CMAQ相关介绍

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

空气污染预报是根据排放源(包含排放源清单及实时监测数据)、气象数据,通过数学模型预测。

美国环保局(EPA)空气质量预报与评估系统(共3代):

  • Models-1:基于高斯烟羽模型建立,主要为扩散模型(dispersion model)与箱式模型(box model),代表模型有ISC、EKMA
  • Models-2:扩大空间范围,并将整体空间细分为网格;增加污染物种类,并加入较为复杂的气象参数与反应机制,使模拟的环境与实际大气较为吻合,代表模型有UAM、CAMx、TAQM、RPM
  • Models-3:在空间范围上扩展到大陆尺度,可同时预报80多种污染物,在预报方法上加入了化学物质和气象要素之间的反馈作用,可将复杂的空气污染情况,包括臭氧、PM、有毒化学物质、酸沉降、能见度等问题综合处理。包括排放模型系统 SMOKE、气象系统 MM5、通用多尺度空气质量模型系统 CMAQ(核心系统) 三个子系统。

Models-3 子系统介绍

使用 Models-3 进行大气质量模拟预测时,还需要根据当地情况和基础数据资料,进行参数调整和修正,使结果更加准确。可以看到,预测过程很复杂,但是预测系统建立更加复杂,Models-3 软件开发用了7年时间。

Models-3 子系统主要包含以下模块:

  • MM5MM5 模式是由美国大气研究中心( NCAR) 和美国宾州大学(PSU) 在MM4 基础上联合研制并发展起来的,是较先进的中尺度数值预报模式之一,已被广泛应用于各种中尺度现象的研究
    • 仿真区域网格资料(网格大小、网格尺寸等);
    • 仿真时间(Julia Date );
    • 垂直分层(Sigma Layer 为分层基准);
    • 地形资料(Lambert 投影法);
    • 气温、气压等气象资料;
  • SMOKE:排放源,它包含固定源、移动源、面源、生物源四大处理模块
  • CMAQ:在气象资料与排放库资料模块处理完毕之后,便进入 Models-3 的核心 CMAQ 模块处理。CMAQ 中,主要包含下列数个模块:
    • 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(CMAQ Chemical-transport model processor, CCTM),其中包括的机制:
      • 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;
      • 气溶胶干沉降速率仿真;
      • 模式流程分析模块;

名词解释

  • 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。
  • Bldmake Model Builder模型生成器
  • MCIP Meteorology-Chemistry Interface Processor气象化学接口处理器
  • PROCAN Process Analysis Preprocessor流程分析预处理器
  • CHEMMECH Chemical Mechanism Compiler化学机理编译器
  • LTNG_2D_DATA Lightning Data Preprocessor闪电数据预处理

相关链接

  1. CMAQ官网

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