CALPUFF 空气质量模型.pdf-资料库

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CALPUFF 空气质量模型技术导则 (Version 5) 中国环境科学研究院

目录 1 简介 ............................................................................................................................................. - 1 - 1.1 CALPIUFF 模型概述 ................................................................................................................ 1.2 CALPUFF 模型系统（ CALPUFF M ODELING SYSTEM ） ....................................................... - 3 - - 1 - 2 CALMET 气象模型 ....................................................................................................................... - 4 - 2.1 CALMET 气象场原理 ............................................................................................................... - 4 - 2.2 技术研究 ................................................................................................................................... 2.3 微气象模块（ M ICROMETEOROLOGICAL M ODEL） ................................................................... - 9 - 2.4 CALMET 模块所需输入的数据及计算机格式要求（ REQUIREMENTS ） ........................................................................................................................... SUMMARY OF DATA AND COMPUTER - 4 - - 13 - 3 CALMET 模块使用说明 .............................................................................................................. - 14 - 3.1 控制文件（ CALMET.INP ）的建立 ...................................................................................... 3.2 CALMET 外部输入文件 ......................................................................................................... - 14 - - 16 - 3.3 CALMET 的输出文件（ CALMET.DAT ） ............................................................................ - 23 - 4CALPUFF 烟团扩散模块 ............................................................................................................. - 26 - 4.1 CALPUUFF 烟团扩散模型简介 ............................................................................................. - 26 - 4.2 CALPUFF 模块特征及其中的选项 ........................................................................................ 4.3 技术研究 ................................................................................................................................. 4.4 CALPUFF 烟团扩散模型 ........................................................................................................ 4.5 CALPUFF 模块使用说明 ........................................................................................................ - 26 - - 28 - - 43 - - 44 - 5 CALPOST 后处理模块 ................................................................................................................ - 60 - 5.1 CALPOST 模块的介绍及选项 ............................................................................................... 5.2 CALPOST 模块的输入文件及输出文件 ................................................................................ - 60 - - 60 - I

1 简介 1.1 CALPIUFF 模型概述空气质量扩散模式研究方法基本上是在把握城市下垫面特征和气象场特征的基础上，掌握各种类型的污染物排放源资料，进而运用边界层湍流扩散理论及大气化学理论确立污染物迁移、扩散和转化的规律。目前空气质量扩散模式的种类繁多，应用时首先通过对关心的污染源和污染物、模拟的时空范围及分辨率、模拟区域的下垫面特征几个方面选择空气质量扩散模式，如在时空范围方面，对于小尺度的空气质量模拟，一般只需考虑大气的扩散稀释作用，而对于中、大尺度的空气污染，则还需考虑污染物的化学转化和干、湿沉积等其它物理化学过程。 CALPUFF 模型是美国 EPA 推荐的由 Sigma Research Corporation （现在是 Earth Tech, Inc的子公司）开发的空气质量扩散模式，它由 CALMET 气象模块、 CALPUFF 烟团扩散模块和 CALPOST 后处理模块三部分组成。 CALPUFF 是用于非定常、非稳态的气象条件下，模拟污染物扩散、迁移以及转化的多层、多物种的高斯型烟团扩散模式，它模拟的尺度可以从几十米到几百公里，在近距离模式可以处理如建筑物下洗、浮力抬升、动力抬升、部分烟羽穿透和海陆交互影响等过程，在远距离可以处理如干、湿沉降，化学转化，垂直风修剪和水上输送等污染物清除过程。模式可以处理逐时变化的点源、面源、线源、体源等污染源，可选择模拟小时、天、月以及年等多种平均模拟时段，模式内部包含了化学转化、干湿沉降等污染物去除过程，充分考虑下垫面的影响，输出结果主要包括逐时的地面网格和各指定受体点的污染物浓度。应用 CALPUFF 扩散模式对空气质量进行模拟时，主要是通过： ① CALMET 气象模块通过质量守恒连续方程对风场进行诊断，在输入模式所需的常规气象观测资料或大型中尺度气象模式输出场后，自动计算并生成包括逐时的风场、混合层高度、大气稳定度和微气象参数等的三维风场和微气象场资料； ② CALPUFF 烟团扩散模块通过对 CALMET 输出的气象场与相关污染源资料的叠加，在考虑到筑物下洗，干、湿沉降，化学转化，垂直风修剪等污染物清除过程情况下，模拟污染物的传播及输送； ③ 通过 CALPOST 后处理模块输出所需结果来完成的。具体路线见图 1－1。 - 1 -

其中， CALPUFF 烟团扩散模块是整个 CALPUFF 空气质量扩散模型的核心部分。 CALMET.INP Gridded Hourly Wind Fields (CALMET.DAT) CALPUFF.INP Predicted Concentration Fields (CONC.DAT) Predicted Dry Flux Fields (DFLX.DAT) Relative Humidity Data for Visibility Calculations (VISB.DAT) Predicted Concentration Fields (CONC.DAT) CALPUFF Output List File (CALPUFF.LST) CALPOST Postprocessor Output List File (CALPOST.LST) 图 1－1 CALPUFF 模型技术流程 - 2 -

1.2 CALPUFF 模型系统（ CALPUFF Modeling System ）在 CALPUFF 模型中，大部分软件都是根据 CALMET 、 CALPUFF 和 CALPOST 三个模块开发的。为了提高模型的功能性，每个模块都有基于计算机之上使用的图形界面（CALGUI ）,用户可以在图形界面上通过输入相应的参数参量形成一个控制文件（ control file）来运行各模型运行。这个控制文件很容易操作，而且包含了大量的关于模型选项、默认值和变量单位等信息。除了使用 CALMET 、CALPUFF 和 CALPOST 三个模块，在 CALPUFF 模型中，还可以利用其它经过预处理程序后很容易使用的模块处理后的结果，如 MM5/MM4 气象模块， PRTMET 后处理模块等。具体可供使用的模型模块见图 1 －2。图 1－ 2 CALPUFF 模型中可选择的模块 - 3 -

2 CALMET 气象模型 2.1 CALMET 气象场原理 CALMET 是利用质量守恒连续方程，在三维网格模拟域中描述小时风场与温度场的气象模块，其核心部分包括诊断风场以及微气象场模式。它通过质量守恒连续方程对风场进行诊断，在输入模式所需的常规气象观测资料或大型中尺度气象模式输出场后， CALMET 模式将自动计算并生成包括逐时的风场、混合层高度、大气稳定度和微气象参数等的三维风场和微气象场资料。 CALMET 模块在三维风场模拟过程中详细考虑了地形的动力学影响、倾斜气流和阻塞效应。 2.2 技术研究 2.2.1 网格系统（ Grid System） CALMET 气象模块的网格是一个由 X、Y、Z 方向构成的三维网格系统，图 2－1 以一层 7×4 网格的例子举例说明了 CALMET 的网格系统的构成。其中 “grid point ”指的是每一个网格的水平与垂直方向的中心交点， "cell face" 指两个相邻网格的边界线，气象网格的位置是由地理坐标（ X,Y ）决定的。 - 4 -

图 2－1 CALMET 模型中的网格系统在 CALMET 网格系统中， X 轴和 Y 轴代表的方向分别是东 —西向和南 —北向，这样的定义使坐标轴与风向的方向相一致，常用的坐标系是 UTM 坐标系。如果模拟的范围比较大时，需要输入不同的 LLCONF 变量消除兰伯特坐标系中由于地球本身的曲率造成的影响， CALMET 模型中 Z 轴（随地形变化）坐标的计算公式如下：式中： Z—— 随地形变化的坐标（ the terrain-following vertical coordinate） Z thz z——笛卡儿坐标（ the Cartesian vertical coordinate ）； th ——地形海拔高度（ the terrain height）；在随地形变化的坐标系中，风速的垂直速率的计算公式为： uwW h t x v h t y 式中： w—— 笛卡儿坐标系垂直方向的风速； u、v—— 水平方向风速； 2.2.2 诊断风场模块（ Wind Field Module ） CALMET 气象模块主要有诊断风场和海陆边界层之上的微气象模块构成。当模拟较大区域的空气质量时，用户应该选用兰伯特投影坐标系，以便校正由于地球曲率造成的误差。在 CALMET 模块中，诊断风场模式经过两步模拟，最后形成完整的诊断风场。 ? 第一步风场的形成用诊断模型模拟第一步风场时，需要调整地形、坡风、闭合效应的影响，还需要进行三维散度最小化。 ① 动力学地形影响（ Kinematic Effects of Terrain） CALMET 采用 Liu and Yocke（1980）方法对地形的动力影响进行了参数化。笛卡儿坐标系的风速垂直分量 w，按如式计算： Vw h t exp kz - 5 -

k N N | N | 1 2 dg dz V——区域平均风速， m/s； ht—— 地形高度， m； k——大气稳定度幂指数； z——垂直坐标 N——地面到用户输入的高度 “ZUPT”的 Brunt Vaisala 频数； θ——位温， K； g——重力加速度， m/s2; │V│——区域平均风速 ② 坡风（ Slope Flows） CALMET 使用经验方法考虑了复杂地形的坡风尺度。坡风的方向一般朝水流方向。把坡风模拟到第一步网格风场后，形成了调整后第一步风场的风矢量。 ' u 1 ＝ ' v 1 u 1 v 1 su sv u1，v1 ——考虑坡风前，第一步风场的风速， m/s； us ，vs —— 坡风风速， m/s； ?，v1 u1 ?—— 考虑坡风后，第一步风场的风速， m/s。 ③ 闭合效应（ Blocking Effect ）地形对风场的热动力闭合效应用局地 Froude 数进行了参数化。 Fr V thN h t h max ij z ijk Fr—— 局地佛罗德数（ Froude数）； V——网格点的风速， m/s； N——Brunt Vaisala 频数； - 6 -

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