WRF-chem中文介紹

1、WRF-CHEM中文介紹空氣質量模擬是一個非常復雜的問題，同時受到氣象因子（如風速、風向、湍流、輻射、云和降水等）和化學過程（如源的排放、干濕沉降和化學轉化等）的影響。在實際大氣中，化學和氣象過程是同時發(fā)生的，并且能夠相互影響，如氣溶膠能影響地氣系統(tǒng)輻射平衡，氣溶膠作為云凝結核，能影響降水，而云和降水對化學過程也有非常強烈的影響。以往的空氣質量模式，如CALGRID、MODEL3/CAMQ等，它的氣象過程和化學過程是分開的，一般先運行中尺度氣象模式，得到一定時間間隔的氣象場，然后提供給化學模式使用。這樣分開處理以后，存在一些問題：首先，利用這樣的氣象資料驅動化學過程的時候就存在時間和空間上的插

2、值，而且丟失了一些小于氣象模式輸出間隔的氣象過程，如一次短時間的降水等，而這些過程對化學過程來說可能是很重要的；其次，氣象模式和化學模式使用的物理參數(shù)化方案可能是不一樣的；再次，不能考慮化學過程對氣象過程的反饋作用?；谶@種真實大氣中氣象過程和化學過程是同時發(fā)生的相互影響的思想以及考慮到以往空氣質量模式中存在的不足，2000年3月6日一一8日在美國國家大氣研究中心（NCAR）舉行了一個關于在云模式和中尺度模式中模擬化學過程的會議，隨后成立了一個WRF-CHEM的開發(fā)小組，共有15個成員。在之后的幾年內，很多化學模塊被加入了WRF的框架之中，完成了一個氣象模式和化學模式在線完全耦合的新一代的區(qū)域

3、空氣質量模式（WRF-CHEM）。它的化學和氣象過程使用相同的水平和垂直坐標系，相同的物理參數(shù)化方案，不存在時間上的插值，并且能夠考慮化學對氣象過程的反饋作用。WRF模式WRF（WeatherResearchForecast）模式系統(tǒng)是美國氣象界聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度預報模式和同化系統(tǒng)，2004年6月對外發(fā)布了第二版和三維變分同化系統(tǒng)。這個模式采用高度模塊化、并行化和分層設計技術，集成了迄今為止在中尺度方面的研究成果。模擬和實時預報試驗表明，WRF真式系統(tǒng)在預報各種天氣中都具有較好的性能，具有廣闊的應用前景WRF真式采用高度模塊化和分層設計，分為驅動層、中間層和模式層，用戶只需與模式層打交道；

4、在模式層中，動力框架和物理過程都是可插拔，為用戶采用各種不同的選擇、比較模式性能和進行集合預報提供了極大的便利。它的軟件設計和開發(fā)充分考慮適應可見的并行平臺在大規(guī)模并行計算環(huán)境中的有效性，可在分布式內存和共享內存兩種計算機上實現(xiàn)加工的并行運算，模式的耦合架構容易整合進入新地球系統(tǒng)模式框架中。WRF模式重點考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預報，水平分辨率重點考慮110kmi因此，模式包含高分辨率非靜力應用的優(yōu)先級設計、大量的物理選擇、與模式本身相協(xié)調的先進的資料同化系統(tǒng)。WR模式有兩個版本，一個是在NCAR白MM5式基礎上發(fā)展，另一個是由NCEFEta模式發(fā)展而來。表1是這兩個方案動力框架的對

5、比表。表1WRF動力框架加什里標樞果(5CAR)地形燃皤力氣壓電疝坐標ArakawaC-格點一雙同ift您3階Rung?-&U愷分裂顯式時R差分韭靜力中尺度模式框架(NMM,NCEP)地形量地混合小中池坐標Arakaw3日格點:電向嵌直51一式Adams-Bashfoith時R差分平液5階或6階差分質量守恒，動量、干嫡和標量利用通量形式的漏報方程動能守恒城和計量利用2階有限差分WRF動力框架的兩個方案主要不同之點在于垂直坐標和格點格式的選擇，通量的空間差分NCARf案精度更高，但需要的計算時間也要多一些。物理方案兩者雖有所不同，但是兩者都互有物理接口，因此從總體來講二者的物理方案是兼容

6、的。表2給出了WRF理方案的各種不同選擇，它們來自MM5、Eta和RUC,為用戶提供了各種選擇的機會。徵物理秋云對流場破輻射長波輻射擾動邊界層陸面%，如I類型（沒有冰）卑等人Lin等&（包括產）H11等人NCEP石3和云5.Ferner新Kain-Fntw:h.Grell集伶BettsrMillerJanJicEMdlna（MM?J.Goddard.GFDLRKIMrGtUL預報TKE5門ia即n+ky.稻定滬散MRJFMYTYSU相似理論,MYT5層I.壤模式，RUC路面模式刀口而統(tǒng)的陪面橫式WRF-CHEM的化學模塊WRF-CHEM的化學模塊包括了污染物的傳輸和擴散、干濕沉降、氣相

7、化學反應、源排放、光分解、氣溶膠動力學和氣溶膠化學（包括無機和有機氣溶膠）-KadhticifiSolve_mtMfacik-1Sol7e_j.advectiorfMicrophysicsLzjertvInverTUV_defaultdrnrerdepositionCojivcctii：driverGas-phasediiuetAerosoldnver一FAST-JI'vtixepackg：圖1WRF-CHEM的基本框架輸送WRF模式可以選擇不同的動力內核框架，WRF-CHEM現(xiàn)在主要使用正式的質量坐標的框架，這意味著它的水平平流是質量和標量守恒的，空間上為5階,時間上為3階。湍流輸送

8、使用一種2.5層次的Mellor-Yamada閉合方案（ETA方案）自然源排放WRF-CHEM的自然源排放模塊使用了Guenther等（1993,1994）,Simpson等（1995）和Schoenemeyer等（1997）的方案。它包含了異戊二烯、單據(jù)烯以及其他VOC的排放和土壤氮的排放，并且考慮了這些排放隨溫度和輻射的變化。但是根據(jù)WRF的下墊面類型估計的自然源排放是比較粗糙的，為了得到更好的自然源排放的估計需要區(qū)分不同的樹種，并且考慮同一網(wǎng)格里樹種的不同類型。氣相化學WRF-CHEM默認使用的氣相化學機制是Stockwell等（1990）發(fā)展的第二版本的區(qū)域酸性沉降機制（RADM2）。

9、該機制綜合考慮了化學過程，預報精度和計算機資源，被廣泛應用于各種大氣化學模式當中。該機制中無機物包括14種穩(wěn)定物種，4種活潑的中間物種和3種足量穩(wěn)定物種（氧氣、氮氣和水汽）；有機物包括26類穩(wěn)定物種和16類過氧自由基。22種診斷的、3種常量的和38種預報物種在模式求解使用一種準穩(wěn)態(tài)近似（QSSA）的方法。38種預報物種的速率方程的計算使用后向歐拉差分方案。光分解WRF-CHEM模式中考慮了21種物種的光分解反應，光分解速率的計算采用Madronich（1987）提出的方案。干沉降WRF-CHEM中各種衡量氣體和氣溶膠的干沉降通量的計算使用的一種三層阻力（空氣動力學阻抗、次表層阻抗和表層阻抗）模型。表面阻抗的參數(shù)化使用了Wesely（1989）提出的方案，在這種參數(shù)化方案中，表面阻抗主要來自土壤和植被表面，植被的特性由使用的下墊面類型資料和季節(jié)決定，表面阻抗也依賴于擴散系數(shù)、活性以及活性氣體的水溶性。硫酸鹽的干沉降使用了不同的方案，模式中假定硫酸鹽都以氣溶膠太的形式存在，它的干沉降使用了Erisman等（1994）提出的方案。氣溶膠WRF-CHEM的氣溶膠模塊采用歐洲的氣溶膠動力學模式（MADE）（Ackermann