CMAQ系统组成

CMAQ是目前应用比较广泛的空气质量模拟模式之一,可 用于评估对流层的臭氧,PM,有毒化合物及酸沉降过程。CMAQ由四个主要模块构成:

  • ICON :初始条件处理
  • BCON :边界条件处理
  • MCIP : 气象和化学接口
  • CCTM : CMAQ化学传输模型

此外随CMAQ发布的工具还包括:

  • Bldmake :代码构建和管理
  • chemmech : 化学机制编译器
  • create_ebi : EBI化学成分求解构建(EBI chemistry solver builder)
  • inline_phot_preproc : 内联光化学处理
  • nml : namelist转换
  • jproc :预处理程序


CMAQ框架

CMAQ配置选项

因为模式的基础架构为模块化设计,因此,对于不同的科学配置选项,除了MCIP外,用户必须创建新的CMAQ可执行文件。CMAQ中提供了许多化学机制,水平和垂直传输方案,云过程和化学成分求解选项。当改变CMAQ的配置选项时都需要重新编译,这降低了CMAQ的灵活性。模块化设计和CCTM最为密切,尽管在编译其他程序时也需要选择配置选项。

除了编译时CMAQ需要的选项外,还有一些是运行时选项。CMAQ中,水平区域设置和垂直坐标系统是动态特征,其依赖于可执行文件。换句话说就是:即使你修改了投影选项或者网格设置,不需要重新编译可执行文件。关于CMAQ在编译时和执行时需要设置的选项见用户手册。

CMAQ化学传输模型方程

CCTM是CMAQ中的化学传输部分,也是CMAQ运行流程的最后一步。其余三个主程序(即ICON,BCON和MCIP)的运行均是为CCTM准备数据。

欧拉化学传输模型(Eulerian chemistry-transport model)使用耦合常微分方程(coupled ordinary differential equations)预测空间中固定的三维网格中污染物浓度的变化。在每一个网格中下面过程的变化会影响污染物浓度的预测:

  • 源排放(Emissions from sources)
  • 水平和垂直对流(Horizontal and vertical advection)
  • 水平和垂直扩散(Horizontal and vertical diffusion)
  • 化学变化(Chemical transformations)
  • 损失过程(Loss processes i.e. deposition)


从数学角度来说,这些每个网格中的浓度变化和这些过程相关,其是随时间变化($\frac {\partial C} {\partial t} $)的连续方程(continuity equation) $$ \begin {equation} \frac {\partial C} {\partial t} = Adv + Diff + R_c + E_cS_c \end{equation} $$

  • Adv:对流过程
  • Diff:扩散过程
  • R_c:物质c的化学变化
  • E_c:物质c的排放
  • S_c:物质c的损失


CMAQ中,对流和排放项分别是基于气象和排放模型所生成的输入文件计算的,而扩散,化学变化和损失过程项是在CCTM中计算的。

模型中呈现的欧拉面积是全球尺度中有限区域的连续网格单元。对于有限区域模拟,需要设置边界条件来处理来自模式区域外的化学物质和污染物的平流过程。目前CMAQ中仅从水平边界(即侧边界)解释了模拟域和外部的对流传输,并没有考虑模式顶边界的交换(即垂直交换)。

CMAQ中使用边界条件处理程序(BCON)计算空间边界条件,而时间边界条件则使用ICON(初始边界条件处理程序)来计算,其计算CMAQ模式模拟的第一个时刻的化学条件。ICON和BCON使用的是气象模式和排放模型的输出作为输入,ICON和BCON与其他模块的输出作为CCTM的输入。

内联过程(inline processes)

在空气质量模型中,内联过程指的是那些在化学传输模型中同时运行的过程。将过程内联到CCTM最大的优势是参数间的反馈作用,即一个参数的模拟可以反馈到其他一个到多个参数的模拟。比如:内联到CCTM中的光化学速率(photolysis rate)的计算,模拟时气溶胶会影响辐射变化,从而影响光化学速率。其他内联特征包括排放过程,提高了模型的效率,同时有利于气象和化学模式的耦合。CMAQ5.0以上版本CCTM中支持生物质源,扬尘,海盐和点源烟羽的上升等源的计算。

在设计CCTM内联模拟时应注意避免重复计算排放。CCTM不会区分哪些排放源是离线计算而且正在输入到模型中。例如,在输入排放文件中包括生物质排放,并且配置CCTM计算生物质排放(the biogenic emissions inline)会重复计算排放源导致错误。

光化学速率计算内联在CCTM中。JPROC前处理程序不再是CMAQ流程中必须的过程。

CMAQ主程序

以下程序是CMAQ中的主程序和辅助程序,按照CMAQ运行顺序解释。

  • 模型构建(Bldmake)

Bldmake提供了CMAQ源码和用于构建二进制可执行文件的F90编译器接口。除MCIP外,其余CMAQ程序的创建都需要Bldmake,因此在安装CMAQ源码到电脑后,首先需要编译Bldmake。除了创建可执行文件外,其还可以创建Linux Makefile。这对于将CMAQ代码分发到新系统,在开发环境测试新代码,或在CMAQ编译和执行时追踪问题是非常有用的。

  • ICON

ICON主要用于创建模拟区域第一个模拟时刻的化学条件,输出到网格二进制NetCDF文件。可以从ASCII格式垂直的浓度廓线(随CMAQ发布)或CCTM输出文件中生成边界条件。如果ASCII文件中的垂直廓线垂直结构和CCTM配置的垂直结构不同,那么ICON会插值为和CCTM相同的垂直结构。

使用CCTM输出文件生成初始边界条件适用于从粗糙网格模拟外推到精细网格模拟,主要应用于嵌套模拟(精细分辨率的模拟域覆盖在粗分辨率模拟区域中)。

ICON主要配置模式化学机制,水平和垂直网格定义,并且确定是从ASCII文件还是从已存在的CCTM输出文件生成初始边界条件

  • BCON

BCON主要是沿着模式区域的水平边界创建化学条件的网格化二进制NetCDF文件。这些边界条件可以是静态也可以随时间变化。和ICON一样,BCON也可以基于ASCII垂直廓线文件或CCTM文件中创建边界条件,而且当垂直结构和CCTM不同时,BCON也会进行插值。与ICON不同的是,BCON可以产生动态(随时间变化)边界条件,动态边界条件可以从嵌套模拟的粗糙区域CCTM输出结果中提取,或从全球尺度模式CCTM模拟结果中提取。ASCII输入文件的文件结构也支持创建动态边界条件,但是通常这些文件仅用于创建静态数据。

BCON和ICON一样,主要配置模式化学机制,水平和垂直网格定义,确定从ASCII文件还是CCTM输出文件生成边界条件

BCON仅能从ASCII或CCTM文件中创建边界条件。如果通过其他数据源(比如全球化学传输模式)创建边界条件,用户需要自行处理。

  • MCIP

MCIP利用MM5或WRF气象模式输出结果创建 SMOKE (排放处理程序,计算输入到CMAQ的排放源)和 CMAQ 所需要的netCDF格式气象输入数据。

MCIP准备和诊断SMOKE和CCTM所需要的所有气象场。此外,MCIP当前用于计算CCTM中所使用的随时间变化的特定种类的干沉降速率(dry deposition velocities)。

MCIP可以通过设置 layer collapsing 降低气象数据的垂直分辨率,但是使用此选项时应谨慎。如果使用不善会降低数据质量

MCIP主要配置选项包括从气象数据中提取数据的时间段,水平和垂直网格定义,干沉降速率,整合卫星云观测数据到MCIP输出等。

  • CCTM

CCTM集合了以上预处理程序的输出以及排放源输入(例如SMOKE输出)来模拟连续的大气化学条件。相关类别量的浓度可以从用户定义输出频次(通常是逐小时)的文件中获取。CCTM输出文件包含了时空分辨的空气污染信息,比如气相和气溶胶相物质混合比,干湿沉降值,能见度以及平均浓度等。

CCTM的时空分辨率是由输入的气象信息所确定的。对于每一个模型的应用,模型计算性能以及观测空气质量趋势的数值再现都需要特定配置

CCTM的配置选项包括模拟时间段,模式中的化学机制,用于污染传输的物理方案,化学选项,内联过程选项以及诊断选项(比如过程分析)。CCTM具有大量的配置选项,具体参加用户手册。

  • CHEMMECH

此程序从化学机制定义文件中为CMAQ创建化学机制namelist文件。通过包含描述光化学机制的机械和运动参数的一系列namelist文件在CMAQ中呈现化学机制。CHEMMECH基于包含描述反应物,产物和反应率信息方程的ASCII机制定义文件创建namelist文件。

如果需要更改目前机制中的反应化学计量或动力学参数,或者添加新类别量和反应过程,或者在CMAQ中应用新的化学机制,那么都需要更改此文件

  • EBI化学求解构建

EBI(Euler Backward Iterative)化学求解器是为CCTM光化学机制优化的数值求解器。因为EBI求解器是为特定的化学机制配置而优化,因此新的CCTM光化学机制需要新的EBI求解器。CREATE_EBI是新机制版本的CCTM源码生成器。CREATE_EBI的机制输入文件由CMAQ程序CHEMMECH生成。

内联光解预处理用于创建CCTM内联光解模块所需要的光解反应参数表

nml程序用于转化CHEMMECH生成的csv文件为CMAQ所需要的namelist文件

JPROC从分子吸收截面和量子产率(CSQY)数据的查找表以及气候学得到的臭氧柱和光学深度数据计算每日晴空光解速率