WRFchem中文介绍.doc

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WRF-CHEM中文介绍

空气质量模拟是一个非常复杂的问题，同时受到气象因子（如风速、风向、湍流、辐射、云和降水等）和化学过程（如源的排放、干湿沉降和化学转化等）的影响。

在实际大气中，化学和气象过程是同时发生的，并且能够相互影响，如气溶胶能影响地气系统辐射平衡，气溶胶作为云凝结核，能影响降水，而云和降水对化学过程也有非常强烈的影响。

以往的空气质量模式，如CALGRID、MODEL3/CAMQ等，它的气象过程和化学过程是分开的，一般先运行中尺度气象模式，得到一定时间间隔的气象场，然后提供给化学模式使用。

这样分开处理以后，存在一些问题：

首先，利用这样的气象资料驱动化学过程的时候就存在时间和空间上的插值，而且丢失了一些小于气象模式输出间隔的气象过程，如一次短时间的降水等，而这些过程对化学过程来说可能是很重要的；其次，气象模式和化学模式使用的物理参数化方案可能是不一样的；再次，不能考虑化学过程对气象过程的反馈作用。

基于这种真实大气中气象过程和化学过程是同时发生的相互影响的思想以及考虑到以往空气质量模式中存在的不足，2000年3月6日——8日在美国国家大气研究中心（NCAR）举行了一个关于在云模式和中尺度模式中模拟化学过程的会议，随后成立了一个WRF-CHEM的开发小组，共有15个成员。

在之后的几年内，很多化学模块被加入了WRF的框架之中，完成了一个气象模式和化学模式在线完全耦合的新一代的区域空气质量模式（WRF-CHEM）。

它的化学和气象过程使用相同的水平和垂直坐标系，相同的物理参数化方案，不存在时间上的插值，并且能够考虑化学对气象过程的反馈作用。

WRF模式

　WRF（WeatherResearchForecast）模式系统是美国气象界联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统,2004年6月对外发布了第二版和三维变分同化系统。

这个模式采用高度模块化、并行化和分层设计技术,集成了迄今为止在中尺度方面的研究成果。

模拟和实时预报试验表明,WRF模式系统在预报各种天气中都具有较好的性能,具有广阔的应用前景。

WRF模式采用高度模块化和分层设计,分为驱动层、中间层和模式层,用户只需与模式层打交道;在模式层中,动力框架和物理过程都是可插拔,为用户采用各种不同的选择、比较模式性能和进行集合预报提供了极大的便利。

它的软件设计和开发充分考虑适应可见的并行平台在大规模并行计算环境中的有效性,可在分布式内存和共享内存两种计算机上实现加工的并行运算,模式的耦合架构容易整合进入新地球系统模式框架中。

WRF模式重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报,水平分辨率重点考虑1～10km。

因此,模式包含高分辨率非静力应用的优先级设计、大量的物理选择、与模式本身相协调的先进的资料同化系统。

WRF模式有两个版本,一个是在NCAR的MM5模式基础上发展,另一个是由NCEPEta模式发展而来。

表1是这两个方案动力框架的对比表。

　　WRF动力框架的两个方案主要不同之点在于垂直坐标和格点格式的选择,通量的空间差分NCAR方案精度更高,但需要的计算时间也要多一些。

物理方案两者虽有所不同,但是两者都互有物理接口,因此从总体来讲二者的物理方案是兼容的。

表2给出了WRF物理方案的各种不同选择,它们来自MM5、Eta和RUC,为用户提供了各种选择的机会。

WRF-CHEM的化学模块

WRF-CHEM的化学模块包括了污染物的传输和扩散、干湿沉降、气相化学反应、源排放、光分解、气溶胶动力学和气溶胶化学（包括无机和有机气溶胶）等。

图1WRF-CHEM的基本框架

输送

WRF模式可以选择不同的动力内核框架，WRF-CHEM现在主要使用正式的质量坐标的框架，这意味着它的水平平流是质量和标量守恒的，空间上为5阶，时间上为3阶。

湍流输送使用一种2.5层次的Mellor-Yamada闭合方案（ETA方案）。

自然源排放

WRF-CHEM的自然源排放模块使用了Guenther等（1993,1994）,Simpson等（1995）和Schoenemeyer等（1997）的方案。

它包含了异戊二烯、单萜烯以及其他VOC的排放和土壤氮的排放，并且考虑了这些排放随温度和辐射的变化。

但是根据WRF的下垫面类型估计的自然源排放是比较粗糙的，为了得到更好的自然源排放的估计需要区分不同的树种，并且考虑同一网格里树种的不同类型。

气相化学

WRF-CHEM默认使用的气相化学机制是Stockwell等（1990）发展的第二版本的区域酸性沉降机制（RADM2）。

该机制综合考虑了化学过程，预报精度和计算机资源，被广泛应用于各种大气化学模式当中。

该机制中无机物包括14种稳定物种，4种活泼的中间物种和3种足量稳定物种（氧气、氮气和水汽）；有机物包括26类稳定物种和16类过氧自由基。

22种诊断的、3种常量的和38种预报物种在模式求解使用一种准稳态近似（QSSA）的方法。

38种预报物种的速率方程的计算使用后向欧拉差分方案。

光分解

WRF-CHEM模式中考虑了21种物种的光分解反应，光分解速率的计算采用Madronich（1987）提出的方案。

干沉降

WRF-CHEM中各种衡量气体和气溶胶的干沉降通量的计算使用的一种三层阻力（空气动力学阻抗、次表层阻抗和表层阻抗）模型。

表面阻抗的参数化使用了Wesely（1989）提出的方案，在这种参数化方案中，表面阻抗主要来自土壤和植被表面，植被的特性由使用的下垫面类型资料和季节决定，表面阻抗也依赖于扩散系数、活性以及活性气体的水溶性。

硫酸盐的干沉降使用了不同的方案，模式中假定硫酸盐都以气溶胶太的形式存在，它的干沉降使用了Erisman等（1994）提出的方案。

气溶胶

WRF-CHEM的气溶胶模块采用欧洲的气溶胶动力学模式（MADE）（Ackermann等，1998）。

MADE中集成了二次有机气溶胶模式（SORGAM）。

MADE本身是由区域粒子模式（BinkowskiandShankar,1995）发展而来的，它能够提供比较详细的关于粒子化学组成和尺度分布以及影响粒子数量的动力学过程的信息。