CALPUFF模型.docx

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CALPUFF模型

CALPUFF模型的系统简介

CALPUFF为非定常三维拉格朗日烟团输送模式。

CALPUFF采用烟团函数分割方法，垂直坐标采用地形追随坐标，水平结构为等间距的网格，空间分辨率为一至几百公里，垂直不等距分为30多层。

污染物包括SO2、NOx、CmHn、O3、CO、NH3、PM10（TSP）、BlackCarbon，主要包括污染物之排放、平流输送、扩散，干沉降以及湿沉降等物理与化学过程。

CALPUFF模型系统可以处理连续排放源、间断排放情况，能够追踪质点在空间与时间上随流场的变化规律。

考虑了复杂地形动力学影响、斜坡流、FROUND数影响及发散最小化处理。

CALPUFF模拟系统，包括诊断风场模型CALMET、高斯烟团扩散模型CALPUFF和后处理软件CALPOST三部分。

CALPUFF模式可运用于静风、复杂地形等非定常条件。

其中CALMET利用质量守衡原理对风场进行诊断，输出包括逐时风场、混合层高度、大气稳定度（PGT分类）、各种微气象参数等。

CALPOST为计算结果后处理软件，对CALPUFF计算的浓度进行时间分配处理，并计算出干（湿）沉降通量、能见度等。

稳态气象和空气质量（CALPUFF）模拟系统

简介

采用美国环境保护署（USEPA）推荐的用于模拟污染物传输行为的集成模式——CALPUFF模拟系统进行空气质量模拟．CALPUFF模拟系统包括维诊断气象模型（CALMET）、空气质量扩散模拟（CALPUFF）和后处理软件（CALPOST）三部分．该系统采用时变的气象场资料，充分考虑下垫面对污染物下湿沉降的影响，同时考虑复杂地形的动力学效应以及静风等非定常条件，能很好地模拟不同尺度污染物扩散情景．CALPUFF模拟系统采用高斯烟团模式，利用CALMET产生的气象场以平流输送烟团的形式模拟污染物从污染源排放后的扩散过程．扩散参数由微气象参数化方法计‘算得到．该模拟系统利用在取样时问内进行积分的方法来节约计算时间．CALPUFF模拟系统的输出主要包括网格和各指定点的污染物浓度．CALPOST是后处理模块，该模块能够将CALPUFF生成的污染物浓度场文件依用户的不同目的进行相应处理，如生成网格化或者指定点逐时浓度、日均浓度、月均及年均浓度等文件．

CALPUFF数据需求

地理物理资料

地表粗糙度、土地使用类型、地形高程、植被代码。

其中：

计算区域网格点地形高程数据包括两个要素：

UTM国家坐标（相对坐标）、地形高程（空间分辨率可达0.9km）。

计算区域的空间分辨率可以高于地形数据的分辨率。

地形计算时，采用地形追踪坐标，通过六点差值获取计算区域中网格点的高程值。

地表粗糙度、土地使用类型、植被代码可以来自国土资源部有偿的或美国地调局免费的数据。

这种数据通过GIS系统进行转化后，可直接使用。

其中地表粗糙度、土地使用类型、植被代码、地形高程数据都以矩阵格式输入。

气象资料

CALMET需要输入评价范围内的气象背景初猜场，之后进行地形动力、倾斜流、地形阻挡作用的调整得到第一步的气象要素场，用评价范围内的地面和探空常规气象观测资料对第一步气象要素场进行订正，得到最终的评价范围气象要素诊断场。

（1）气象背景初猜场：

CALMET气象背景初猜场由MM5模型输出的物理量场提供。

采用最近一年的NCEP气象要素分析场和模型计算区域内地面和探空常规气象观测资料，用MM5中尺度模型进行数值模拟计算，输出逐小时的气象要素场。

MM5模拟输出的气象要素场包括：

气压，高度，温度，风速U分量，风速V分量，相对湿度和水汽混合比、云水混合比、冰雪混合比、Graupel混合比。

NCEP每日4次的气象要素分析场资料：

1000pha，925pha，850pha，700pha，600pha，500pha各高度层上的位势高度、温度、露点、风的东西向分量，风的南北向分量，以及地面气压，海平面气压，地面温度。

（2）常规探空气象资料：

1000hpa，925hpa，850hpa，700hpa，500hpa各高度层上的位势高度，温度，露点，风向，风速。

（3）常规地面观测气象资料：

风速、风向、气温、云量、云底高度、地面气压、相对湿度，降水量，降水类型。

（4）全球海洋天气报资料：

海面上每日4次全球海洋天气报资料包括纬度，经度，气温，露点，风，气压、马士顿号、海表层温度。

污染源资料

CALPUFF可以处理点源、线源、面源、体积源。

考虑干湿沉降、建筑物下洗等因素。

CALMET输入数据文件格式

（1）SUR.DAT地面站气象数据文件格式：

第一行：

起始时间：

年日时，终止时间：

年日时时区台站数目

第二行：

台站编号

第三行：

年日时

第四行：

风速、风向、混合层高度、低云、温度、相对湿度、台站气压、降雨代码

（2）PPER.DAT高空数据文件格式：

第一行：

起始时间：

年日时；终止时间：

年日时、顶层气压、原始数据类型

第二行：

数据类型、台站编号、年月日时、高空总层数、提取层数

第三行：

气压、位势高度、温度（K）、风向、风速

（3）PRECIP.DAT降雨数据文件格式：

第一行：

起始时间：

年日时、终止时间：

年日时、时区、台站数量

第二行：

台站编码

第三行：

年、日、时、降雨量（mm/hr）

（4）GEO.DAT地球物理数据文件格式：

第一行：

头端信息字符串

第二行：

网格数、空间分辨率、起点坐标、时区、NX、NY、DGRIDKM、XORIGRKM、

YORIGRKM、IUTMZN

第三行：

土地使用类型LANDUSEDATACATEGORIES（1新、0默认值）

第四行：

网格矩阵；

地形高程；

地表特征参数。

CALPUFF模型的基本操作

使用CALPUFFPro有两个方法。

一是直接操作系统的集成图形用户界面GUI；二是改写系统各模块的控制流文件。

1集成图形界面

CALPUFFPro（ver6.0）有一个集成的图形用户界面GUI（图2-1）。

这个界面已将全系统的前处理、模拟模块和后处理模块，以及各类工具模块、图形模块集中到一个窗口中，从这里可直接进入各子模块的操作窗口，从而控制整个系统的全部功能。

所有子模块也都分别有相应的图形窗口，无须了解控制流文件的格式，因此建议初学者用这个图形界面进行操作，不用去了解控制流文件的格式。

图2-1集成的图形用户界面GUI

操作的顺序一般按图中从上到下从左到右的原则。

一般先定义整个系统的公用信息（须要选上“网格和其它信息作为公用”这个选项），如工作目录、气象网格大小和位置、时区、坐标投影方法等。

这些信息将在所有子模块里被引用，无须重新输入。

点击各子模块按钮进入相应子模块。

子模块都有一些类似的界面和通用的操作方法。

CALPUFFPRO一个子典型子模块的图形界面如图2-2所示。

在子模块里输入数据可采用两种方式：

采用“Input”菜单下的“Sequential”，即顺序输入的方式，按即提示逐步输入所需的参数。

第二方式是采用“Input”菜单下各相应子菜单，直接输入所选步骤的数据。

一般来说，先采用顺序法输入全部数据，再采用选择某一项的方法来修改。

输入完成后，按“RUN”菜单来运行，结果保存在给定文件中。

有错误时程序将停止运行，并弹出信息，可进行修正后再运行。

可按“HELP”菜单进入该模块的帮助系统查找有关信息。

另外，子模块的“Setup”可以设置让程序从一个已有的控制流文件开始，修改其中一些选项就行，而不必建一个全新的控制流文件，这样可以大大减少重复操作。

前处理模块：

设置地球物理和气象数据文件。

设定原始数据文件和运行参数，生成能被CALPUFF模型使用的地球物理数据文件（GEO.DAT）以及CALMET运行所需的地表气象数据文件（SURF.DAT）、探空气象文件（UP.DAT）、降雨数据文件（PRECIP.DAT）和海面气象数据文件（SEA.DAT）。

气象处理模块

CALMET：

用图形方式输入气象模块控制流文件，运行调试并生成CALPUFF所需的气象文件CALMET.DAT。

输出数据为一个给定的多高度层网格的三维气象场，包括风、云、温度、降雨等参数。

扩散计算模块

CALPUFF：

用图形方式输入扩散模块控制流文件，运行调试并生成预测

点的浓度、干沉、湿沉通量和可见度等结果。

主要包括输入输出文件名称、模拟时间、化学属性、污染源、复杂地形和预测点几个部分。

气象后处理模块：

由于CALMET输出的是一个二进制的文件，可以用这个后处理模块对这个文件取出有关数据进行查看、检验和分析。

CALMET还可以输出List文件，是一文本结果，它不能被CALPUFF使用，但便于直接查看。

扩散输出后处理模块：

对CALPUFF生成的四个结果（浓度、干沉、湿沉和可见度），按一定时段进行查看、分析。

气象处理模块CALMET

首先用input菜单生成一个calmet.inp控制流文件，再运行run生成calpuff所需的气象文件。

（1）setup

设置calmet的工作目录，calmet控制流文件名称等。

控制流文件可新生成，也可引入一个已有的，再进行修改。

（2）坐标及网格和地表文件的设置：

可用importsharedgriddata输入一个坐标及三维网格定义文件，也可用gridsettings进入一个设置窗口。

在这里要设置坐标投影方法，及网格原点、三维网格行列层数，并给定地表情况的地球物理数据文件（GEO.DAT）。

GEO.DAT可用预处理工具中的MAKEGEO生成。

也可直接生成。

投影方法：

一般可用UTM，计算范围很大要考虑地球曲率时须采用LCC（一般500km以上情况）。

投影格式缺省取WGS-84。

UTMzone分60区，从西经180开始，一直往东到东径180度，每隔6度为一区。

对于每个UTMzone，X坐标以其中间子午线设为500,000m，向东为增加，向西为减少。

Y坐标为赤道为0m,向北为正Y值。

对于北京，为东经116度，UTMzone为30+int（116/6）+1=50，北半球取N。

如果采用LCC或TTM，则需要输入

（此段内容需地理系知识）

定义气象网格西南角坐标（x,y）km，网格步长（DGRIDKM），网格行列层设置（NX、NY、NZ）；每层到地表的高度（ZFACE）。

（3）Runinformation:

设置标题（一到三级），气象时段（起止或长度），气象所用时区（北京时间为UTC+0800），及其它计算选项（可用缺省值）。

其中Runoptions中第二项为采用的气象数据来源（NOOBS）。

如果NOOBS=0，则所有气象资料采用有关气象站数据；NOOBS=1，则地面和水面采用气象站数据，高空采用MM5/M3D计算结果；NOOBS=2，则所有气象资料采用MM4/MM5/M3D计算结果。

（4）mixingheightparameters:

定义混合层计算相关参数。

可以都用缺省值。

（5）temperatureandRHparameters:

温度和相对湿度相关参数。

数据来源，如果NOOBS=0，则一般选气象站观察值。

地表温度可用某一个序号的地表站的观察值，同样上空温度递减率也可用某一序号的高空站的一定垂直高度（如200m）的温度梯度。

他们也可读入经预处理（地面和高空站）的结果文件DIAG.dat。

其它参数一般可用缺省值。

（6）windfield:

风场设置。

首先设置options。

风场生成模式：

一是目标分析法；二是诊断风场法（DWM）。

目标分析法，就是用所有气象观测站的数据内插出气象网格的数据（直接生成step1的结果）。

诊断风场法则要从初猜场，进行地形、坡风、闭合效应、三维散度最小化调整（即step1）。

对step1的结果进行step2后，生成最终风场。

如果有MM4/MM5或CSUMM计算结果的网格风场，则可以当作DWM方法的初猜场，或目标分析法的STEP1结果。

对于目标分析法，MM4/MM5结果也可作视作观测值读入。

如果有经预处理气象文件DIAG.dat，则可定义其名称（在初猜场定义中可用作初猜场）。

如果没有MM4/MM5或CSUMM结果作为初猜场，需要进入initialguess设置初猜场。

从这里可以定义初猜场是从外部DIAG.dat读入，还是内部生成。

如果内部生成，可以均匀场（uniform），选一个探空站序号和垂直平均长度；也可选择不均匀场，这时将用不同站点各层的观测值内插出气象场（若在option中选了用地面外延surfacewindextroplation,则这里内插时同时考虑地面站的数据，并可进入biases输入各层中高空探测数据占的权重）。

Step1,各参数一般取缺省值。

其中地形影响半径TERRAD可取1~10km。

Step2,设置气象计算网格插值方法。

一般应选上“使用不同影响半径”，对地面、高空

和水面设定不同影响半径，在这个半径内无有效数据，则找出最近的气象站替代。

一般可高RMAX1,RMAX2,RMAX2为100,500,500km；RMIN为2km。

对初猜场与观测值的权重影响半径，可设R1，R2值（一般R2>R1）。

定义Barriers。

Barriers是一种插值界限，定义两个点的一条线，影响高度可从地面到最高层，在这条线不同侧的气象计算点，只能用同侧的站点数据来插值。

例如，一个山谷站点的观测值只用于山谷内，山谷外的气象网格点不能用这个山谷站的数据来插值，就可以为这个山谷站设一些Barriers。

Barriers不是必选项。

湖泊水域（lakesbreeze）:

如果计算区域有大面积水域，可对水域内的网格点采取优化插值方法。

定义每一个水域在计算网格上的起止行、列，水域岸线的起止坐标，及在水域内的站点数（地面和高空总和）及每个站台的ID。

Lakesbreeze不是必选项。

（7）设置气象站及数据文件Metedata。

分别设置地面、探空、降水、水面站的情况。

比如地面站，要定义气象数据文件surf.dat（这个文件包括全部站的观测数据，其格式可用SMERGE工具来生成），并用表格方式输入全部地面站的ID，坐标，时区，测风高等数据。

（8）输出选项Outputoptions:

定义输出结果的文件名称，格式。

可定Cloud和ListFile属性。

ListFile保存CALMET的计算选项和输入的参数，以及一些网格化数据。

CALMET需要至少一个地面站（逐时）和一个探空站（每天至少两次）的气象观测资料。

所有地表气象观测站数据按规定的格式放在SURF.DAT文件中。

以及CALMET运行所需的地表气象数据文件（SURF.DAT）、探空气象文件（UP.DAT）、降雨数据文件（PRECIP.DAT）和海面气象数据文件（SEA.DAT）。

扩散计算模块CALPUFF

首先用input菜单生成一个calpuff.inp控制流文件，再运行run生成计算结果。

（1）setup

设置工作目录，控制流文件名称等。

控制流文件可新生成，也可引入一个已有的，再进行修改。

（2）网格设置：

可用importsharedgriddata输入气象网格文件，也可在gridsettings设置。

在这里要气象网格的有关数据，以及计算网格的范围。

气象网格的有关参数应完全按calmet中的有关设置，与其输入一致。

计算网格的范围应在气象网格的内部，不能超出气象网格的边界。

为了减少气象网格的边界影响效应，计算范围一般要在气象网格内部，离气象网格边界有一缓冲距离。

（3）Runinformation:

主要是设置计算时间的起止。

这个时间应是相关calmet计算时间的全部或一部分。

（4污染物（species）:

定义参与计算的污染物及其属性参数。

系统本身库中已带有16个污染物及相应参数，如果要计算的污染物在这个库里，只要选取即可；否则需要在污染物库中添加这个污染物及其参数，再选取。

（5）污染源:

可分别输入点、面、体、线、Boundarycondition五种污染源参数及污染物排放参数。

Boundarycondition（边界条件源，BC源）是在考虑预测范围边界的流入通量时的一个因素。

污染物排放参数：

可用表格输入各源各污染物的排放率（单位可选）。

如果污染物排放是变化的，可定义变化系数。

污染物排放变化可以是全年24小时周期的、以月为周期的、以季度24小时为周期的、以风速和稳定度为周期的、以温度为周期的。

（6）预测点:

包括网格点、任意点及复杂地形特定网格（CTSG网格）。

所有预测点都应在

（2）中网格设置的计算范围之内。

预测网格点是计算网格范围的一部分或全部，通过Nesting因子设置，可以比计算网格（即气象网格）更密或更粗，比如Nesting因子=2，则预测网格密度是计算网格的两倍。

（7）模型选项

气象和土地利用类型：

气象数据格式，可以CALMET的输出结果也或以是AERMET的结果。

城市地面类型的范围，及参数设置。

如果用AERMET的气象数据，则要输入单个气象站的参数（因AERMET只用一个气象站数据）。

风速幂指数，可直接输入或采用列表中城市1、城市2或农村的缺省值。

静风的上限风速。

烟羽抬升：

有四个模型选项。

考虑烟羽抬升过渡期（弯曲抬升段）；考虑烟囱本身的下洗作用；考虑排放口以上的垂直风速切变；考虑烟羽的部分穿透。

扩散选项：

烟羽模型：

烟团或分段烟羽。

高级变量设置：

烟羽最大长度；烟团分割控制参数设置；积分控制参数。

烟团释放速率、取样频率、移动速率的上限。

扩散参数σy、σz及各稳定度的风速σv、σw的下限。

风廓线近场垂直分布方式：

均匀或高斯分布。

建筑物下洗转变点。

地形选项：

地形调整的方法及相关系数。

若选择“部分烟羽路径调整”，则要输入各稳定度下的烟羽路径系数。

如果选择对孤立山体采用CTSG网格（复杂地形特定网格），则可以采用屏幕输入或从CTDM文件读入的方式输入地形和预测点相关数据。

（8）输出设置

设置结果文件名称：

CONCENTRATIONS（浓度）、DRYFLUXES（干沉）、WETFLUXES（湿沉）、RH（相对湿度，可见度）、FoggingPotential（起雾概率）。

输入结果可以用Binary（二进制，可以压缩并节省间）文件格式，也可以是ListFile（文本格式）。

对ListFile除输入名称外，要设定污染物输出的单位。

可以选择保存的时间间隔PrintInterval。

每种污染物是否输出浓度、沉降等可在SpeciesOutput表格中设置。

（9）沉降选择

在这里，对每一个已选择的污染物，设置是否考虑干沉、湿沉。

如果要考虑，可以进一步设置相关参数。

如：

颗粒物干沉降：

GEOMETRICMASSMEANDIAMETER（几何平均直径）、粒子比重。

湿沉降参数设置：

去除系数、LiquidPrecip（液态降水量）、固态降水量等。

（10）化学反应和转换

设置化学参数：

臭氧输入选项（MOZ=0或1）；臭氧月浓度序列（BCKO3）；氨月浓度序列（BCKNH3）；

夜间SO2、NOx亏损率（RNITE1、RNITE2）；HNO3转化率（RNITE3）；H2O2输入选项（MH2O2）；H2O2月浓度序列（BCKH2O2）；二次生成有机气溶胶模块参数输入（BCKPMF、OFRAC、VCNX）。

输出后处理模块CALPOST

（1）运行设置（Processingoptions）:

起止时间（或全部数据时间），时间间隔（每隔N个时间取出数据，比如计算结果是每小时浓度，时间间隔为1，则取出每小时数据，时间间隔为2，则每隔一小时取出数据）。

预测点：

可以从网格点、任意点中选择全部或部分点参与处理。

源的贡献。

坐标缩放。

背景浓度（相应预测点的逐小时监测浓度）。

（2）数据格式（Data）:

要处理的数据类型（浓度，干沉通量，湿沉通量，总沉或能见度）。

污染物名称。

数据文件名（这个文件是CALPUFF的计算结果文件）。

如果要计算能见度，

则要设置大量相关参数和算法选项。

（3）输出设置（Outputoptions）:

设置平均时间，浓度单位。

输出内容选项有，可有最大50个数据，各点四个级别的数据（例如第1，2，3，4大的数据），超标率。

选择输出的时间（日期）。

要输出成绘图文件，设置名称、格式及其它参数。

改写控制流文件

CALPUFFPro系统的三大部份都有自己的控制流文件，通过修改这些控制流文件中的相关参数，然后运行各部分执行程序，从而得到所需的计算结果。

控制流文件都有相近的格式，为了使用方便，相当多的篇幅只是用于说明和注释。

使用时只要修改两个执行提示符！

之间的有关内容即可，而两个*之间的内容则认为是注释而忽略。

比如下文：

上文为Calmet控制流第0组的第a分组，定义主要输入输出文件名称。

如果地表气象文件不是SURF.DAT，而是Surface.txt，则改成SRFDAT=SURFACE.DAT即可。

每一个GROUP的结尾处，有一个NOTES，会对本组内的格式和注意事项进行说明。

CALPUFF控制流文件格式

CALPUFF模型系统以控制流脚本文件执行程序模块。

控制流文件CALPUFF.INP通过命令输入计算参数，选择物理过程，输出浓度、干湿沉降通量及能见度计算结果。

控制流文件CALPUFF.INP包括模拟区域参数设置：

区域左下角坐标、东西南北向网格数、垂直层数、网格空间分辨率、LAMBERT投影、时区；模拟时间设置：

起始时间（年月日时）、终止时间（年月日时）、计算时间；污染源参数设置：

源的类型及参数；化学反应机理选择；干湿沉降参数设置；CALMET输出的三维、二维、微物理参数文件选择；风廓线与大气稳定度计算方法设置；烟羽抬升物理过程选择（建筑物下系、烟羽部分穿透、垂直风剪切作用等）；扩散计算模式设定方法选择；边界条件选择；接受点参数设置。

每组控制令命以“!

END!

”结束。

CALPUFF控制流文件实例

CALPUFFtestcaserun-3pointsources

24-HourSimulationusingCALMETmet.data

Griddedreceptorson17x1720-kmmetgrid

----------------Runtitle（3lines）-----------------------------------------

CALPUFFMODELCONTROLFILE

INPUTGROUP:

0--InputandOutputFileNames

DefaultNameTypeFileName

CALMET.DATinput!

METDAT=CALMET.DAT!

or

ISCMET.DATinput*ISCDAT=*

or

PLMMET.DATinput*PLMDAT=*

or

PROFILE.DATinput*PRFDAT=*

SURFACE.DATinput*SFCDAT=*

RESTARTB.DATinput*RSTARTB=*

-

CALPUFF.LSToutput!

PUFLST=CALPUFF.LST!

CONC.DAToutput!

CONDAT=CALPUFF.CON!

DFLX.DAToutput*DFDAT=*

WFLX.DAToutput*WFDAT=*

VISB.DAToutput*VISDAT=*

TK2D.DAToutput*T