CALPUFF模型.docx

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CALPUFF模型

CALPUFF模型的系统简介

CALPUFF为非定常三维拉格朗日烟团输送模式。

CALPUFF采用烟团函数分割方法，垂直坐标采用地形追随坐标，水平结构为等间距的网格，空间分辨率为一至几百公里，垂直不等距分为30多层。

污染物包括SO2、NOx、CmHn、O3、CO、NH3、PM10（TSP）、BlackCarbon，主要包括污染物之排放、平流输送、扩散，干沉降以及湿沉降等物理与化学过程。

CALPUFF模型系统可以处理连续排放源、间断排放情况，能够追踪质点在空间与时间上随流场的变化规律。

考虑了复杂地形动力学影响、斜坡流、FROUND数影响及发散最小化处理。

CALPUFF模拟系统，包括诊断风场模型CALMET、高斯烟团扩散模型CALPUFF和后处理软件CALPOST三部分。

CALPUFF模式可运用于静风、复杂地形等非定常条件。

其中CALMET利用质量守衡原理对风场进行诊断，输出包括逐时风场、混合层高度、大气稳定度（PGT分类）、各种微气象参数等。

CALPOST为计算结果后处理软件，对CALPUFF计算的浓度进行时间分配处理，并计算出干（湿）沉降通量、能见度等。

稳态气象和空气质量（CALPUFF）模拟系统

简介

采用美国环境保护署（USEPA）推荐的用于模拟污染物传输行为的集成模式——CALPUFF模拟系统进行空气质量模拟．CALPUFF模拟系统包括维诊断气象模型（CALMET）、空气质量扩散模拟（CALPUFF）和后处理软件（CALPOST）三部分．该系统采用时变的气象场资料，充分考虑下垫面对污染物下湿沉降的影响，同时考虑复杂地形的动力学效应以及静风等非定常条件，能很好地模拟不同尺度污染物扩散情景．CALPUFF模拟系统采用高斯烟团模式，利用CALMET产生的气象场以平流输送烟团的形式模拟污染物从污染源排放后的扩散过程．扩散参数由微气象参数化方法计‘算得到．该模拟系统利用在取样时问内进行积分的方法来节约计算时间．CALPUFF模拟系统的输出主要包括网格和各指定点的污染物浓度．CALPOST是后处理模块，该模块能够将CALPUFF生成的污染物浓度场文件依用户的不同目的进行相应处理，如生成网格化或者指定点逐时浓度、日均浓度、月均及年均浓度等文件．

CALPUFF数据需求

地理物理资料

地表粗糙度、土地使用类型、地形高程、植被代码。

其中：

计算区域网格点地形高程数据包括两个要素：

UTM国家坐标（相对坐标）、地形高程（空间分辨率可达0.9km）。

计算区域的空间分辨率可以高于地形数据的分辨率。

地形计算时，采用地形追踪坐标，通过六点差值获取计算区域中网格点的高程值。

地表粗糙度、土地使用类型、植被代码可以来自国土资源部有偿的或美国地调局免费的数据。

这种数据通过GIS系统进行转化后，可直接使用。

其中地表粗糙度、土地使用类型、植被代码、地形高程数据都以矩阵格式输入。

气象资料

CALMET需要输入评价范围内的气象背景初猜场，之后进行地形动力、倾斜流、地形阻挡作用的调整得到第一步的气象要素场，用评价范围内的地面和探空常规气象观测资料对第一步气象要素场进行订正，得到最终的评价范围气象要素诊断场。

（1）气象背景初猜场：

CALMET气象背景初猜场由MM5模型输出的物理量场提供。

采用最近一年的NCEP气象要素分析场和模型计算区域内地面和探空常规气象观测资料，用MM5中尺度模型进行数值模拟计算，输出逐小时的气象要素场。

MM5模拟输出的气象要素场包括：

气压，高度，温度，风速U分量，风速V分量，相对湿度和水汽混合比、云水混合比、冰雪混合比、Graupel混合比。

NCEP每日4次的气象要素分析场资料：

1000pha，925pha，850pha，700pha，600pha，500pha各高度层上的位势高度、温度、露点、风的东西向分量，风的南北向分量，以及地面气压，海平面气压，地面温度。

（2）常规探空气象资料：

1000hpa，925hpa，850hpa，700hpa，500hpa各高度层上的位势高度，温度，露点，风向，风速。

（3）常规地面观测气象资料：

风速、风向、气温、云量、云底高度、地面气压、相对湿度，降水量，降水类型。

（4）全球海洋天气报资料：

海面上每日4次全球海洋天气报资料包括纬度，经度，气温，露点，风，气压、马士顿号、海表层温度。

污染源资料

CALPUFF可以处理点源、线源、面源、体积源。

考虑干湿沉降、建筑物下洗等因素。

CALMET输入数据文件格式

（1）SUR.DAT地面站气象数据文件格式：

第一行：

起始时间：

年日时，终止时间：

年日时时区台站数目

第二行：

台站编号

第三行：

年日时

第四行：

风速、风向、混合层高度、低云、温度、相对湿度、台站气压、降雨代码

（2）PPER.DAT高空数据文件格式：

第一行：

起始时间：

年日时；终止时间：

年日时、顶层气压、原始数据类型

第二行：

数据类型、台站编号、年月日时、高空总层数、提取层数

第三行：

气压、位势高度、温度（K）、风向、风速

（3）PRECIP.DAT降雨数据文件格式：

第一行：

起始时间：

年日时、终止时间：

年日时、时区、台站数量

第二行：

台站编码

第三行：

年、日、时、降雨量（mm/hr）

（4）GEO.DAT地球物理数据文件格式：

第一行：

头端信息字符串

第二行：

网格数、空间分辨率、起点坐标、时区、NX、NY、DGRIDKM、XORIGRKM、

YORIGRKM、IUTMZN

第三行：

土地使用类型LANDUSEDATACATEGORIES（1新、0默认值）

第四行：

网格矩阵；

地形高程；

地表特征参数。

CALPUFF模型的基本操作

使用CALPUFFPro有两个方法。

一是直接操作系统的集成图形用户界面GUI；二是改写系统各模块的控制流文件。

1集成图形界面

CALPUFFPro（ver6.0）有一个集成的图形用户界面GUI（图2-1）。

这个界面已将全系统的前处理、模拟模块和后处理模块，以及各类工具模块、图形模块集中到一个窗口中，从这里可直接进入各子模块的操作窗口，从而控制整个系统的全部功能。

所有子模块也都分别有相应的图形窗口，无须了解控制流文件的格式，因此建议初学者用这个图形界面进行操作，不用去了解控制流文件的格式。

图2-1集成的图形用户界面GUI

操作的顺序一般按图中从上到下从左到右的原则。

一般先定义整个系统的公用信息（须要选上“网格和其它信息作为公用”这个选项），如工作目录、气象网格大小和位置、时区、坐标投影方法等。

这些信息将在所有子模块里被引用，无须重新输入。

点击各子模块按钮进入相应子模块。

子模块都有一些类似的界面和通用的操作方法。

CALPUFFPRO一个子典型子模块的图形界面如图2-2所示。

在子模块里输入数据可采用两种方式：

采用“Input”菜单下的“Sequential”，即顺序输入的方式，按即提示逐步输入所需的参数。

第二方式是采用“Input”菜单下各相应子菜单，直接输入所选步骤的数据。

一般来说，先采用顺序法输入全部数据，再采用选择某一项的方法来修改。

输入完成后，按“RUN”菜单来运行，结果保存在给定文件中。

有错误时程序将停止运行，并弹出信息，可进行修正后再运行。

可按“HELP”菜单进入该模块的帮助系统查找有关信息。

另外，子模块的“Setup”可以设置让程序从一个已有的控制流文件开始，修改其中一些选项就行，而不必建一个全新的控制流文件，这样可以大大减少重复操作。

前处理模块：

设置地球物理和气象数据文件。

设定原始数据文件和运行参数，生成能被CALPUFF模型使用的地球物理数据文件（GEO.DAT）以及CALMET运行所需的地表气象数据文件（SURF.DAT）、探空气象文件（UP.DAT）、降雨数据文件（PRECIP.DAT）和海面气象数据文件（SEA.DAT）。

气象处理模块

CALMET：

用图形方式输入气象模块控制流文件，运行调试并生成CALPUFF所需的气象文件CALMET.DAT。

输出数据为一个给定的多高度层网格的三维气象场，包括风、云、温度、降雨等参数。

扩散计算模块

CALPUFF：

用图形方式输入扩散模块控制流文件，运行调试并生成预测

点的浓度、干沉、湿沉通量和可见度等结果。

主要包括输入输出文件名称、模拟时间、化学属性、污染源、复杂地形和预测点几个部分。

气象后处理模块：

由于CALMET输出的是一个二进制的文件，可以用这个后处理模块对这个文件取出有关数据进行查看、检验和分析。

CALMET还可以输出List文件，是一文本结果，它不能被CALPUFF使用，但便于直接查看。

扩散输出后处理模块：

对CALPUFF生成的四个结果（浓度、干沉、湿沉和可见度），按一定时段进行查看、分析。

气象处理模块CALMET

首先用input菜单生成一个calmet.inp控制流文件，再运行run生成calpuff所需的气象文件。

（1）setup

设置calmet的工作目录，calmet控制流文件名称等。

控制流文件可新生成，也可引入一个已有的，再进行修改。

（2）坐标及网格和地表文件的设置：

可用importsharedgriddata输入一个坐标及三维网格定义文件，也可用gridsettings进入一个设置窗口。

在这里要设置坐标投影方法，及网格原点、三维网格行列层数，并给定地表情况的地球物理数据文件（GEO.DAT）。

GEO.DAT可用预处理工具中的MAKEGEO生成。

也可直接生成。

投影方法：

一般可用UTM，计算范围很大要考虑地球曲率时须采用LCC（一般500km以上情况）。

投影格式缺省取WGS-84。

UTMzone分60区，从西经180开始，一直往东到东径180度，每隔6度为一区。

对于每个UTMzone，X坐标以其中间子午线设为500,000m，向东为增加，向西为减少。

Y坐标为赤道为0m,向北为正Y值。

对于北京，为东经116度，UTMzone为30+int（116/6）+1=50，北半球取N。

如果采用LCC或TTM，则需要输入

（此段内容需地理系知识）

定义气象网格西南角坐标（x,y）km，网格步长（DGRIDKM），网格行列层设置（NX、NY、NZ）；每层到地表的高度（ZFACE）。

（3）Runinformation:

设置标题（一到三级），气象时段（起止或长度），气象所用时区（北京时间为UTC+0800），及其它计算选项（可用缺省值）。

其中Runoptions中第二项为采用的气象数据来源（NOOBS）。

如果NOOBS=0，则所有气象资料采用有关气象站数据；NOOBS=1，则地面和水面采用气象站数据，高空采用MM5/M3D计算结果；NOOBS=2，则所有气象资料采用MM4/MM5/M3D计算结果。

（4）mixingheightparameters:

定义混合层计算相关参数。

可以都用缺省值。

（5）temperatureandRHparameters:

温度和相对湿度相关参数。

数据来源，如果NOOBS=0，则一般选气象站观察值。

地表温度可用某一个序号的地表站的观察值，同样上空温度递减率也可用某一序号的高空站的一定垂直高度（如200m）的温度梯度。

他们也可读入经预处理（地面和高空站）的结果文件DIAG.dat。

其它参数一般可用缺省值。

（6）windfield:

风场设置。

首先设置options。

风场生成模式：

一是目标分析法；二是诊断风场法（DWM）。

目标分析法，就是用所有气象观测站的数据内插出气象网格的数据（直接生成step1的结果）。

诊断风场法则要从初猜场，进行地形、坡风、闭合效应、三维散度最小化调整（即step1）。

对step1的结果进行st