WRF-CMAQ空气质量模式系统

空气污染预报概念

空气污染预报是基于污染排放源（包含排放源清单及实时监测数据）、气象数据，通过耦合了物理、化学机制的空气质量模型进行预测的过程。

CMAQ历史

CMAQ是美国1997年发布的第三代空气质量模型，它是美国环保局开发的用来模拟空气质量运算的开源项目。

90年代开始，随着计算机性能的增强，特别是高性能计算与通信计划的实施，更复杂的考虑多种大气过程、多尺度的空气质量模式的开发工作在美国展开。模式中需要考虑多种排放源，如工业、电厂、交通、生物排放等过程，研究的污染物和污染问题包括首要污染物、臭氧、颗粒物、能见度、酸沉降等。９０年代末开发的代表目前国际领先水平的综合多尺度空气质量模式Models-3/CMAQ（Community Multi-scale Air Quality），本着“一个大气”（One Atomosphere）的设计理念，融入了许多当前大气化学和大气环境领域的最新研究成果，将区域对流层大气作为整体，周密的考虑所有已知的物理和化学过程，综合考虑了不同物种之间的相互影响与转化， 最大限度的模拟真实的大气环境，可用于局地到区域多种尺度光化学烟雾，区域酸沉降、大气颗粒物质等大气污染问题的理论研究与业务预报。Models-3为Third-Generation量模式三部分组成。其核心是Community Air Quality Modeling System的通称，由中尺度气象模式、污染排放模式和多尺度空气质量模式系统，所以也可以称其为Models-3/CMAQ模式。

CMAQ的最大特色在一个大气（One-Atmosphere）的观念，打破了传统模式对单一物种的模拟。将复杂的空气污染情况如对流层的臭氧、PM、有毒物质、酸沉降及能见度等问题综合处理，用于多尺度、多污染物的空气质量预报、评估和决策政策等多种途径。美国环保局研制的未来第四代空气质量模型系统，将尽可能考虑气圈、永圈、和生物圈之闯的互相作用，以便提供一个更加全面的方法对整个 生态系统中的污染物的输送和消亡过程进行预报和评估。 CMAQ是目前国际领先水平的空气质量模型系统。 有关质量预报和评估系统

MM5/WRF-CMAQ耦合模式组成

  • 气象驱动部分：

  • MM5： MM5模式是由美国大气研究中心(NCAR)和美国宾州大学(PSU)在MM4模式基础上联合研制并发展起来的，是较先进的中尺度气象数值预报模式之一，已被广泛应用于各种中尺度现象的研究

  • WRF： WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式是由美国环境预测中心NCEP,美国国家大气研究中心NCAR等美国科研机构中心着手开发的一种统一的中尺度天气预报模式。模式分为ARW(the Advanced Research WRF)和NMM(the Nonhydrostatic Mesoscale Model)两种，即研究用和业务用两种形式。

  • 主要设置内容： 模拟区域网格资料（网格大小、网格尺寸等）； 模拟时间（Julia Date ）； 垂直分层（Sigma Layer 为分层基准）； 下垫面资料（土地利用、土壤、地形等）； 气温、气压等气象资料； 物理参数化方案组合；

  • 源处理部分：
  • SMOKE 包含固定源、移动源、面源、生物源四大处理模块
  • CMAQ化学部分：
  • 初始值模块(Initial conditions processor, ICON)；
  • 边界值模块(Boundary conditions processor, BCON)；
  • 光解速率常数模块(Photolysis rate processor, JPROC)；
  • 化学反应机制处理(Chemical-transport model processor, CCTM)
  • 垂直对流效应；
  • 水平对流效应；
  • 垂直扩散效应；
  • 水平扩散效应；
  • 云程序机制；
  • 气象化学反应机制；
  • 液相化学反应机制；
  • 云混合模型机制；
  • 气悬胶动力与粒径机制；
  • 烟流化学效应；
  • 干沉降机制；
  • 模式流程分析模块；