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CMAQ用户手册 中文.pdf
CMAQ 空气质量模型用户手册
版本 5.0
CMAQ 中文用户手册为初稿，翻译单位尚未对语言及专业性进行审核，因
此本手册仅供用户参考，翻译单位不对其准确性负责。
本手册翻译纯属公益性工作，欢迎大家提出宝贵修改意见，以期通过社区
化的工作模式，共同完善。
不得用于商业传播
1
目录
第一章 声明............................................................................................................................. 8
第二章 前言............................................................................................................................. 9
第三章 介绍........................................................................................................................... 10
3.1 模型背景和目标 ...................................................................................................... 10
3.2 CMAQ 系统组件综述 .............................................................................................. 13
3.2.1 安装综述 ....................................................................................................... 13
3.2.2 配置选项 ....................................................................................................... 14
3.2.3 化学—传输模型概念公式 ........................................................................... 14
3.2.4 主要 CMAQ 程序总结介绍 ......................................................................... 15
3.3 CMAQ 针对应用用户(application users)的特性 .................................................... 18
3.4 CMAQ 针对空气质量模型开发者的特性 .............................................................. 18
3.5 CMAQ 版本 5.0 的新特色 ....................................................................................... 19
3.5.1 气溶胶模块 ................................................................................................... 19
3.5.2 气相化学 ....................................................................................................... 19
3.5.3 云模块 ........................................................................................................... 20
3.5.4 垂直扩散 ..................................................................................................... 20
3.5.5 垂直平流 ....................................................................................................... 21
3.5.6 闪电 NOx 的产生 ......................................................................................... 21
3.5.7 干沉降 ........................................................................................................... 21
3.5.8 结构性更新 ................................................................................................... 22
3.5.9 多污染物模拟 ............................................................................................... 22
3.5.10 双向耦合(Two-way Coupled)的 WRF-CMAQ .......................................... 22
3.6 CMAQ 版本 5.0 的不连续特色 ............................................................................... 22
3.7 CMAQ 版本 5.0 已知事项 ....................................................................................... 22
3.8 MCIP 版本 4.0 中的新特色 ..................................................................................... 22
3.9 关于此手册 .............................................................................................................. 23
3.10 （介绍章）参考文献 ............................................................................................ 24
第四章 CMAQ 模型系统的科学概述 .................................................................................. 26
4.1 实现 CMAQ 目标的特色 ........................................................................................ 27
4.1.1 多污染物和多尺度 ....................................................................................... 27
4.1.2 模块灵活性 ................................................................................................... 28
4.1.3 主要质量控制特性 ....................................................................................... 29
4.2 CMAQ 输入参数处理器 .......................................................................................... 29
4.2.1 MCIP:气象—化学接口处理器 ..................................................................... 30
4.2.2 ICON 和 BCON：初始和边界条件处理器 ................................................. 31
4.2.3 JPROC: 晴空光解速率计算器 ..................................................................... 32
4.2.4 CHEMMECH: 化学机理编译器 .................................................................. 33
4.2.5 PROCAN: 过程分析前处理器..................................................................... 34
4.2.6 LTNG_2D_DATA: 闪电计数前处理器 ....................................................... 35
4.2.7 CALMAP：作物历地图前处理器 ............................................................... 35
2
4.3 CMAQ 化学传输模型科学模块 ............................................................................. 36
4.3.1 气相化学求解程序 ....................................................................................... 36
4.3.2 光解 ............................................................................................................... 37
4.3.3 平流和扩散 ................................................................................................... 38
4.3.4 颗粒物（气溶胶） ....................................................................................... 39
4.3.5 云和液相化学 ............................................................................................... 41
4.3.6 沉降 ............................................................................................................... 41
4.3.7 排放 ............................................................................................................... 42
4.3.8 过程分析 ....................................................................................................... 42
4.4 CMAQ 用户界面 ...................................................................................................... 42
4.5 本章参考文献：科学综述 ...................................................................................... 43
第五章 CMAQ 系统需求与安装 ......................................................................................... 46
5.1 系统推荐 .................................................................................................................. 46
5.1.1 硬件 ............................................................................................................... 46
5.1.2 软件 ............................................................................................................... 47
5.2 安装 CMAQ 源代码 ................................................................................................ 50
5.2.1 发布内容 ....................................................................................................... 50
5.2.2 CMAQ 目录结构的说明 ............................................................................... 50
5.2.3 配置你的系统来编译 CMAQ ...................................................................... 51
5.3 校准 .......................................................................................................................... 54
5.3.1 为基准测试案例模拟编译 CMAQ .............................................................. 56
5.3.2 运行 CMAQ 基准模拟 ................................................................................. 57
5.3.3 校准 CMAQ .................................................................................................. 58
第六章 所需库文件 ............................................................................................................... 60
6.1 输入/输出应用程序接口（I/O API） ..................................................................... 60
6.1.1 文件、逻辑名和物理名 ............................................................................... 61
6.1.2 I/O API 数据结构和数据文件类型 .............................................................. 61
6.1.3 在 I/O API 中打开/创建数据文件 ............................................................... 63
6.1.4 使用 I/O API 读取数据文件 ........................................................................ 64
6.1.5 使用 I/O API 写数据文件 ............................................................................ 65
6.1.6 与 CMAQ 相关的 I/O API 工具 .................................................................. 66
6.2 网格公用数据格式(netCDF)................................................................................... 67
6.3 信息传递接口库（MPICH） ................................................................................. 67
6.4 本节的参考文献：所需库文件 .............................................................................. 67
第七章 CMAQ 程序与库文件 .............................................................................................. 69
7.1 综述 .......................................................................................................................... 69
7.2 BCON........................................................................................................................ 71
7.2.1 介绍 ............................................................................................................... 71
7.2.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................... 72
7.3 Calmap ...................................................................................................................... 77
7.3.1 介绍 ............................................................................................................... 77
7.3.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................... 77
7.3.3 Calmap 输入文件 .......................................................................................... 78
3
7.3.4 Calmap 编译 .................................................................................................. 78
7.3.5 Calmap 执行选项 .......................................................................................... 78
7.3.6 Calmap 输出文件 .......................................................................................... 79
7.4 CCTM ....................................................................................................................... 79
7.4.1 介绍 ............................................................................................................... 79
7.4.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................... 80
7.5 CHEMMECH 和 CSV2NML ................................................................................... 98
7.5.1 介绍 ............................................................................................................... 98
7.5.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................... 98
7.6 ICON ....................................................................................................................... 101
7.6.1 介绍 ............................................................................................................. 101
7.6.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................. 102
7.7 JPROC ..................................................................................................................... 107
7.7.1 介绍 ............................................................................................................. 107
7.7.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................. 108
7.8 LTNG_2D_DATA ................................................................................................... 111
7.8.1 介绍 ............................................................................................................. 111
7.8.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................. 112
7.9 MCIP ....................................................................................................................... 115
7.9.1 介绍 ............................................................................................................. 115
7.9.2 文件、配置和环境变量 ............................................................................. 116
7.10 PARIO ................................................................................................................... 121
7.10.1 介绍 ........................................................................................................... 121
7.10.2 文件、配置和环境变量 ........................................................................... 121
7.11 PROCAN ............................................................................................................... 122
7.11.1 介绍 ........................................................................................................... 122
7.11.2 文件、配置和环境变量 ........................................................................... 122
7.12 STENEX ............................................................................................................... 131
7.12.1 介绍 ........................................................................................................... 131
7.12.2 文件、配置和环境变量 ........................................................................... 131
7.13 本章参考文献：CMAQ 程序和库 ..................................................................... 132
第八章 CMAQ 文件 ......................................................................................................... 134
8.1 CMAQ 输入文件 .................................................................................................... 134
8.1.1 GRIDDESC: 水平域定义 ........................................................................... 137
8.1.2 [gc|ae|nr|tr]_matrix.nml: 物种名单文件 ..................................................... 140
8.1.3 IC_PROFILE: 初始条件垂直廓线 ............................................................. 142
8.1.4 BC_PROFILE: 边界条件垂直廓线 ........................................................... 144
8.1.5 CTM_CONC_1: CCTM 浓度文件 .............................................................. 146
8.1.6 CSQY: 吸收截面积和量子产额 ................................................................ 147
8.1.7 ET: 地球外辐射 .......................................................................................... 148
8.1.8 PROFILES: 大气垂直廓线 ........................................................................ 150
8.1.9 TOMS: 臭氧总量绘图数据 ........................................................................ 152
8.1.10 O2ABS: 分子氧吸收截面积数据 ............................................................ 152
8.1.11 O3ABS: 臭氧吸收截面积数据 ................................................................ 153
4
8.1.12 InMetFiles: MM5 或 WRF-ARW 输出文件列表 ..................................... 153
8.1.13 InTerFile: MM5 地形文件 ......................................................................... 153
8.1.14 InSatFiles: GOES 云数据文件 .................................................................. 153
8.1.15 BNDY_CONC_1: 边界条件 .................................................................... 153
8.1.16 INIT_CONC_1: 初始条件 ........................................................................ 154
8.1.17 JTABLE: 光解速率查找表 ....................................................................... 154
8.1.18 OMI: 臭氧监测仪器柱数据 ..................................................................... 158
8.1.19 EMIS_1: 排放 ........................................................................................... 159
8.1.20 OCEAN_1: 海盐遮盖 ............................................................................... 160
8.1.21 GSPRO: 物种廓线 .................................................................................... 160
8.1.22 B3GRD: 网格化标准生物排放 ................................................................ 160
8.1.23 BIOSEASON: 冰冻日期 .......................................................................... 160
8.1.24 STK_GRPS_##: 烟囱组 ........................................................................... 161
8.1.25 STK_EMIS_##: Point source emissions .................................................... 161
8.1.26 DUST_LU_1: Gridded land cover/land use ............................................... 161
8.1.27 DUST_LU_2: 网格化土地覆盖/土地使用 .............................................. 162
8.1.28 CROPMAP01: 网格化种植开始日期 ...................................................... 162
8.1.29 CROPMAP04: 网格化种植结束日期 ...................................................... 163
8.1.30 CROPMAP08: 网格化收获结束日期 ...................................................... 163
8.1.31 LTNGNO: 闪电 NOx 排放 ....................................................................... 163
8.1.32 LTNGPARM_FILE: 闪电参数文件 ......................................................... 163
8.1.33 B4LU_file – 部分作物分布................................................................... 164
8.1.34 E2C_Soilfile – EPIC 土壤性质 .............................................................. 164
8.1.35 E2C_Fertfile – EPIC 作物类型和施肥 .................................................. 164
8.1.36 INIT_MEDC_1 – 土壤初始条件文件 .................................................. 164
8.1.37 GRID_CRO_2D: 二维网格交叉点字段 .................................................. 165
8.1.38 GRID_DOT_2D: 二维网格单点字段 ...................................................... 165
8.1.39 MET_BDY_3D: 三维气象边界输入 ....................................................... 165
8.1.40 MET_CRO_2D: 二维气象交叉点字段 ................................................... 166
8.1.41 MET_CRO_3D: 三维气象交叉点字段 ................................................... 168
8.1.42 MET_DOT_3D: 三维气象单点字段 ....................................................... 168
8.2 基础 CCTM 输出文件 .......................................................................................... 169
8.2.1 CMAQ 输出日志 ......................................................................................... 169
8.2.2 CONC: CCTM 小时瞬时浓度文件 ............................................................ 169
8.2.3 CGRID: CCTM 重启文件 ........................................................................... 170
8.2.4 ACONC: CCTM 小时平均浓度文件 .......................................................... 170
8.2.5 DRYDEP: CCTM 小时累积干沉降文件 .................................................... 170
8.2.6 WETDEP: CCTM 小时累积湿沉降文件 ................................................... 170
8.2.7 AEROVIS: CCTM 小时瞬时能见度度量 .................................................. 171
8.3 诊断和先进 CMAQ 输出文件 .............................................................................. 171
8.3.1 AERODIAM: 瞬时小时气溶胶粒径文件.................................................. 171
8.3.2 WETDEP2: CCTM 云诊断文件 ................................................................. 171
8.3.3 DEPV_DIAG: CCTM 嵌入沉降诊断文件 ................................................. 171
8.3.4 SSEMIS: 海盐排放诊断文件 ..................................................................... 171
5
8.3.5 B3GTS_S: 生物排放诊断文件 .................................................................. 172
8.3.6 SOILOUT..................................................................................................... 172
8.3.7 DUST_EMIS ................................................................................................ 172
8.3.8 LTNGOUT ................................................................................................... 172
8.3.9 PT3D_DIAG ................................................................................................ 172
8.3.10 PLAY_SRCID ............................................................................................ 172
8.3.11 INIT_MEDC_1 .......................................................................................... 172
8.3.12 RJ: 嵌入式光解输出——网格化光解速率 ............................................. 172
8.3.13 PA: 过程分析输出——综合过程速率文件 ............................................ 172
8.3.14 IRR: 过程分析输出——综合反应速率 .................................................. 173
第九章网格、层、域和化学变化定义 ............................................................................... 174
9.1 支持的 CMAQ 坐标系 .......................................................................................... 174
9.2 水平网格 ................................................................................................................ 174
9.2.1 使用预定义的水平网格 ............................................................................. 175
9.2.2 创建或修改水平网格 ................................................................................. 175
9.2.3 关于水平网格的更多信息 ......................................................................... 176
9.3 垂直层 .................................................................................................................... 176
9.3.1 垂直层分辨率 ............................................................................................. 176
9.3.2 关于垂直层的更多信息 ............................................................................. 177
9.4 化学机理 ................................................................................................................ 177
9.4.1 使用预定义的化学机理 ............................................................................. 177
9.4.2 创建或修改化学机理 ................................................................................. 178
9.4.3 使用物种名单文件 ..................................................................................... 179
9.4.4 关于化学机理的更多信息 ......................................................................... 179
第十章 CMAQ 进行新的模拟实验 .................................................................................... 180
10.1 模型创建的总体介绍 .......................................................................................... 180
10.2 配置新模拟 .......................................................................................................... 181
10.2.1 定义新的水平网格 ................................................................................... 181
10.2.2 定义新的垂直层结构 ............................................................................... 182
10.2.3 设置新事件时间段 ................................................................................... 182
10.2.4 初始和边界条件 ....................................................................................... 183
10.2.5 输入/输出文件名和位置 .......................................................................... 184
10.2.6 科学选项配置 ........................................................................................... 185
10.3 参考文献 .............................................................................................................. 186
第十一章代码组织与开发 ................................................................................................... 187
11.1 源代码管理 .......................................................................................................... 187
11.1.1 配置管理工具的必要性 ........................................................................... 187
11.1.2 CVS 解释 ................................................................................................... 188
11.1.3 CVS 库 ....................................................................................................... 188
11.2 开发新 CMAQ 源代码指南 ................................................................................ 190
11.2.1 面向对象理念 ........................................................................................... 190
11.2.2 全局命名数据表 ....................................................................................... 190
11.2.3 瘦接口（Thin Interface） ........................................................................ 191
6
11.2.4 编码指南 ................................................................................................... 191
11.2.5 文档指南 ................................................................................................... 192
11.2.6 科学过程代码模板 ................................................................................... 193
11.3 使用新源代码编译 CMAQ ................................................................................. 202
11.4 编写 CMAQ Shell 脚本的指南 ........................................................................... 203
11.5 测试和发布开发源代码 ...................................................................................... 209
11.6 参考文献 .............................................................................................................. 210
第十二章用于 CMAQ 的分析工具 .................................................................................... 211
12.1 CMAQ 实用工具 .................................................................................................. 211
12.2 M3tools ................................................................................................................. 213
12.3 环境数据的分析和可视化程序包（PAVE） .................................................... 215
12.4 丰富数据解读的可视化环境（VERDI） .......................................................... 216
12.5 大气模型评估工具（AMET）........................................................................... 217
12.6 netCDF 算子(NCO) .............................................................................................. 218
12.7 Python ioapiTools（输入输出 API 工具） ......................................................... 220
12.8 综合数据查看器(IDV) ........................................................................................ 220
12.9 NCAR 命令语言(NCL) ........................................................................................ 221
第十三章 CMAQ 技术支持 ............................................................................................... 223
13.1 CMAS 中心 .......................................................................................................... 223
13.1.1 CMAS 功能 .............................................................................................. 223
13.1.2 CMAS 社区 ............................................................................................... 224
13.1.3 为什么需要 CMAS？ .............................................................................. 224
13.2 取得 CMAQ 的帮助 ............................................................................................ 224
13.2.1 文档 ........................................................................................................... 225
13.2.2 交互资源 ................................................................................................... 225
13.2.3 教程/训练 .................................................................................................. 225
13.2.4 E-mail 支持 ................................................................................................ 225
13.3 联系 CMAS ......................................................................................................... 226
附录 A-CMAQ 化学变化与物种........................................................................................ 227
词汇表................................................................................................................................... 230
7
第一章 声明
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中心（Community Modeling and Analysis System Center）评审；这一内容还没有经过 EPA 批
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