WRF-Chem模式介绍完整版

第二章WRF-Chem模式介绍WRF-Chem模式是由美国NOAA预报系统实验室（FSL）开发的，气象模式（WRF）和化学模式（Chem）在线完全耦合的新一代的区域空气质量模式。图2.1给出了WRF-Chem的流程框架图。WRF-chem包含了一种全新的大气化学模式理念。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。有别于这之前的大气化学模式，如SAQM模式、CALGRID模式、MODEL3-CAMQ模式等，它们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。事实上，在实际大气中化学和气象过程是同时发生的，并且能够互相影响，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，而气温、云和降水对化学过程也有非常强烈的影响。因此，WRF-Chem能够模拟再现一种更加真实的大气环境。最初版本的WRF-chem在2002年推出，目前的版本为V3.1（2009年4月16日），本文所采用的是WRF-chemV3.0。图2.1WRF-Chem流程图（来自WRF-ChemV3用户手册）WRF(WeatherResearchForecast,Skamarocketal.,2008)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。WRF模式是一个可用来进行1至10公里内高分辨率模拟的数值模式，同时，也是一个可以做各种不同广泛应用的数值模式，例如：业务单位正规预报、区域气候模拟、空气质量模拟，理想个例模拟实验等。故此模式发展的主要目的是改进现有的中尺度数值模式，例如：MM5(NCAR)、ETA(NCEP/NOAA)、RUC(FSL/NOAA)等，希望可以将学术研究以及业务单位所使用的数值模式整合成单一系统。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。化学模式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，并且每一个过程也都是高度模块化的，有利于模式的扩展和维护，也有利于用户选择最合适自己的方案。以下对各部分的处理作一个简单介绍。2.1输送WRF-chem使用的是质量坐标框架，平流输送的处理保持质量和标量的守恒的，空间上采用5阶或6阶差分，时间上采用3阶Runge-Kutta分裂显式差分。湍流输送使用2.5阶的Mellor-Yamada闭合方案。2.2干沉降WRF-chem中各种痕量气体和气溶胶的干沉降通量的计算使用三层阻力（空气动力学阻抗、次表层阻抗和表面阻抗）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、活性气体的可溶性和化学活性。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态的形式存在，干沉降使用了Erisman等（1994）提出的方案。k阶距多粒径分布气溶胶的干沉降速度dkv可以表示为：1()dkadkadkGkGkvrrrrvv（2.1）（2.1）式中ar为表面阻抗，Gkv为重力沉降速度，dkr为布朗扩散率。2.3自然源排放WRF-chem包含了一种完全在线的自然源排放计算方案及两种半在线的方案。其中在线计算方案采用了Guenther等(1993,1994),Simpson等(1995)和Schoenemeyer等(1997)的参数化方案，包含了异戊二烯、单萜烯、其他VOC以及土壤氮的排放。该方案中生成的单萜烯和其他VOC按RADM2的物种进行拆分。森林异戊二烯的排放依赖于温度和有效光合辐射通量。Guenther等（1993）给出了异戊二烯排放的参数化方案，其排放率正比于标准温度和标准有效光合辐射通量下的排放率。农田和草地异戊二烯的排放仅仅考虑为温度的函数。单萜烯、其他VOC和氮的排放也仅仅考虑为温度的函数。其他VOC的排放目前了解的比较少，因此它使用了和单萜烯相同的温度修正系数(Guenther,etal.,1994)。Grell等(2000)给出了标准温度和标准光合作用有效辐射通量下的排放率，其中落叶林、针叶林和混合林的排放采用Guenther等(1994)，农田和草地的排放采用Schoenemeyer等(1997)。由于使用了RADM2机制，所有氮的排放都当成是NO，这是一种过高估计，因为忽略了N2O的排放。2.4光分解计算WRF-Chem目前主要包含了两种光分解计算方案：TUV和FAST-J。TUV(Madronichetal.,1987)光分解速率的计算方案考虑了21个物种的光分解反应。对应于波长、物种i的光分解系数iJ，取决于反应物分子的特性，如吸收系数()i和量子产率()i。(,)()()iAiiJId（2.5）式中(,)AI为入射通量，它的计算使用了Wiscombe的辐射传输模式，考虑了O2和O3的吸收、雷利散射、气溶胶粒子和云的散射和吸收。吸收系数()i和量子产率()i的计算采用了Stockwell等（1990）给出的方案。FAST-J(Wild,etal.,2000)利用每个尺度段粒子的数浓度、折射指数以及湿半径，根据米散射理论分别计算了在300、400、600和999nm波长下的光学厚度、单次散射反照率0和不对称因子g（气溶胶光学特性的计算参考本文的2.4），然后再计算气体的光分解速率。它充分考虑了计算的效率和精度，可以在三维化学输送模式中使用。Barnard等（2004）对在亚利桑那州、菲尼克斯、得克萨斯州和休斯敦观测的与FAST-J计算的NO2光分解速率进行了比较，结果显示不论在晴空还是有云大气情况下，模拟值都在观测值的误差范围之内，显示出了很好的一致性。2.5气相化学机制WRF-Chem目前可选择4个光化学机制，它们分别为RADM2(Stockwelletal.,1990),RACM,CBM4(Geryetal.,1989)和CBMZ(ZaveriandPeters,1999)。RADM2机制是第二版本的区域酸性沉降机制，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。RADM2中无机物包括14个稳定物种，4个活泼的中间物种和3个足量稳定物种（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。使用一种准稳态近似（QSSA）的方法求解22个诊断物种、38个预报物种的浓度。38个预报物种的浓度变化速率方程的计算使用后向欧拉差分方案。RACM机制。。。。。。。CBM4机制是一种按结构集成的浓缩机制，该机制包含了33个反应物种以及81个反应。所有参与反应的物种被分为4大类：无机盐物种，明确对待的有机物种，按碳碳键结构集成的有机物种和按分子量集成的有机物种。无机盐化学是完全明确对待的，没有物种的集成。明确对待的有机物种包含了甲醛，乙烯和异戊二烯。碳键集成物种描述了不同类型的化学碳键。CBMZ基于CBM4，它包含了55个预报物种和134个光化学反应。CBMZ在CBM-IV的基础上增加了过氧烷基和过氧酰基的相互作用以及它们与硝基的反应；增加了长寿命的有机硝酸盐和过氧化氢物的反应机制；明确对待了不活泼的烷烃如甲烷、乙烷；修订了无机化学、异戊二烯化学以及活泼的烷烃、烯烃和芳香烃的化学反应；耦合了海洋二甲基硫(DMS)的排放及其化学反应。CBMZ使用一种体制依赖方法，该方法把化学动力学机制区分为背景的、人为源的和自然源的三种亚机制，这样可以全面缩减计算时间。Jiang等（2002）和Fast等（2002）分别从城市和区域尺度对CBMZ的空气质量模拟效果作了评估。2.6气溶胶参数化WRF-Chem目前包含了两个气溶胶计算方案，分别为MADE/SORGAM和MOSAIC（Zaveri,etal.,2005a,b）。2.6.1MADE/SORGAM欧洲气溶胶动力学模式MADE是由区域颗粒物模式PPM发展而来的，能够提供详细的关于粒子化学组成、尺度分布以及影响粒子数浓度的动力学过程的信息。早期版本的MADE仅限于亚微米量级的无机盐和水组成的气溶胶，进一步改进引入了MODELS/CMAQ模式系统的气溶胶部分，使得MADE包含了粗模态粒子及更详细的细颗粒化学组成的描述。Schell等（2001）把二次有机气溶胶（SOA）加入到了MADE中，即二次有机气溶胶模式（SORGAM）。亚微米气溶胶的尺度分布分为两个相互重叠的模态，各个模态满足对数正态分布。22(lnln)1(ln)exp[]2ln2lnppgpggddNnd（2.2）式中N为粒子的数浓度，pd为粒子直径，pgd为中值直径，g为尺度分布的标准偏差。尺度分布的k阶距kM定义为：(ln)(ln)kkpppMdnddd（2.3）将（2.2）式代入（2.3）式可得22exp[ln]2kkpggkMNd（2.4）二次气溶胶最重要的形成过程是在硫酸-水系统中的均相核化，计算采用Kulmala等(1998)给定的方法。粒子的凝结增长分为两步，一是化学反应产生可凝结的蒸汽，二是挥发性物种在气溶胶表面的凝结和蒸发。在MADE中忽略了开尔文效应，对于连续的和自由分子的机制，允许kM随时间变化的计算。这个变率及它的标准偏差的数学表达式可参考Binkowski等（1995）。MADE中假定在粒子碰并过程中，粒子仍然满足对数正态分布。此外，仅仅考虑了由于布朗运动引起的碰并。碰并过程的数学表达式可参考Whitby等（1997）和Binkowski等（1995）。无机盐化学基于MARS。Binkowski等（1995）对它作了改进，利用热力学平衡的方法来计算硫酸盐/硝酸盐/氨盐/水气溶胶的化学组成。根据铵离子和硫酸根离子的比值，考虑了两种机制：当比值小于2时，模式处理为氢离子摩尔浓度的三次多项式，如果有足够的水和液态氨，硝酸盐溶解计算，对离子态大于50，假定硝酸盐不存在；当比值大于等于2时,所有硫酸盐都假定为硫酸铵并在有水存在的条件下计算。活度系数的计算采用Bromley的方法。有机化学基于SORGAM。SORGAM中假定SOA之间相互作用，使用了一种准理想的处理方法。气粒转化使用了Odum等（1996）的参数化方法。由于缺乏活度系数的信息，所有的活度系数都假定为1。SORGAM分开考虑人为源和自然源产生的前体物对SOA的贡献，它是为RACM气相化学机制设计的。如果采用RADM2机制，自然源SOA以及对应的前体物浓度则设定为0。2.6.2MOSAICMOSAIC采用分段的方法来对待气溶胶的尺度分布，尺度段的数目是灵活可变的，WRF-Chem中目前分8个或4个谱段来表征气溶胶粒子的尺度分布，表1为8个尺度段干气溶胶的尺度范围。MOSAIC中包含了硫酸盐、硝酸盐、铵盐、钠盐、氯盐、其他无机盐、有机碳、元素碳、水以及钙盐等气溶胶，它使用气溶胶多组分平衡方法(MESA,Zaveri,etal.,2005b)和多组分的泰勒扩展方法(MTET,Zaveri,etal.,2005a)来模拟硫酸盐、硝酸盐、铵盐、钠盐、钙盐、氯盐和水气溶胶的热力学平衡。气相到颗粒相的质量输送和凝结采用的是自适应时间分裂式欧拉方法(ASTEEM)，它是一种动态的方法，不同粒子尺度段或尺度群粒子的气粒转化的时间特征量相近。通常解气粒转化微分方程使用一种有效的时间分裂方法，这种方法不需要体积平衡假定或