HYSPLIT后向轨迹模式应用

HYSPLIT后向轨迹模式应用中国气象科学研究院大气成分研究所王亚强（2015年12月）第2期环境气象业务培训试点班授课内容HYSPLIT模式介绍HYSPLIT模式运行TrajStat及相关软件HYSPLIT (Hybrid Single‐Particle LagrangianIntegrated Trajectory Model)•HYSPLIT模式可以用来计算简单的气团轨迹以及模拟复杂的扩散和沉积。•最初是由NOAA和澳大利亚气象局合作开发的，主要开发者是Roland Draxler。•网络版和PC版。•网站： 发展历史1.0 ‐1982采用声雷达资料和边界层混合系数(白天/夜晚)2.0 ‐1983采用声雷达资料和连续的垂直扩散系数3.0 ‐1987模式格点资料，并对近地层资料进行插值4.0 ‐1996支持多种气象数据、发展综合的粒子、烟团模型(NOAA Technical Memo ERL ARL‐224)4.0 ‐1998               从服务器版到PC版的发展4.1 ‐1999               短期模拟引入各向同性的湍流参数化方案4.2 ‐1999               采用sigma和多项式方法的地形坐标4.3 ‐2000               修改垂直扩散参数化方案4.4 ‐2001               动态数组调用，支持经纬度格点4.5 ‐2002               加入扩散集合预报、矩阵和源解析扩散预报4.6 ‐2003               引入非均一湍流订正和沙尘模拟4.7 ‐2004               引入湍流方差、TKE和新的邻近预报方程4.8 ‐2006               与CMAQ的兼容性, 扩展集合预报选项、烟羽抬升、Google earth和轨迹集合预报等4.9 –2009               耦合了全球欧拉模式HSYPLIT中假定质点的轨迹是随着风场而运动的，轨迹是质点在空间和时间上的积分。质点所在位置的矢量速度在时间和空间上都是线性插值得出的，其具体计算公式如下：P'(t+ Δ t)=  P(t)   + V(P,t) Δt P(t+Δt) =  P(t) + 0.5 [ V( P,t) + V(P',t+Δt) ] Δt其中下时刻指点的位置是由上一时刻的平均速度和第一猜值所在点的速度平均后与时间步长的乘积而得到的。其中积分时间步长是变化的（1分钟–1小时），满足如下公式：Umax(grid‐units min‐1)Δt (min)0.75 (grid‐units), HYSPLIT扩散轨迹计算方法特征:在粒子路径上求解方程只需要计算粒子周围格点适合于点源模拟多点源模拟会大大影响计算效率特征:采用平流扩散方程；所有格点上均需要求解偏微分方程扩散过程是浓度梯度的函数适合于多污染源、多化学转化对于点源会引入虚假扩散欧拉方法vs. 拉格朗日方法烟团模型:污染源每隔一段时间释放一个烟团每个烟团包括一定质量的污染物烟团沿着其中心点轨迹移动烟团随着时间而膨胀当烟团大小超过格点分辨率时，发生分裂烟团内污染物均匀分布粒子模型:污染源以特征速率释放多个粒子粒子的速度是所在格点的平均风场加上一个随机变量跟踪每一个粒子的轨迹格点上污染物浓度即为该格点内所有粒子的总和拉格朗日烟团模型vs. 拉格朗日粒子模型Hybrid水平：烟团垂直：粒子下图是3D粒子随机游走（左图）和分裂烟团扩散模型（右图）粒子轨迹和烟团中心点轨迹的模拟结果对比图。由于分裂烟团扩散模型其烟团的运动轨迹没有引入随机变量，因此，其水平扩散形态主要以风向方向上的直线扩散为主，而3维粒子模型的扩散范围要大得多，在直线附近都有粒子的存在。从左图的三维扩散模型可看到，在垂直方向上，其粒子可扩散至混合层500米高度上空，比烟团模式其烟团中心点轨迹要高。3D粒子随机游走模型分裂烟团扩散模型三维粒子随机游走与分裂烟团扩散模型差别在三维粒子扩散模型中，浓度的计算时通过计算在某个格点内粒子的数量来得到。HYSPLIT模式中，不同扩散模型的浓度计算方法如下：3DParticle:ΔC=q(ΔxΔyΔz)-1Top-Hat:ΔC=q(Πr2Δz)-1Gaussian:ΔC=q(2Πσh2Δz)-1e-0.5x2/σh2在烟团扩散模型中，每个格点的浓度是通过取样点矩阵来实现的，例如某个烟团，仅仅当它经过取样点的时候，才对这个格点有浓度的贡献。所以，当烟团位于两个取样点之间时，烟团对浓度的计算是没有贡献的。Top-Hat:ΔC=q(Πr2Δzp)-1Gaussian:ΔC=q(2Πσh2Δzp)-1e-0.5x2/σh2三维粒子扩散模型与烟团扩散模型浓度计算方法左图是3维粒子扩散模型水平分布模拟结果，右图是分裂烟团扩散模型模拟结果。由图可知，分裂烟团扩散模型的模拟水平分布更加光滑，在初期扩散范围要大一些。对于三维粒子扩散模型，其水平扩散的范围增加很快。边缘的“噪音”表明粒子的个数大于5000，一般而言在对大气扩散的模拟过程中，粒子的个数应足够大，以保证用粒子来模拟污染物的水平分布具有足够代表性。3DParticleDistributionTop-hatPuffCenterPositions三维粒子扩散模型与烟团扩散模型模拟结果对比Draxler, R.R., and G.D. Hess, 1998, An overview of the HYSPLIT_4 modelling system for trajectories, dispersion, and deposition. Australian Meteorological Magazine, 47: 295‐308.•轨迹模拟–Draxler,R.R.,1991,TheaccuracyoftrajectoriesduringANATEXcalculatedusingdynamicmodelanalysesversusrawinsondeobservations.J.Appl.Meteorol.30:1446‐1467.–Draxler,R.R.,R.Dietz,R.J.Lagomarsino,andG.Start,1991,AcrossNorthAmericaTracerExperiment(ANATEX):Samplingandanalysis.Atmos.Environ.25A:2815‐2836.–Draxler,R.R.,1979,Modelingtheresultsoftworecentmesoscaledispersionexperiments.Atmos.Environ.13:1523‐1533.•沙尘模拟–Wang,Y.Q.,Stein,A.F.,Draxler,R.R.,Rosa,J.D.d.l.andZhang,X.Y.,2011.Globalsandandduststormsin2008:ObservationandHYSPLITmodelverification.AtmosphericEnvironment,45(35):6368‐6381.–Escudero,M.,A.Stein,R.R.Draxler,X.Querol,A.Alastuey,S.Castillo,andA.Avila(2006),DeterminationofthecontributionofnorthernAfricadustsourceareastoPM10concentrationsoverthecentralIberianPeninsulausingtheHybridSingle‐ParticleLagrangianIntegratedTrajectorymodel(HYSPLIT)model,,J.Geophys.Res.,,111,D06210,doi:10.1029/2005JD006395.–Draxler,R.R.,D.A.Gillette,J.S.Kirkpatrick,andJ.Heller,2001,EstimatingPM10airconcentrationsfromduststormsinIraq,Kuwait,andSaudiArabia,Atm.Environ.,35,4315‐4330.•对流层臭氧、二氧化硫、苯的模拟–Rolph,G.D.,R.R.Draxler,andR.G.dePena,1992,ModelingsulfurconcentrationsanddepositionsintheUnitedStatesduringANATEX.Atmos.Environ.,26A:73‐93.–Stein,A.F.,D.Lamb,andR.R.Draxler,2000,Incorporationofdetailedchemistryintoathree‐dimensionalLagrangian‐Eulerianhybridmodel:applicationtoregionaltroposphericozone,Atm.Environ.,34,4361‐4372.–Draxler,R.R.2000,MeteorologicalFactorsofOzonePredictabilityatHouston,Texas,J.AirandWasteManagementAssoc.,50:259‐271.–Stein,A.F.,V.Isakov,J.Godowitch,R.R.Draxler(2007),Ahybridmodelingapproachtoresolvepollutantconcentrationsinanurbanarea,AtmosphericEnvironment41:9410‐9426.•火山喷发–Stunder,B.J.B.,J.L.Heffter,R.R.Draxler(2007),AirborneVolcanicAshForecastAreaReliability,WeatherandForecasting,22:1132‐1139,DOI:10.1175/WAF1042.1•森林火灾–GlennD.Rolph,RolandR.Draxler,ArielF.Stein,AlbionTaylor,MarkG.Ruminski,ShobhaKondragunta,JianZeng,Ho‐ChunHuang,GeoffreyManikin,JefferyT.McQueen,andPaulaM.Davidson(2009),DescriptionandVerificationoftheNOAASmokeForecastingSystem:The2007FireSeasonWeatherandForecasting,24:361‐378,DOI:10.1175/2008WAF2222165.1•汞–Cohen,M.,R.Artz,R.Draxler.2007NOAAReporttoCongress:MercuryContaminationintheGreatLakes.AirResourcesLaboratory,SilverSpringMD.SubmittedtoCongressonMay14,2007.162pages.–Cohen,M.,Artz,R.,Draxler,R.,Miller,P.,Poissant,L.,Niemi,D.,Ratte,D.,Deslauriers,M.,Duval,R.,Laurin,R.,Slotnick,J.,Nettesheim,T.,andMcDonald,J.,2004,ModelingtheatmospherictransportanddepositionofmercurytotheGreatLakes,Environmenta