CALPUFF模式的开发应用分析1
王繁强［１］［２］ 周阿舒［３］ 王琦［２］
(1.陕西省气象科学研究所，西安 710015)
(2.陕西省气候中心，西安 710015)
(3.陕西省气象科技开发中心，西安 710015)
提要：本文简要介绍了根据陕西省的实际情况和大气环境业务需求，利用预报实时业务的网络环境，在综合应用ＭＩＣＡＰＳ、ＭＭ５及ＣＡＰＵＦＦ系统的基础上，通过ＶＢ６．０编程，建立的一个具有自动数据处理、操作简便、比较实用的区域大气质量评价、预测系统。利用该系统对某一工程的拟建处大气质量达标情况进行了评价分析，给出了污染时物浓度分布特征与气象条件关系的分析及评价结果。
键词： ＣＡＬＰＵＦＦ 开发 应用分析
前言
近二十多年来，城市大气污染预报模式，从过去的统计预报模式到今天的中尺度气象预报模式、污染扩散模式和光化学模式相结合的城市大气污染预报系统，得到了很大的发展。Ｃａｌｐｕｆｆ模式为美国ＥＰＡ推荐，用于复杂地形下的大气质量评价、预测数值模式。包括ＣＡＬＰＵＦＦ、ＣＡＬＭＥＴ、ＣＡＬＰＯＳＴ三部分，是基于ＬＦ Ｆｏｒｔｒａｎ９５，编译、调试的多层、多种非定常烟团扩散模型ＣＡＬＰＵＦＦ［１］与三维诊断风场模型ＣＡＬＭＥＴ［２］、ＭＭ５［３－９］非静力数值天气预报模型相耦合的空气质量模型系统。在考虑地形运动学、山地风、Ｆｒｏｕｎｄ数等对初始风场影响的基础上，利用不可压缩流体连续性方程与发散最小化原理，通过数值方法，结合当地的气象数据、地球物理数据、污染源强等资料模拟在时空变化的气象条件下对污染物输送、转化和清除的影响，根据应用的目的不同可输出逐时、月、年的污染评价等级及污染物浓度诊断和预报值。近年来ＣＡＬＰＵＦＦ系统在我国大气环境研究中得到应用，如：宋宇等［１０］利用２０００年１月、４月、７月和１０月北京市的气象观测资料和石景山ＰＭ１０的排放清单，通过ＣＡＬＰＵＦＦ系统模拟计算，分析了该工业区对北京市影响的范围和大小。王淑兰等［１１］利用ＣＡＬＰＵＦＦ系统，以２００２年源排放清单、气象资料和空气质量观测资料为基础，通过数值模拟及对排放源现状分析，揭示了珠江三角洲内城市之间污染物相互输送的特点和规律，分析了不同城市空气污染影响因素的差异，定量给出了珠江三角洲城市间空气污染的相互影响和相互贡献。
本文根据陕西省的实际情况和大气环境业务需求，利用气象部门预报实时业务的网络环境，在综合应用ＭＩＣＡＰＳ（气象信息综合分析处理系统）、ＭＭ５及ＣＡＰＵＦＦ系统的基础上，通过ＶＢ６．０编程，建立了一个具有自动数据处理、多种预报方法、多种图表信息、可视化程度较高、操作简便、比较实用的区域大气质量评
基金项目：国家自然科学基金项目４０５７５００４、陕西省气象局科研基金项目２００５Ｚ－２共同资助
作者简介：王繁强，男，1963年生，山东菏泽人，硕士，高级工程师，主要从事天气预报服务业务工作，电话：029-********，Email:https://www.doczj.com/doc/bd12455252.html,。
价及预报业务系统平台ＸＡＣＡＬＰＵＦＦ。可广泛应用于复杂地形下区域大气质量评价，区域污染预报、城市规划及大气边界层特征分析。
１ ＣＡＬＰＵＦＦ系统的本地化
ＸＡＣＡＬＰＵＦＦ系统是在开发应用ＣＡＬＰＵＦＦ系统的基础上，根据陕西省环境气象业务应用的需求和网络环境，通过对ＣＡＬＰＵＦＦ系统的本地化和ＶＢ６．０编程，而建立的一个具有自动数据处理、操作简便、比较实用的数据输入和输出的人机交互处理界面的区域大气质量评价、预测系统。实现：
①常规资料的人机交互和自动存储、解报和资料格式转换。
②Ｔ２１３资料的人机交互和自动存储、解码和资料格式转换。
③地形资料的人机交互式提取和资料格式转换。
④地表资料人机交互式提取和资料格式转换。
⑤中尺度数值模式ＭＭ５输出产品的格式转换。
⑥ＭＭ５、ＣＡＬＭＥＴ、ＣＡＬＰＵＦＦ输出产品的绘图显示。
⑦简捷方便的原始资料处理、结果输出人机交互界面。
２ ＸＡＣＡＬＰＵＦＦ系统简介
２．１系统结构
图1 ＸＡＣＡＬＰＵＦＦ系统结构图
系统结构如图１所示，主要由基于ＭＩＣＡＰＳ系统的资料处理、ＭＭ５中尺度气象模式、ＣＡＬＭＥＴ边界层模
大气质量评价结果污染物浓
度预测 边界层气象特征值各种气象要素绘图资料
式、ＣＡＬＰＵＦＦ污染物扩散模式和结果处理模块组成。ＭＭ５模拟或预报结果经风场诊断模型ＣＡＬＭＥＴ处理，为ＣＡＬＰＵＦＦ提供气象背景场，再用多层、多种非定常烟团扩散模型ＣＡＬＰＵＦＦ分析污染物扩散情况。
２．２资料处理
资料处理由前处理和后处理两部分组成，前处理部分由数据资料预处理程序完成，采用自动和人机交互方式将原始气象报文资料、Ｔ２１３数值产品资料转换成ＭＭ５中尺度气象模式所需格式以及将ＭＭ５中尺度气象模式输出结果转换成ＣＡＬＭＥＴ边界层风场诊断模式所需格式。后处理两部分同样采用自动和人机交互方式将ＭＭ５、ＣＡＬＭＥＴ、ＣＡＬＰＵＦＦ输出结果转换成Ｓｕｒｆｅｒ绘图软件所需格式，以便输出分析图表。
２．３ 中尺度气象模式
中尺度气象模式为采用三重嵌套（ＤＯＭＡＩＮ１、ＤＯＭＡＩＮ２和ＤＯＭＡＩＮ３）３１层的非静力模式ＭＭ５Ｖ３，模式积分步长１８０ｓ；模式网格中心点可以移动；水平网格距：４５ｋｍ，１５ｋｍ，５ｋｍ；格点数：６０＊６０，６１＊８２和７０＊７０。
输入模式系统的地面气象资料为每日定时或逐时的地面温、压、湿、风和天气现象（云、能、天），探空资料为每日０８：００（北京时下同）或２０：００探测的８５０ ｈＰａ到１００ ｈＰａ各规定等压面上温、压、湿和风，第一猜值场由Ｔ２１３提供。
２．４ 边界层诊断模式
ＣＡＬＭＥＴ边界层诊断模式（Ｖｅｒｓｉｏｎ ５．５３Ｂ），采用气压σ坐标系，水平网格为９９×９９，格距１ ｋｍ可调， 垂直方向分为１０层可调，模式网格中心点可以移动。现场探空地面观测数据为特定项目而进行的地面气象观测和低空探测（地面到高空３０００米的温、压、风资料）。地形特征值由分辨率为１ｋｍ的地形高度资料经客观分析到网格点上得到。ＭＭ５模拟或预报结果经风场诊断模型ＣＡＬＭＥＴ处理，为ＣＡＬＰＵＦＦ提供气象背景场。
２．５ 污染物扩散模式
ＣＡＬＰＵＦＦ污染物扩散模式（Ｖｅｒｓｉｏｎ ５．７１１Ｂ），同ＣＡＬＭＥＴ采用气压σ坐标系，水平网格为９９×９９，格距１ｋｍ可调，垂直方向分层与ＣＡＬＭＥＴ一致，模式网格中心点可以移动。利用ＣＡＬＭＥＴ提供的气象背景场，使用多层、多种非定常烟团扩散模型ＣＡＬＰＵＦＦ分析污染物扩散情况。
污染源资料包括点源、面源、体源和线源，点源参数为源的编号（名称）、的位置（经纬度或坐标值）、海拔高度（ｍ）、源高（ｍ）、源的直径（ｍ）、排放速度（ｍ／ｓ）、排放率（ｇ／ｓ．ｋｇ／ｈｒ）、排放口温度（ｋ）；面源参数为源的编号（名称）、面积坐标、有效高度（ｍ）、海拔高度（ｍ）、排放率（ｇ／ ｍ＊＊２／ｓ、ｋｇ／ｍ＊＊２／ｈｒ）； 体源参数为源的编号（名称）、体源位置坐标、有效高度（ｍ）、海拔高度（ｍ）、排放率（ｇ／ｓ、ｋｇ／ｈｒ）。
图2 用户界面
２．６ 输出产品
用户可根据应用目的的不同输出如下产品：
①各种气象要素
②边界层污染气象特征参数
③逐时、月、年的区域大气质量评价
④逐时的区域污染物（ＳＯ２、ＮＯｘ、ＰＭ１０、ＨＮＯ３、ＳＯ４等）浓度预报
３ 系统操作
系统界面如图２所示，包括资料存储、模式资料前处理、ＣＡＬＰＵＦＦ＿ＣＡＬＭＥＴ＿ＣＡＬＰＯＳＴ等，用户可根据界
面提示骤步操作，具体参见随机帮助，不再赘述。
图３所示为某一工程拟建地点，主要污染物为ＳＯ２，大气环
境标准为二级。问题是新增这一污染源后，当地大气环境是否
还能达到或优于要求标准？图中五点建在何处较合适？对于这
一新增污染源来说，如何合理应用当地大气自净能力来达到或
优于国家对环境标准的要求是非常重要。以下给出利用
ＸＡＣＡＬＰＵＦＦ系统进行数值模拟分析和评价的结果。
４．１ 背景浓度的确定
利用当地环境监测部门对空气污染物监测点分布情况，取
２００４年１月、４月、７月和１０月的污染检测资料，通过差分获取五个拟建地点污染物ＳＯ２的背景浓度分别为Ａ：０．０２７ｍｇ／ｍ３、Ｂ：０．０２７ｍｇ／ｍ３、Ｃ：０．０２４ｍｇ／ｍ３、Ｄ：０．０２４ｍｇ／ｍ３、Ｅ：０．０２４ｍｇ／ｍ３，源排放参数为：源强１０ｇ／ｓ、烟囱高度４０ｍ、烟囱直径３．５ｍ、出烟速率１２．６ｍ／ｓ、出烟口温度３３００Ｋ。
４．２ 污染物浓度分布特征数值模拟分析
利用２００４年１月、４月、７月和１０月的气象观测资料和拟建工程建成后ＳＯ２的排放参数，通过ＸＡＣＡＬＰＵＦＦ系统进行数值模拟计算，图４ａ、ｂ、ｃ、ｄ给出了７月２４日０８、１４、２１时，２５日０５时的五个拟建点ＳＯ２时浓度及近地面水平风场分布情况，图４ｅ、ｆ为对应时刻五个拟建地点稳定度等级和混合层高度的簇状柱形图，可知，由于气象条件的不同，造成同一时刻不同地点或同一地点不同时刻地面ＳＯ２浓度分布范围和大小有着较大的差异。
对于图４ａ、ｂ地面ＳＯ２浓度分布特征来说，分析图４ａ、ｂ、ｅ、ｆ，可知，０８时和１４时近地面水平风速均较小，水平扩散能力均较弱，０８时混合层高度相对较低，稳定度相对较大，湍流较弱，垂直扩散能力也较弱。造成污染物首先在局地堆积，之后缓慢向外扩散，在下风方形成烟羽，形成图４ａ中近地面ＳＯ２浓度分布特征，且污染物浓度较１４时大许多。而１４时混合层高度相对较高，稳定度相对较小，湍流较强，垂直扩散能力较强。造成污染物在原地堆积的同时也向上传播，使得源地污染物浓度较０８时小许多，而向上扩散的污染物在下风方下沉，造成图ｂ所示的污染物浓度分布特征。
对于图ｃ来说，由于混合层相对较低，稳定度相对较大，不利于垂直扩散，但水平风速较大，污染物首先迅速向外下风方扩散，之后堆积，且近地面污染物浓度较大，造成图中ＳＯ２浓度分布特征。
对于图ｄ来说，图中有两个污染物浓度较大处，一个在污染源Ｃ、Ｄ、Ｅ的下游若１０ＫＭ处，这是因为污染源Ｃ、Ｄ、Ｅ处气象条件与图ｃ类似，造成与图ｃ类似的ＳＯ２浓度分布特征。另一个在污染源Ａ、Ｂ之间靠近Ｂ处，近似圆形，此处近地面风场辐散，可以推断此处为下沉气流区，进一步分析沿Ａ、Ｂ的垂直速度剖面图４ｇ，可知，在污染源Ｂ到Ｂ、Ａ之间有一下沉气流，而Ａ有一上升气流，形成次级环流，正是由于这一次级环流的存在，造成了污染物在下沉气流区的堆积，且由于水平风速较小，不利于污染物向四周扩散，形成图中局地高浓度的分布特征。
总之，污染物浓度的分布范围、大小形状与风场、混合层高度、稳定度有着密切的关系。当水平风速较大，湍流较强，混合层相对较高，稳定度相对较小时，有利于污染物的扩散，大气的净化能力较强，近地面污染物浓度小。当水平风速较小，湍流较弱，混合层相对较低，稳定度相对较大时，不利于污染物的扩散，大气的净化能力较弱，近地面污染物浓度大。
４．３ 污染源评价分析
应用ＣＡＬＰＵＦＦ系统的ＣＡＬＰＯＳＴ进行二级评价分析，结果表明，五点中Ｃ，Ｄ，Ｅ三点未出现超负荷浓度值，满足二级标准要求；Ａ、Ｂ二点出现超负荷浓度值，图５中所绘部分即为超负荷部分，从负荷范围和强度看，处于山谷中的Ａ地，污染超标最为严重，这是因为处于谷中的Ａ点一般来说低层水平风较小，同时易形成地形山谷风次级环流，不利于污染物的扩散。因此，Ｃ，Ｄ，Ｅ三点均可作为选址点，可进一步根据交通便利情况、水、电负荷状况等其它条件确定最佳选址点。
５结语
利用陕西省气象预报实时业务的网络环境，在综合应用ＭＩＣＡＰＳ、ＭＭ５及ＣＡＰＵＦＦ系统的基础上，通过ＶＢ６．０编程，初步建立了区域大气质量评价及预报业务系统平台。并利用系统对某一拟建污染源进行了预评估，从评价结果分析，模式较好的模拟了污染物分布与地形和气象参数的关系，评价结果合理。
①污染物浓度的分布范围、大小与风场、混合层高度、稳定度有着密切的关系。当水平风速较大，混合层相对较高，稳定度相对较小时，有利于污染物的扩散，大气的净化能力较强；当水平风速较小，湍流较弱，混合层相对较低，稳定度相对较大时，不利于污染物的扩散，大气的净化能力较弱。
②从对五个拟建地的评价结果看，处于山谷中的Ａ地，污染超标最为严重，其可能原因是因为处于谷中的Ａ点，一般来说，由于山体的阻挡处于谷中的地区低层水平风较小，不利于污染物扩散，同时易形成地形山谷风次级环流，造成二次污染，因此，处于山谷中的城镇应特别强调污染源的治理，更应注意污染源的合理分布，否则极易发生严重污染事件，给居民生命财产带来较大损失。
参 考 文 献
１ Ｊｏｓｅｐｈ Ｓ． Ｓｃｉｒｅ， Ｄａｖｉｄ Ｇ． Ｓｔｒｉｍａｉｔｉｓ，Ｒｏｂｅｒｙ Ｊ． Ｙａｍａｒｔｉｎｏ Ａ Ｕｓｅｒ’ｓ Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＣＡＬＰＵＦＦ Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｍｏｄｅｌ（Ｖｅｒｓｉｏｎ ５）．Ｅａｒｔｈ Ｔｅｃｈ，Ｉｎｃ（ｗｗｗ．ｓｒｃ．ｃｏｍ／ｖｅｒｉｏ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｄｏｗｎｌｏａｄ．ｈｔｍ）． Ｊａｎｕａｒｙ ２０００ 图４ｇ 沿
Ａ、Ｂ的垂直速度剖面图（ｍ／ｓ）
２ Ｊｏｓｅｐｈ Ｓ． Ｓｃｉｒｅ， Ｆｒａｎｃｏｉｓｅ Ｒ． Ｒｏｂｅ， Ｍａｒｋ Ｅ． Ｆｅｒｎａｕ， Ｒｏｂｅｒｙ Ｊ． Ｙａｍａｒｔｉｎｏ Ａ Ｕｓｅｒ’ｓ Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ＣＡＬＭＥＴ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌ（Ｖｅｒｓｉｏｎ ５）．Ｅａｒｔｈ Ｔｅｃｈ， Ｉｎｃ（ｗｗｗ．ｓｒｃ．ｃｏｍ／ｖｅｒｉｏ／ｄｏｗｎｌｏａｄ／ｄｏｗｎｌｏａｄ．ｈｔｍ）． Ｊａｎｕａｒｙ ２０００
３ Ｈａａｇｅｎｓｏｎ Ｐ Ｌ，Ｄｕｄｈｉａ Ｊ，Ｓｔａｕｆｆｅｒ Ｄ Ｒ ｅｔａｌ． Ｔｈｅ Ｐｅｎｎ Ｓｔａｔｅ／ＮＣＡＲ Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ Ｍｏｄｅｌ （ＭＭ５） Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｄｅ Ｄｏｃｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ． ＮＣＡＲ／ＴＮ－３９２ ＋ ＳＴＲ ＮＣＡＲ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＮＯＴＥ Ｍａｒｃｈ １９９４
４ Ｇｒｅｌｌ Ｇ Ａ，Ｄｕｄｈｉａ Ｊ，Ｓｔａｕｆｆｅｒ Ｄ Ｒ． Ａ Ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｆｉｆｔｈ－Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅｎｎ Ｓｔａｔｅ／ＮＣＡＲ Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ Ｍｏｄｅｌ （ＭＭ５）． ＮＣＡＲ／ＴＮ－３９８ ＋ ＳＴＲ ＮＣＡＲ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＮＯＴＥ Ｊｕｎｅ １９９５
５ Ｇｕｏ Ｙ Ｒ，Ｃｈｅｎ Ｓ． Ｔｅｒｒａｉｎ ａｎｄ Ｌａｎｄ Ｕｓｅ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｆｉｆｔｈ－Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｐｅｎｎ Ｓｔａｔｅ／ＮＣＡＲ Ｍｅｓｏｓｃａｌｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ （ＭＭ５）：Ｐｒｏｇｒａｍ ＴＥＲＲＡＩＮ． ＮＣＡＲ／ＴＮ－３９７＋ＩＡ ＮＣＡＲ ＴＥＣＨＮＩＣＡＬ ＮＯＴＥ Ｊａｎｕａｒｙ １９９４
６ Ｓｔｏｅｌｉｎｇａ Ｍ Ｔ． Ａ Ｕｓｅｒｓ’ Ｇｕｉｄｅ ｔｏ ＲＩＰ Ｖｅｒｓｉｏｎ ３： Ａ Ｐｒｏｇｒａｍ ｆｏｒ Ｖｉｓｕａｌｉｚｉｎｇ ＰＳＵ／ＮＣＡＲ Ｎｅｓｏｓｃａｌｅ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｏｕｔｐｕｔ． ＮＣＡＲ Ｔｅｃｈ． Ｎｏｔｅ
７ 周晓平，王东海． 短时风暴数值预报模式研究Ⅰ．模式的理论框架． 大气科学， １９９６，２０（１）：２~１１
８ 王东海，周晓平． 短时风暴数值预报模式研究Ⅱ．模式的基础实验结果． 大气科学， １９９６，２０（３）：２７９~２８９
９ 高山红，谢红琴，吴增茂．台风影响下渤海及邻域海面风场演变过程的ＭＭ５模拟分析．青岛海洋大学学报，２００１，３１（３）：３２５~３３１
１０ 宋宇，陈家宜，蔡旭晖．石景山工业区ＰＭ１０污染对北京市影响的模拟计算．环境科学， ２００２年１２月第２３卷增刊：６５~６８
１１ 王淑兰，张远航，钟流举等．珠江三角洲城市间空气污染的相互影响． 中国环境科学，2005,25(2)：133~137
The Application of CAPUFF on Area Ambient air quality appraisal
Wang Fanqiang[1][2] Zhou Asu[3] Wang Qi[2]
（１． ＳｈａａｎＸｉ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｘｉ Ａｎ ７１００１５ ， ＰＲ Ｃｈｉｎａ）
（２． ＳｈａａｎＸｉ Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｅｎｔｒｅ， Ｘｉ Ａｎ ７１００１５ ， ＰＲ Ｃｈｉｎａ）
（３．Ｓｈａｎｘｉ Ｍｅｔｅｏｒｏｌｏｇｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ ｆｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ， ＰＲ Ｃｈｉｎａ）
Abstract
According to the meteorological data information system and CALPUFF, a area ambient air quality appraisal and forecast system called XACALPUFF was establish. Based on the year 2004 meteorological data, pollution emission inventory and current background status data, utilizing XACALPUFF simulation system, through numerical value simulation and analysis of the planning building area status of emission sources, the characteristics and the rule of the pollutants dispersion in the 5 planning building places were demonstrated; the difference of urban air pollution influence factors in different area were analyzed, and the area ambient air quality appraisal of the 5 planning building places were quantitatively described. Keywords：CALPUFF Model Study and Application analysis.