灰霾天气数值预报平台和预报预警产品制造平台建设方案.doc

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1、灰霾天气数值预报平台和预报预警产品制造平台建设方案1 平台简介 近年来，随着社会经济的快速发展和城市化进程的不断推进，城市工业、机动车尾气、建筑扬尘等污染物排放日益增多，灰霾天气数值预报平台利用WRF中尺度天气模式、SMOKE排放源模式、CMAQ污染物输送和转化模式，灰霾天气预报模型得到污染物浓度客观预报产品和灰霾天气客观预报产品并存入统一的数据库系统。预报预警产品制造平台通过整合实时监测数据、客观的预报产品数据、相关的气象要素数据，经过预报员的订正得到灰霾天气的主要预报预警产品，并进行发布和入库。系统总体结构如下图所示：图1 灰霾预警中心系统总体结构2 主要内容2.1 灰霾天气数值预报系统2

2、1.1 资料采集和处理模块根据衢州市灰霾天气预报预警的业务要求，需要采用的资料有：灰霾天气监测实时资料、自动气象站资料、WRF中尺度客观预报产品资料、排放源资料。这些数据分散存放放在不同的服务器上，并有着不同的数据格式。如自动雨量站监测资料存放在数据库中，WRF中尺度预报资料为 GRIB 格式的格点资料，天气雷达监测资料有图形方式和二进制方式存放的基数据资料。资料采集和处理模块需要将这些种类繁多的资料处理成统一的数据格式，提交给灰霾天气预报模型进行模拟计算。对存放在数据库中的资料，开发数据库访问接口，将数据库资料直接转换成系统可以使用的格式。对于其他以文件方式存放的资料，需编写不同的资料处理

3、函数，将资料处理成模拟计算所需的格式。2.1.2 灰霾天气预报模型 灰霾天气预报模型以空气质量预报和评估系统（Models-3）为基础，根据气象部门已经发展成熟和业务化应用的WRF模式产品和基于环保部门提供污染排放源的SMOKES模式输出产品，经格式处理后进入Models-3的核心CMAQ模块处理得到多种污染物的时空分布客观预报产品。利用灰霾天气和污染物浓度的相关性分析结果，得到灰霾天气客观预报产品。2.1.2.1 中尺度天气模式WRFModels-3 所使用的气象资料由中尺度天气模式所提供。CMAQ模块所需要的网格经纬度资料、高层资料、垂直分层、土地利用型态、大气压力及云雾资料等等，均由 W

4、RF模式所提供。Models-3 本身并不提供 WRF模块，由于 Models-3 需要WRF 来进行气象资料的提供，因此在进行 Models-3 之前，需要先取得WRF的客观预报资料。WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式是由美国环境预测中心（NCEP）,美国国家大气研究中心（NCAR）等美国科研机构中心着手开发的一种统一的中尺度天气预报模式，目前浙江省气象局已经业务化应用，并有不同时空分辨率的客观天气要素预报产品。在气象部门已有的研究基础上，筛选WRF客观预报产品中温压风等气象要素客观预报产品，通过Models-3 的 MCIP （Met

5、eorology-Chemistry Interface Processor）模块进行资料的格式转换（转成 I/O API 格式）后即可进入CMAQ应用。WRF提供的资料约有： 模拟区域的网格资料（网格大小及网格尺寸等）； 仿真的时间（使用 Julian date 的时间设定）； 垂直分层（使用 sigma layer 作为垂直分层的基准）；地形资料（使用 Lambert 投影法）；温压风等气象资料。2.1.2.2 排放模式系统SMOKE 排放模式系统主要是处理排放数据资料以及为CMAQ模式进行排放源数据的预处理。它主要完成两项工作：一是将排放数据资料内插到模式网格点上；二是把排放数据资料的时

6、间尺度转换为小时。此外它还根据用户选择的化学机制对排放数据资料进行化学分类。SMOKE模式的特色为：此模式包含了固定源、移动源、面源及生物源的处理模块，可将排放源分成四种情况分别处理，此外，此模式支持 IDA （Inventory Data Analyzer）格式，因而排放源前处理亦变的单纯。利用环保部门的排放源数据，将排放源分成点、线、面源，其中，移动源以面源的型态表示，仅需以固定源、面源与生物源之资料型态进行排放量处理即可。2.1.2.3 核心模块CMAQ模式CMAQ模式是空气质量预报和分析系统的核心部分，它可以模拟多种污染物输送和转化过程。它的结构完全采用模块化，运行CMAQ用户无需修改

7、源程序，只要直接通过界面的操作即可。CMAQ 中，主要包含下列数个模块：初始值模块（Initial conditions processor (ICON)）；边界值模块（Boundary conditions processor (BCON)）；光解速率常数模块（Photolysis rate processor (JPROC)）；化学反应机制处理（CMAQ Chemical-transport model processor (CCTM)）。 BCON/ICON：初始值与边界值条件根据模拟的状况，可分为固定值与由外层网格提供的型态，通常固定值为最外层网格的输入型态，至于内层网格则以外层的仿真

8、结果带入，以增加模式的准确度。JPROC：另外，在光解速率模块中，主要以纬度坐标与季节进行干净天空的光解速率常数计算，至于云程序则包含在 CCTM（化学反应机制）当中，亦即云程序所造成的光解速率常数变化，将于 CCTM 进行时才开始计算。CCTM：在CCTM这个化学机制模块中，共包含有下列数种机制：垂直对流效应、 水平对流效应、垂直扩散效应、水平扩散效应、 云程序机制、气相化学反应机制、液相化学反应机制与云混合模式机制、气悬胶动力与粒径机制、烟流化学效应（主要为 Plume in Grid 作用）、气胶干沉降速率仿真、模式流程分析模块 2.1.3 Models-3本地化 利用浙江省气象部门已有

9、的WRF模型研究应用产品，对其进行衢州地区本地化处理，得到衢州地区的网格化产品。利用本地环保部门提供的排放源资料进行预处理后放入SMOKE模式运算，得到本地污染源的排放模拟产品，进行CMAQ运算后得到衢州地区污染物浓度时空分布客观预报产品。2.1.4 灰霾预报模型 利用历史空气污染资料，特别是PM2.5的浓度资料，结合衢州气象部门现有的能见度资料，根据气溶胶浓度分布计算能见度，并对统计模型进行人工订正，从而得到城市灰霾天气的客观和主观预报产品。2.2 灰霾天气预报预警产品制作平台2.2.1 统一数据库建设建立灰霾天气预报产品数据库是实现预报预警产品制作平台的基础。利用部门共享的数据库服务器，将

10、空气质量预报和评估系统所生成分小时的污染物浓度客观预报产品和灰霾天气预报模型生成的灰霾天气客观预报产品以及预报员经预报预警平台制作的主观预报和预警产品入库，建立统一的数据库系统，供相关的平台系统调用。2.2.2 基于GIS的预报预警产品制作平台基于GIS的灰霾天气预报产品制造平台利用GIS的采集、管理、分析和输出多种地理空间信息能力，结合精细化的大气污染物和灰霾天气客观预报资料，实况自动站资料，气象数值模型输出的客观预报产品。根据灰霾天气客观预报，值班预报员做出图形化的主观预报产品。并且通过对气象风险的区域划分，提取相应风险区域的相关责任人、各城市基本情况、人口、经济等多方面信息，对相关责任人进行点对点服务，实现监测、预报、预警、服务的一体化。