、混合层高度低、无上升运动时,污染物首先在局地堆积,之后缓慢向外扩散,近地面污染物浓度大、范围小。反之,当污染源所在地近地面水平风速大、稳定度小、混合层高度高、上升运动明显时,有利于污染物的水平和垂直扩散,不会出现污染物高浓度分布区。据此,对CALPUFF输出的污染物逐时平均浓度和CALMET输出的逐时平均水平风场、稳定度和混合层高度以及垂直速度进行了对比分析。结果表明,CALMET输出的逐时平均水平风场的变化、稳定度大小、混合层高度的高低以及垂直速度上升与下沉区的分布,较好地解释了对应时段CALPUFF输出的污染物逐时平均浓度分布特征。图4a、b、d和图5a、b、d分别给出了7月24日08:00和14:00A、B、D3个备选点SO2时平均浓度(其它图略)及近地面水平风场分布图。图6为对应时刻3个备选点稳定度等级和混合层高度的柱形图。可以看出,08:00近地面水平风速相对较小,混合层高度相对较低,稳定度相对较大,水平和垂直扩散能力均较弱。污染物首先在源地堆积,之后缓慢向外扩散,出现近地面污染物时平均浓度大、范围小的分布特点。而14:00近地面水平风速相对较大,混合层高度相对较高,稳定度相对较小,水平和垂直扩散能力较强,使得近地面污染物时平均浓度较08:00小很多。图7给出了7月25日05:00备选厂址(A和B)SO2时平均浓度及近地面水平风场分布情况。这一时段,在A和B两地有较强的垂直环流存在,B地处于下沉气流区,A地处于上升气流区(图略)。由于B处为下沉气流,且近地面风速较小,不利于污染物的垂直和水平扩散、清除,致使B处污染源排放的污染物在局地堆积,形成一个近似圆形的污染物浓度高值区。而A处为上升气流,有利于污染物的垂直输送,污染源排放的污染物随着上升气流扩散和清除,部分污染物随下沉气流降落,在下沉气流区近地面出现图7所示的污染物零散分布的特征,且浓度较低。5大气污染物排放特征本文工作是在综合应用MICAPS、MM5系统基础上,通过对CALPUFF模式的开发,使用VB6.0编程,初步建立了一个具有自动数据处理、可视化程度较高、操作简便、比较实用的区域大气质量评价数值模式系统平台;有效地整合了国内外科技资源,为开展复杂地形下区域大气质量评价分析提供了必要的技术支撑。初步实现了大气环境评价的数值模拟分析。对5个备选厂址年和日平均浓度2级评价结果表明,5地中D地为最佳厂址选者地,其次为C地和E地,A和B地由于污染物浓度超标而不适建厂。试用分析结果表明,CAPUFF模式较好地模