王 琦，張 俠，張文靜

(陜西省氣候中心，西安 710014)

王琦，張俠，張文靜. MM5/CALMET系統(tǒng)對陜西大氣穩(wěn)定度的模擬[J].陜西氣象，2017(5)：23-26.

1006-4354(2017)05-0023-04

2016-10-18

王琦(1981—)，男，陜西西安人，漢族，碩士，主要從事環(huán)境氣象評估服務(wù)。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金(2012M-3)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目(2014JM2-4038)

MM5/CALMET系統(tǒng)對陜西大氣穩(wěn)定度的模擬

王 琦，張 俠，張文靜

(陜西省氣候中心，西安 710014)

采用MM5/CALMET模式模擬延安、西安和漢中2015年逐時大氣穩(wěn)定度和混合層厚度，并與國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的帕斯奎爾方法計算結(jié)果進行對比。結(jié)果表明：采用MM5/CALMET模式模擬大氣穩(wěn)定度和混合層厚度方法基本可行，模擬的大氣穩(wěn)定度分布與帕斯奎爾方法計算結(jié)果基本一致，平均誤差在10%以內(nèi)；兩種方法所得混合層厚度月變化趨勢相近，相關(guān)系數(shù)最高可達0.947；延安、西安和漢中3站兩種方法對比結(jié)果各不相同，需要對比更多測站和更長時間的數(shù)據(jù)來進行結(jié)果訂正，方可應(yīng)用于大氣污染預(yù)測和環(huán)境氣象業(yè)務(wù)中。

MM5/CALMET ；數(shù)值模擬；大氣穩(wěn)定度；混合層厚度

大氣穩(wěn)定度是大氣邊界層研究中一個重要的參數(shù)， 在許多污染擴散模式中作為單一參數(shù)來定義大氣湍流狀態(tài)或描述大氣擴散能力，穩(wěn)定度類別劃分正確與否直接影響各類煙羽擴散模式計算結(jié)果。大氣邊界層厚度由大氣穩(wěn)定度計算或直接觀測得來，表征大氣垂直擴散能力。國內(nèi)外眾多學(xué)者對穩(wěn)定度分類問題做了大量研究工作，提出十幾種穩(wěn)定度分類方法[1-2]，對不同分類方法進行了比較分析[3-4]。帕斯奎爾利用常規(guī)觀測的風(fēng)速、云量和輻射等級等資料將大氣穩(wěn)定度分為幾個擴散級別，分別代表穩(wěn)定、中性和不穩(wěn)定類，并根據(jù)不同穩(wěn)定級別給出了混合層厚度的計算方法[5]。20世紀(jì)70年代開始，我國在環(huán)境保護中開始引入帕斯奎爾方法，并做出一定修改，由總云、低云和太陽高度角來確定輻射等級，由輻射等級和地面風(fēng)速確定大氣穩(wěn)定度等級，根據(jù)不同等級可分別計算混合層厚度。該方法被納入國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13201-91作為規(guī)范推薦使用，簡稱為國標(biāo)法[5-7]。CALMET模式是美國EPA推薦的由Sigma Research Corporation(現(xiàn)在是Earth Tech Inc的子公司)開發(fā)的氣象模式，利用質(zhì)量守恒原理對風(fēng)場進行診斷。它是一個能夠包括地形動力學(xué)、地形阻塞效應(yīng)、傾斜流、熱動力學(xué)和計算混合層高度、穩(wěn)定度等基于3D網(wǎng)格點的邊界氣象學(xué)診斷分析模型。可直接使用中尺度模式MM5等作為輸入資料，直接輸出風(fēng)場、溫度場、混合層高度、大氣穩(wěn)定度以及莫寧奧布霍夫長度等3D氣象網(wǎng)格數(shù)據(jù)[8]。近年來，CALMET在模擬高精度氣象場方面應(yīng)用越來越多，張俠等采用CALMET模式模擬氣象場進行建筑下洗效應(yīng)的計算分析[9]，周榮衛(wèi)等、杜吳鵬等采用MM5與CALMET模擬了高精度復(fù)雜風(fēng)場，并用觀測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行了驗證，表明該模式系統(tǒng)可以應(yīng)用于我國不同地形條件下的高分辨率風(fēng)能資源評估[10-11]，蔣寧潔等采用MM5+CALMET系統(tǒng)模擬了武漢市邊界層氣象要素場，并在邊界層氣象背景下對武漢市空氣中污染物SO2的擴散進行了數(shù)值模擬分析[12]。2014年以來，陜西省從原來96個氣象站有云量觀測資料，改為僅有36站，而云量是采用國標(biāo)法計算大氣穩(wěn)定度的必須參數(shù)之一，沒有云量，無法計算大氣穩(wěn)定度。云量資料的缺失對于大氣污染預(yù)測評價工作和環(huán)境空氣質(zhì)量評估工作造成極大困擾。CALMET模式可耦合MM5模式結(jié)果，直接輸出大氣穩(wěn)定度結(jié)果。本文研究使用MM5/CALMET模擬延安、西安和漢中3站2015年大氣穩(wěn)定度，并與帕斯奎爾方法計算結(jié)果進行對比，尋找可以替代帕斯奎爾的數(shù)值模擬方法，應(yīng)用于實際業(yè)務(wù)工作中。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

帕斯奎爾方法選取延安、西安和漢中2015年每日逐時氣象資料進行計算分析大氣穩(wěn)定度，分別代表陜北、關(guān)中和陜南地區(qū)。MM5/CALMET模式系統(tǒng)采用9 km精度的MM5模式經(jīng)過CALMET模式動力降尺度到200 m網(wǎng)格精度輸出模擬點逐小時大氣穩(wěn)定度及混合層厚度。MM5模式計算區(qū)設(shè)置為雙重嵌套，第一重網(wǎng)格精度27 km，南北66個網(wǎng)格，東西99個網(wǎng)格，第二重網(wǎng)格精度為9 km，南北103個網(wǎng)格，東西64個網(wǎng)格，中心經(jīng)緯度均為35.5°N，108.5°E。物理過程采用濕微物理過程參數(shù)化，邊界層物理過程參數(shù)化。其中邊界層物理過程參數(shù)化使用Mellor&Yamada的level 2.5閉合方案和MRF方案。CALMET為6.0版本。

1.2 穩(wěn)定度分類方法

利用延安、西安和漢中3個氣象站2015年逐時氣象觀測資料，采用帕斯奎爾分類法，按風(fēng)速、總云量、低云量、太陽輻射等級將穩(wěn)定度分為極不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、弱穩(wěn)定和穩(wěn)定6個等級，它們分別由A、B、C、D、E和F表示[1-2]。本文在結(jié)果對比中，將A、B、C類合并為不穩(wěn)定類、將E、F類合并為穩(wěn)定類。

2 模擬結(jié)果與帕斯奎爾方法計算結(jié)果對比

根據(jù)計算結(jié)果，分別對比延安、西安和漢中3站模式模擬穩(wěn)定度與帕斯奎爾方法計算的穩(wěn)定度以及模式模擬的混合層厚度與應(yīng)用帕斯奎爾穩(wěn)定度計算的混合層厚度。

2.1 大氣穩(wěn)定度結(jié)果對比

將MM5/CALMET模式模擬的延安、西安和漢中3站穩(wěn)定度與帕斯奎爾方法計算結(jié)果分類對比(圖1)發(fā)現(xiàn)：延安穩(wěn)定類模式模擬結(jié)果與帕斯奎爾方法較為接近，中性類帕斯奎爾方法頻率大于模擬結(jié)果；西安穩(wěn)定類模擬結(jié)果與帕斯奎爾方法基本一致，不穩(wěn)定類帕斯奎爾方法頻率小于模擬結(jié)果；漢中模擬結(jié)果與計算結(jié)果基本一致，僅不穩(wěn)定類模式模擬結(jié)果比帕斯奎爾略大。CALMET模擬大氣穩(wěn)定度與帕斯奎爾方法計算結(jié)果對比顯示延安誤差最小，3站平均誤差在10%以內(nèi)。

2.2 混合層厚度對比

CALMET模擬月混合層厚度與帕斯奎爾方法計算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)，延安為0.947，西安為0.947，漢中為0.793，說明模擬效果較好。從圖2可看出：延安混合層厚度的模擬值和帕斯奎爾方法計算結(jié)果，1—4月、10—12月一致，6—9月模擬結(jié)果略高于計算結(jié)果，整體趨勢模擬良好；西安模擬結(jié)果均小于帕斯奎爾計算結(jié)果，但整體趨勢模擬較好，后期可訂正后應(yīng)用； 漢中模擬結(jié)果均大于帕斯奎爾計算結(jié)果，與3.1節(jié)漢中模式模擬不穩(wěn)定類頻率較大相一致，不穩(wěn)定情況下混合層厚度會較大，整體趨勢模擬較好，后期可訂正后應(yīng)用。

圖1 延安、西安和漢中2015年大氣穩(wěn)定度出現(xiàn)頻率/%對比

將采用兩種方法所得3 個代表站2015年的混合層厚度分為六級，分別統(tǒng)計各級出現(xiàn)頻次，結(jié)果見圖3。從圖3可看出：延安混合層厚度300 m以下和300～500 m的出現(xiàn)頻次模式模擬結(jié)果和帕斯奎爾計算結(jié)果一致，501～1 200 m帕斯奎爾方法略多于模擬結(jié)果，大于1 200 m以上模擬結(jié)果多于帕斯奎爾方法，說明延安站在擴散條件較好時，模擬的混合層厚度均較高。西安混合層厚度分級出現(xiàn)頻次模擬值與帕斯奎爾計算結(jié)果基本一致。漢中混合層厚度300～1 200 m出現(xiàn)頻次模擬結(jié)果和帕斯奎爾計算結(jié)果基本一致，混合層厚度小于300 m時帕斯奎爾方法多于模擬結(jié)果，大于1 200 m時帕斯奎爾方法少于模擬結(jié)果,說明漢中在穩(wěn)定類條件下，模擬的混合層厚度較低；在不穩(wěn)定條件下，模擬的混合層厚度較高。

圖2 延安、西安和漢中2015年月混合層厚度對比

通過對比，西安與延安兩站混合層厚度各級模擬結(jié)果與帕斯奎爾方法計算結(jié)果都基本一致，漢中因為CALMET模擬不穩(wěn)定類偏多而穩(wěn)定類偏少，大氣不穩(wěn)定易造成混合層厚度升高，所以模擬結(jié)果較計算結(jié)果在混合層厚度大于1 200 m時的出現(xiàn)頻次偏多。

圖3 延安、西安和漢中2015年混合層厚度分級對比

3 結(jié)論與討論

(1)采用MM5/CALMET模式模擬延安、西安和漢中3站穩(wěn)定度分類結(jié)果與帕斯奎爾方法計算結(jié)果基本一致。延安和西安均為穩(wěn)定類出現(xiàn)頻率基本一致，不穩(wěn)定類出現(xiàn)頻率模式模擬結(jié)果略大于帕斯奎爾方法，中性類出現(xiàn)頻率模式模擬結(jié)果小于帕斯奎爾方法；漢中中性和穩(wěn)定類頻率模擬結(jié)果與帕斯奎爾方法基本一致，不穩(wěn)定類頻率模擬結(jié)果大于帕斯奎爾方法。

(2)延安、西安、漢中CALMET模擬月混合層厚度與帕斯奎爾方法計算結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.947，0.947，0.793，模擬效果較好。西安與延安兩站混合層厚度各級模擬結(jié)果與帕斯奎爾方法計算結(jié)果基本一致；漢中混合層厚度各級模擬結(jié)果在混合層厚度小于300 m時帕斯奎爾方法多于模式結(jié)果，大于1 200 m時帕斯奎爾方法少于模式結(jié)果，這與漢中模擬的不穩(wěn)定類頻率較大一致。

(3)采用MM5/CALMET模式模擬大氣穩(wěn)定度和混合層厚度方法基本可行，與帕斯奎爾方法相關(guān)性較好，延安、西安和漢中3站兩種方法對比結(jié)果各不相同，需要對比更多測站和更長時間的數(shù)據(jù)來進行訂正，方可應(yīng)用于大氣污染預(yù)測和環(huán)境氣象業(yè)務(wù)中。

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