CALPUFF技术导则 - 图文

CALPUFF空气质量模型

技术导则

(Version 5)

中国环境科学研究院 目 录

1 简 介 ............................................................................................................................................. - 1 - 1.1 CALPIUFF模型概述 ................................................................................................................ - 1 - 1.2 CALPUFF 模型系统（CALPUFF MODELING SYSTEM） ....................................................... - 3 - 2 CALMET气象模型 ....................................................................................................................... - 4 - 2.1 CALMET气象场原理 ............................................................................................................... - 4 - 2.2 技术研究 ................................................................................................................................... - 4 - 2.3微气象模块（MICROMETEOROLOGICAL MODEL） ................................................................... - 9 - 2.4 CALMET模块所需输入的数据及计算机格式要求（SUMMARY OF DATA AND COMPUTER REQUIREMENTS） ........................................................................................................................... - 13 - 3 CALMET模块使用说明.............................................................................................................. - 14 - 3.1 控制文件（CALMET.INP）的建立 ...................................................................................... - 14 - 3.2 CALMET外部输入文件 ......................................................................................................... - 16 - 3.3 CALMET的输出文件（CALMET.DAT） ............................................................................ - 23 - 4CALPUFF烟团扩散模块 ............................................................................................................. - 26 - 4.1 CALPUUFF烟团扩散模型简介 ............................................................................................. - 26 - 4.2 CALPUFF模块特征及其中的选项 ........................................................................................ - 26 - 4.3 技术研究 ................................................................................................................................. - 28 - 4.4 CALPUFF烟团扩散模型 ........................................................................................................ - 43 - 4.5 CALPUFF模块使用说明 ........................................................................................................ - 44 - 5 CALPOST后处理模块 ................................................................................................................ - 60 - 5.1 CALPOST模块的介绍及选项 ............................................................................................... - 60 - 5.2 CALPOST模块的输入文件及输出文件 ................................................................................ - 60 -

I

1 简 介

1.1 CALPIUFF模型概述

空气质量扩散模式研究方法基本上是在把握城市下垫面特征和气象场特征 的基础上，掌握各种类型的污染物排放源资料，进而运用边界层湍流扩散理论及大气化学理论确立污染物迁移、扩散和转化的规律。目前空气质量扩散模式的种类繁多，应用时首先通过对关心的污染源和污染物、模拟的时空范围及分辨率、模拟区域的下垫面特征几个方面选择空气质量扩散模式，如在时空范围方面，对于小尺度的空气质量模拟，一般只需考虑大气的扩散稀释作用，而对于中、大尺度的空气污染，则还需考虑污染物的化学转化和干、湿沉积等其它物理化学过程。

CALPUFF模型是美国EPA推荐的由Sigma Research Corporation （现在是Earth Tech, Inc的子公司）开发的空气质量扩散模式，它由CALMET气象模块、CALPUFF烟团扩散模块和CALPOST后处理模块三部分组成。

CALPUFF是用于非定常、非稳态的气象条件下，模拟污染物扩散、迁移以及转化的多层、多物种的高斯型烟团扩散模式，它模拟的尺度可以从几十米到几百公里，在近距离模式可以处理如建筑物下洗、浮力抬升、动力抬升、部分烟羽穿透和海陆交互影响等过程，在远距离可以处理如干、湿沉降，化学转化，垂直风修剪和水上输送等污染物清除过程。模式可以处理逐时变化的点源、面源、线源、体源等污染源，可选择模拟小时、天、月以及年等多种平均模拟时段，模式内部包含了化学转化、干湿沉降等污染物去除过程，充分考虑下垫面的影响，输出结果主要包括逐时的地面网格和各指定受体点的污染物浓度。

应用CALPUFF扩散模式对空气质量进行模拟时，主要是通过：

① CALMET气象模块通过质量守恒连续方程对风场进行诊断，在输入模式所需的常规气象观测资料或大型中尺度气象模式输出场后，自动计算并生成包括逐时的风场、混合层高度、大气稳定度和微气象参数等的三维风场和微气象场资料；

② CALPUFF烟团扩散模块通过对CALMET输出的气象场与相关污染源资料的叠加，在考虑到筑物下洗，干、湿沉降，化学转化，垂直风修剪等污染物清除过程情况下，模拟污染物的传播及输送；

③ 通过CALPOST后处理模块输出所需结果来完成的。具体路线见图1－1。

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其中，CALPUFF烟团扩散模块是整个CALPUFF空气质量扩散模型的核心部分。

CALMET.INP

Gridded Hourly Wind Fields (CALMET.DAT)

CALPUFF.INP

Predicted Concentration

Fields (CONC.DAT)

Predicted Dry Flux Fields (DFLX.DAT)

Relative Humidity Data for Visibility (VISB.DAT)

Predicted Concentration

Fields (CONC.DAT)

CALPUFF Output List File (CALPUFF.LST)

Calculations

CALPOST Postprocessor

Output List File (CALPOST.LST)

图1－1 CALPUFF模型技术流程

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1.2 CALPUFF 模型系统（CALPUFF Modeling System）

在CALPUFF模型中，大部分软件都是根据CALMET、CALPUFF和CALPOST三个模块开发的。为了提高模型的功能性，每个模块都有基于计算机之上使用的图形界面（CALGUI）,用户可以在图形界面上通过输入相应的参数参量形成一个控制文件（control file）来运行各模型运行。这个控制文件很容易操作，而且包含了大量的关于模型选项、默认值和变量单位等信息。

除了使用CALMET、CALPUFF和CALPOST三个模块，在CALPUFF模型中，还可以利用其它经过预处理程序后很容易使用的模块处理后的结果，如MM5/MM4气象模块，PRTMET后处理模块等。具体可供使用的模型模块见图1－2。

图1－2 CALPUFF模型中可选择的模块

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2 CALMET气象模型

2.1 CALMET气象场原理

CALMET是利用质量守恒连续方程，在三维网格模拟域中描述小时风场与温度场的气象模块，其核心部分包括诊断风场以及微气象场模式。它通过质量守恒连续方程对风场进行诊断，在输入模式所需的常规气象观测资料或大型中尺度气象模式输出场后，CALMET模式将自动计算并生成包括逐时的风场、混合层高度、大气稳定度和微气象参数等的三维风场和微气象场资料。CALMET模块在三维风场模拟过程中详细考虑了地形的动力学影响、倾斜气流和阻塞效应。

2.2 技术研究

2.2.1 网格系统（Grid System）

CALMET气象模块的网格是一个由X、Y、Z方向构成的三维网格系统，图2－1以一层7×4网格的例子举例说明了CALMET的网格系统的构成。其中“grid point”指的是每一个网格的水平与垂直方向的中心交点，\指两个相邻网格的边界线，气象网格的位置是由地理坐标（X,Y）决定的。

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图2－1 CALMET模型中的网格系统

在CALMET网格系统中，X轴和Y轴代表的方向分别是东—西向和南—北向，这样的定义使坐标轴与风向的方向相一致，常用的坐标系是UTM坐标系。如果模拟的范围比较大时，需要输入不同的LLCONF变量消除兰伯特坐标系中由于地球本身的曲率造成的影响，

CALMET模型中Z轴（随地形变化）坐标的计算公式如下：

Z?z?ht

式中：Z——随地形变化的坐标（the terrain-following vertical coordinate） z——笛卡儿坐标（the Cartesian vertical coordinate ）； ht——地形海拔高度（the terrain height）；

在随地形变化的坐标系中，风速的垂直速率的计算公式为：

W?w?u?ht?h?vt ?x?y式中：w——笛卡儿坐标系垂直方向的风速； u、v——水平方向风速；

2.2.2 诊断风场模块（Wind Field Module）

CALMET气象模块主要有诊断风场和海陆边界层之上的微气象模块构成。当模拟较大区域的空气质量时，用户应该选用兰伯特投影坐标系，以便校正由于地球曲率造成的误差。在CALMET模块中，诊断风场模式经过两步模拟，最后形成完整的诊断风场。 ? 第一步风场的形成

用诊断模型模拟第一步风场时，需要调整地形、坡风、闭合效应的影响，还需要进行三维散度最小化。

① 动力学地形影响（Kinematic Effects of Terrain）

CALMET采用Liu and Yocke（1980）方法对地形的动力影响进行了参数化。笛卡儿坐标系的风速垂直分量w，按如式计算：

w??V??ht?exp??kz?

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k?N |N|1??g?d??2N?????

????dz?V——区域平均风速，m/s； ht——地形高度，m； k——大气稳定度幂指数； z——垂直坐标

N——地面到用户输入的高度“ZUPT”的Brunt Vaisala 频数； θ——位温，K； g——重力加速度，m/s2; │V│——区域平均风速 ② 坡风（Slope Flows）

CALMET使用经验方法考虑了复杂地形的坡风尺度。坡风的方向一般朝水流方向。把坡风模拟到第一步网格风场后，形成了调整后第一步风场的风矢量。

'u1＝u1?us

v1?v1?vs

'

u1，v1 ——考虑坡风前，第一步风场的风速，m/s； us ，vs ——坡风风速，m/s；

u1?，v1?——考虑坡风后，第一步风场的风速，m/s。 ③ 闭合效应（Blocking Effect）

地形对风场的热动力闭合效应用局地Froude数进行了参数化。

Fr?V N?ht

?ht??hmax?ij??z?ijk

Fr——局地佛罗德数（Froude数）； V——网格点的风速，m/s； N——Brunt Vaisala 频数；

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?ht——障碍物的有效高度，m；

(hmax)i j——网格点（i,j）的影响半径内的最大地形高度，m； (z)i j k——网格点（i,j）的最打高度，m。

对每个网格点计算Froude数。如果Fr小于临界Froude数，且网格点的风有向上的分量，风向被调整为与地形相切；如果Fr大于Froude数，对风场不进行调整。

? 第二步风场的形成

诊断模型的第二步风场由如下几部分组成。内插和外推、平滑处理、垂直风速的O?Brien调整、散度最小化。 ① 内插和外推

一般在所给的气象资料中只有几个地面站观测的风速。因此，如果欲在每个网格点都要产生风速，必须根据已知的观测资料进行内插和外推。第一步风场按如下方法进行内插。

?u,v?'1??u,v?2?'R2?k?uobs,vobs?kRk121??22RkRk

(uobs,vobs) k——地面站k的观测风速，m/s； (u,v) 1?——网格点的第一步风速，m/s； (u,v) 2?——网格点第二步风速，m/s； Rk——观测站k到网格点的距离，m； R——用户指定的第一步风场的加权参数。 风速垂直外推由以下公式求得。

Puz?um??zzm?

z——网格中点高度，m；

zm——地面观测点的观测高度，m； uz——在高度z处的风速u分量，m/s； um——观测的风速u分量，m/s； P——风速廓线幂指数。 ② 平滑处理

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为了避免风场的不连续性，第一步风场需经过平滑处理。CALMET的平滑处理公式为：

?u,v?''2?0.5ui,j?0.125?ui?1,j?ui?1,j?ui,j?1?ui,j?1?

(uij)——平滑处理前风速，m/s。

表2-1

稳定度级别 A B C D E F

(u,v)??——在网格点（i,j），经平滑处理后的风速，m/s；

不同稳定度条件下风速廓线指数 农村指数 0.07 0.07 0.10 0.15 0.35 0.55 城市指数 0.15 0.15 0.20 0.25 0.30 0.30 ③ 垂直风速的O?Brien调整

CALMET有两种方法计算垂直风速。一种方法是利用平滑处理后的风场，直接从质量守恒方程求得垂直分量；另一种方法是对垂直风速廓线进行调整，使模拟区域顶层的值为零。

不可压缩流体的质量守恒方程为：

du''dv'dw1???0 dxdydz

w1——地形追踪坐标系下，风速垂直分量，m/s； u??,v??——平滑处理后的风速，m/s。 O?Brien调整方程为：

w2?z??w1?z???zztop?w1?z?ztop?

经调整后，模拟区域顶层的风速垂直分量变成零。 但在有些场合，不能进行O?Brien调整。 ④ 散度最小化

在CALMET，三维风场的散度必须小于用户定的最大允许散度ε，即

dudvdw???? dxdydz

点（i,j,k）的散度Dijk表示为：

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Dijk?wi,j,k?1/2?wi,j,k?1/2zk?1/2?zk?1/2?ui?1,j,k?ui?1,j,k2?x?vi,j?1,k?vi,j?1,k2?y

Δx，Δy——网格边长。 散度最小化过程为：

?unew?i?1,j,k?ui?1,j,k?uadj

?unew?i?1,j,k?ui?1,j,k?uadj ?vnew?i?1,j,k?vi,j?1,k?vadj ?vnew?i,j?1,k?vi,j?1,k?vadj uadj??Dijk?x2?Dijk?y2

vadj?

这过程一直反复进行到散度小于ε。

2.3微气象模块（Micrometeorological Model）

2.3.1 地表热通量和动力通量参数

很多研究表明，在进行空气质量扩散模拟时选择恰当的边界层参数可以优化模拟的结果。描述边界层时所采用的主要参数是：地表热通量（Qh）、地表动力

2通量（?u?）和边界层高度（h）。另外，还有一些其它的参数，如：摩擦率（u?）、

湍流系数（w?）和莫宁—奥不霍夫长度(L)。对于模拟烟羽扩散过程这些参数的选择，Hanna et al.做了很多的研究，有两种方法可以用来计算地表热通量和动力通量，第一种是采用轮廓线的方法，这种方法要求必须具备近地层不同高度上的风速，两个不同高度间的温度差、空气温度和近地层的平滑特征等数据，通常采用Monin-Obukhov 理论解决近地层通量问题。 第二种方法通过能量守恒定律计算计算地表热通量。常采用后一种方法。 ? 陆上边界层（Overland Boundary Layer）

地表能量平衡的计算公式如下：

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Q??Qf?QH?Qe?Qg

式中：Q?——净辐射net radiation（W/m2),

Qf——人为热通量anthropogenic heat flux（W/m2),

Qh——显热 sensible heat flux （W/m), Qe——潜热 latent heat flux（W/m),

Qg——地热 storage/soil heat flux term（W/m),

2

2

2

其中，显热和潜热的比例称为Bowen比，简称B。模型中要求输入网格化的Bowen比的值，Bowen比基于土地利用类型的不同，具有相应的季节默认值，它的重要性在于可以决定湍流强度（degree of convective）,反应了显热和潜热通量的变化情况。 从海洋地区过渡到沙漠地区 Bowen比范围为0.1～10。

B?① 地热（Qg）

Qh Qe其计算公式为： Qg指的是白天土壤或建筑物吸收的太阳辐射所产生的能量，

Qg?cgQ?

其中，Oke对常数cg的取值范围做了一定的研究，他认为在郊区或农村cg的取值范围为0.05－0.25，城市里cg的取值范围为0.25－0.30。城市中变量

cg值大

的原因是城市中建筑物传热快、热容量大，吸收的能量多。Holtslag和Ulden把草地的cg定为0.1。 ② 人为热通量（Qf）

Qf可以反应一个地区的人口密度，是由于人类活动所产生的能量值。 ③ 净辐射（Q?）

Q?指的是地表吸收的辐射能与支出的辐射能的差值。其计算公式为：

Q??Qsw?1?A??Q1w?d?Q1w?u

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其中：Qsw——吸收的短波辐射，(W/m2) A——地表反照率

Q21w?d——吸收的大气长波辐射，(W/m) Q21w?u——地表放射的长波辐射，(W/m) ④ 显热（Qh）

其计算公式为：

QBh?1?B?Q??1?cg??Qf? ⑤ 摩擦率（u?）

u??ku?ln?zz0???m?zL???m?z0L??

其中：z0——地表粗糙深度（m） ?m——a stability correction function k——Karman 常数

u——垂直高度层的风速（m/s） ⑥ 莫宁—奥不霍夫长度(Monin-Obukhov length)

L???c3pTu?kgQ

h其中：T——温度（K）

cp——常压条件下空气热量 ?——空气密度，（kg/m3） g——重力加速度，（m/s2） ⑦ 稳定条件下边界层的高度

A、 Venkatram (1980)提供的计算公式为：h321?B2u?

B、 Zilitinkevich (1972)提供的计算公式为：hu?L2?0.4f? 海上边界层（Overwater Boundary Layer）

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受水表面的空气动力学和热力学特性影响，在计算海上边界层参数时，不同的海洋环境应采用不同的方法。海上边界层和陆上边界层的最大区别在于其不存在太阳辐射造成的潜热的影响。在CALMET模块中，是根据海面气温的差异和海上风速形成的轮廓线计算海上边界层参数。 ① 海上边界层的动力扩散系数CuN

在中性的气象条件下，海上边界层的动力扩散系数CuN可以用10－m的风速表示，计算公式如下：

CuN??0.75?0.067u?10?3

② 摩擦率u?，

12计算公式为：u??uCuN

③ 莫宁—奥不霍夫长度(Monin-Obukhov length)

322?vCunu L?E2??v??vs?其中：?v、?vs——水、气潜在的温度值（K） u——10－m风速（m/s） E2——是常数，值为5.096×10-3 ④ 海上混和层的高度

hwater?cwu? f其中：cw——常数，值大约为0.06 u?——摩擦率，（m/s） f——Coroilis参数

2.3.2 三维温度场

在模拟三维温度场时，所要求的条件如下：①具有可利用的探空站观测数据 ；②具有可利用的时变地表温度数据；③把对流层以下的大气看作是绝热的。通过对探空数据的连续线性插补最终形成三维温度场。

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2.3.3 降水插补（Precipitation Interpolation）

CALMET模型需要把观测站观测到的时变降水数据通过插补的方法网格化到各网格中，有三种插补方法可供选择：1/d 插补、1/d2 插补和1/d2指数插补，通常默认的插补方法是1/d2 插补法。在网格点（i，j）处的降水量的表达式为：

Ri,j?Rd??1dkKKnknk

其中：Rk——观测站观测的时变降水率，（mm/hr） dk——观测站离网格点（i，j）的距离 n——指数

2.4 CALMET模块所需输入的数据及计算机格式要求（Summary of Data and Computer Requirements）

CALMET气象模块数可以输入多种数据，常用的输入数据简要概述如下： ? 地面站气象数据（Surface Meteorological Data）

CALMET模块要求输入尽量多的气象地面站的每日逐时观测资料，包括风

速、风向、气温、云底高度、云量、气压和相对湿度。对于所获得的地面站观测资料，允许温度，云量、气压等数据有缺失时，但应用最近的地面站数据取代那些无效值。

? 探空气象数据（Upper Air Data）

CALMET模块要求输入至少1个气象探空站的每日探空资料，包括风速、风向、气温、气压和抬升高度的垂直廓线。对于所获得的观测资料，如果风速、风向或温度等有缺失时，探空站中通过内插的方法获得数据取代那些无效值。 ? 海上观测数据(Overwater Observations)

如果所模拟的区域包括水面或受海洋的影响很大时，模型应用软件中还涉及到了海上气流的传输和扩散，因而CALMET边界层模块中还需要观测海面气流中的一些参数，包括：海气温度差、气温、相对湿度、海上混和层高、风速 风向等。

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? 地理数据（Geophysical Data）

CALMET模型还要求需要输入地理数据，包括网格化了的海拔高度和土地利用类型数据。有时也需要输入一些其它网格化了的地理参数，比如：地表粗糙度、反照率、波恩比、土壤热通量常数、人为热通量及植被覆盖率等。

在对以上数据进行预处理时，需要变成National Climatic Data Center's (NCDC)的格式输入计算机，或者可以以外部文件的形式输入。

3 CALMET模块使用说明

3.1 控制文件（CALMET.INP）的建立

CALMET模型的选项和控制都由控制文件CALMET.INP执行，CALMET.INP包含了能详细描述模型运行的所有信息，如：模型运行起始时间、水平和垂直网格数、模型选项标记、地理数据（海拔高度、土地利用类型及地面特征）等。CALMET.INP可以通过传统的编辑方式直接建立，也可以通过在windows下运行的CALMET.GUI输入界面间接的建立。通过对CALMET.GUI的信息输入，不仅能形成控制文件，而且CALMET.GUI能使模型运行，也可优化文件的管理功能。

CALMET.INP大体上主要通过以下10组信息输入和一个三行的标题完成，若不在CALMET.GUI界面中而是使用传统方式输入时，组内的变量可以不按顺序自由输入，但各组应该按顺序输入，每组信息输入完成后应以一个输入!END!表示结束，通常都是在CALMET.GUI界面中输入信息形成控制文件的。

具体输入内容如下： ? 标题（Run Title）

概括性的描述了模型的选项，包括网格数；网格间距；采用的风场及所用地面站、地表站、降水资料等情况。

? 输入文件和输出文件的名称（Input and Output File Names）

地理、气象等数据因为数据比较繁多，一般以外部文件的形式输入，形成GEO.DAT、UP.DAT、SURF.DAT和SEA.DAT等输入文件。另外还应指定输出文件的路径和名称，如CALMET.DAT和CALMET.LST，这些文件中包含了CALMET气象场的信息，以便在CALPUFF模块中使用。 ? 运行时一般的控制参数（General Run Control Parameters）

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模型运行时常规的输入信息，如：起始时间、运行时间、模拟区域所处的时区及一些其它的运行选项（如：模拟过程中是只计算风场还是风场和气象参数都需要计算？默认值0代表只计算风场，默认值1表示风场和气象参数都需要计算） ? 网格控制参数（Grid Control Parameters）

包括网格数、网格间距、垂直层高度取值、坐标系的选取及模拟区域起始点坐标等。当模拟区域范围比较大时，常采用兰伯特坐标系。 ? 输出文件时的选项（Output Options）

指的是输出文件时对一些气象变量是否输出的决定，如是否以特定的格式输出MET气象场、采取什么样的格式输出（CALMET.DAT或者PACOUT.DAT）、输出指定的U, V风速层、w风速层、3-D 温度层等。 ? 气象数据选择（Meteorological Data Options）

包括模拟区域所采用的地面站、探空站、降水站、海洋站的个数，还有一些关于降水变量的选项。

? 风场选项及参数（Wind Field Options and Parameters）

在选择风场时，可以选择客观分析风场（Objective analysis only）或诊 断风（ Diagnostic wind module），在CALMET中，通常选择诊断风场模块。

另外还要考虑是否计算Froude数、考虑动力地形学影响、用O'Brien调 整垂直速率、坡风、外堆或内插探空层等一系列问题。而且还应对影响半径 （radius of influence parameters）、 weighting factors, barrier data等作出计算和选择。

? 混和层高度、温度和降水参数（Mixing Height, Temperature, and Precipitation

Parameters）

1）混和层高度经验值

Neutral, mechanical equation为 1.41，湍流系数为0.15，稳定海拔高度2400，Overwater mixing ht. equation为0.16，Coriolis参数默认值是: 1.E-4 。

2）Spatial averaging of mixing heights 3）其它的混和层高度变量

海陆混和层高度最大指和最小值、气温直减率最小值（常默认为0.001）、Depth of layer above current conv.mixing height、气温插补类型（1/R或1/R**2）、

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气温插补影响半径、气温插补时站数的最大值、是否进行气温空间平均、降水插补类型（1/R、1/R**2或 EXP/R**2）、降水影响半径、降水概率最小值。 ? 地面站参数（Surface Meteorological Station Parameters）

站名（Name）、编号（ID）、坐标（ X，Y）、时区及外部输入文件名。 ? Upper Air Station Parameters

站名（Name）、编号（ID）、坐标（ X，Y）、时区及外部输入文件名。 ⑴ Precipitation Station Parameters

站名（Name）、坐标（ X，Y）、时区及外部输入文件名。

3.2 CALMET外部输入文件

? 地理数据文件 (GEO.DAT)

GEO.DAT文件中包含的是CALMET模块中所需的地理数据，包括土地利用类型、海拔高度及一些其它地表参数（如：地表粗糙度、反照率、波恩比、土壤热通量参数等），其中土地利用类型和海拔高度以网格化的形式输入。模型中提供了与土地利用类型相关的参数默认值。

具体GEO.DAT文件格式见表2－2。包括文件标题（小于80字符）、X轴网格数目、Y轴网格数目、水平网格间距、模拟区域起始点坐标(X、Y)、模拟区域所处的UTM区域（全球共分60个区）、是否使用缺省土地使用类（0表示使用，1表示不使用）、土地利用类型数据库、海拔高度数据库。

默认的土地利用类型基于美国的土地利用分类系统（USGS），见表2-3.在美国土地利用类型分类系统中，把土地利用类型分为14类，即城镇用地、农业非灌溉用地、农业灌溉用地、牧地、林地、小水体、河口用地、大水体、沼泽地、覆盖有植被的沼泽地、无植被覆盖的沼泽地、裸露地、冻土和冰原地带。各种土地利用类型都有相应的标号，另外，在这14种类型中又有更细的划分，共分为52类。比如城镇用的又可分为工业用地、住宅用地、商业用地等。在确定土地利用类型时，可以通过查询获得。

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表2－2 GEO.DAT文件格式

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表2－3 美国土地利用类型分类系统

? 探空数据文件(UP1.DAT、UP2.DAT……)

CALMET的探空文件是从UPn.DAT中读取的。建立探空数据文件时，可以通过READ56 或者READ62预处理程序处理成NCDC格式，也可以通过FORTTRON语言编制应用程序，输出后使数据格式与指定的格式相符。具体UPn.DAT文件格式见表2－4。文件中包含的内容有：开始年、序列天、格林威治（GMT）时；结束年、序列天、格林威治（GMT）时；TOP层压强；初始文件夹格式（TD-6201格式或NCDC CD-ROM格式)、数据块（压强、海拔高度、温度、风速和风向）。

表2－4 UPn.DAT文件格式

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? 地面站数据文件(SURF.DAT)

CALMET中对于SURF.DAT文件可以通过两种方式建立。一种是通过SMERGE气象预处理程序建立，SMERGE预处理程序可以把时测到的地表气象数据转化成与CALMET模型相适应的NCDC 格式。这种方法适合于有很多地面站、数据量很大的情况下使用。第二种方法是根据给定的格式手写入所需的数据，数据量小的时候可以使用这种方法。

表2－5是一个关于SURF.DAT的简单的例子。在SURF.DAT文件中，包含有：

开始和结束的年、序列天和当地时间；时区；站数和站号及数据快（风速、风向、云层高度、云量、气温、相对湿度、压强及降水编号——0表示没有降水，1-18表示液态降水，45表示固态降水）。数据都是以FORTRAN语言格式读取的。

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表2－5 SURF.DAT文件格式

? 海洋数据文件(SEA1.DAT, SEA2.DAT, ...)

当所模拟的区域内有水域的存在时，CALMET模型中要考虑水气的传输于扩散，而且在选择边界层参数时，应该观测水—气温度差异、空气气温、相对湿度及海上混和层高度。尽管在CALMET.INP file中气温直减率有默认值，但是当考虑了水气温差后，必须重新给定气温直减率。在SEAn.DAT文件中，通过特殊的方式观测了风速和风向。另外，海洋站观测的数据不能对其进行插补，只能用 SURF.DAT文件代替 SEA.DAT文件，而且SEA.DAT文件中不能有风速、风向等数据的缺失，否则会出现错误的结果。

表2-6为一个简单的SEA.DAT文件例子。所包含的内容为：站名；ID号及数据块——观测点UTM坐标（X、Y）、经度、纬度、开始年、开始序列天、开始时、结束年、结束序列天、结束时、水气温差、气温、湿度、混和层高度、混和层气温下递减率、混和层气温上递减率、风速和风向。

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表2-6 SEA.DAT文件格式

? 降水数据文件(PRECIP.DAT)

当CALPUFF模型中考虑湿气消除运算法则（wet removal algorithm）时， CALMET 就必须生成网格化的时变降水率。可以通过PXTRACT和PMERGE预处理程序重新格式化NWS降水数据生成可被CALMET 模型接受的TD-3240格式。具体PRECIP.DAT文件见表2-7。文件中包含：开始年、序列天、时；结束年、序列天、时；时区、站数、站ID号及数据快（年、序列天和降水量）。

国内没有PXTRACT可以处理的降雨量数据，可以写好单站的TD3240文件直

接用PMERGE得到所需的降雨量文件PRECIP.DAT。单站TD3240文件格式见图3-5和表3-5。

图3-5 TD3240文件格式

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表3-5 TD3240文件格式

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 字段 Record Type 站点号 气象要素 单位 年 月 日 NUM VALUES 小时 降雨量值 字段宽度 3 8 4 2 4 2 4 3 4 6 Position 01-03 01-11 12-15 16-17 18-21 22-23 24-27 28-30 31-34 35-40 默认值 HPD HPCP HI 2001-2200 1-12 1-31 001 (01-24)*100 0.01英寸 DELPHI %3s ? %6s %.4d %.2d %.4d %.3d %.4d %.6d 注：蓝色为不定值，黑色为定值 单位换算为 1英寸=25.4毫米

表2-7 PRECIP.DAT文件格式

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3.3 CALMET的输出文件（CALMET.DAT）

CALMET.DAT文件包含的是CALMET模块生成的气象场数据，也包括一些CALMET模块、CALGRID和CALPUFF模块都所需的地理数据如：海拔高度、地表粗糙度及土地利用类型等。不同的是CALGRID需要输入三维的温度场和垂直速率而CALPUFF模块去不需要，因而需要通过CALMET模块生成气象场时转化那些变量。

CALMET.DAT文件由15组记录描述和一系列的时变数据组成。15组记录性的描述分别代表：模块运行标题、网格系统、垂直高度的确定、地面站坐标、探空站坐标、降水站坐标、地表粗糙度、土地利用类型、海拔高度、叶面积指数、距离各网格点最近的气象站。所包含的具体变量和数据块描述见表2－8。

表3－8 CALMET.DAT所含变量及数据块

序号 变量序号 变量 TITLE VER LEVEL IBYR IBMO IBDY IBHR IBTZ IRLG IRTYPE NX NY NZ DGRID XORIGR YORIGR IUTMZN IWFCOD NSSTA NUSTA NPSTA NOWSTA NLU IWAT1 IWAT2 描述 CALMET运行时用户指定的标题（不超过80字符） CALMET模型的版本数 CALMET model level number 开始年 开始月 开始天 开始时 时区 运行时长 运行类型（0只考虑风场，1风场和微气象场都考虑） X方向的网格数 Y方向的网格数 垂直方向的层数 网格间距 模拟区起始网格点X轴坐标 模拟区起始网格点Y轴坐标 UTM区 风场模块的选择（0客观分析，1诊断风场） 地面气象站的个数 探空气象站的个数 降水气象站的个数 海上气象站的个数 土地利用类型的种类 土地利用类型的等级划分 水面变量，（IWAT1或者IWAT2） - 23 -

标题记录

1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

式中：C-地面浓度 Q-源强

?x,?y,?z-扩散系数

da-顺风距离 dc-垂直风向距离 H-有效高度

h-混合层高度

4.3.2 扩散作用（Dispersion）

在CALPUFF扩散模型中，需要考虑垂直方向和水平方向上的高斯扩散系数，即：?y和?z。

扩散过程中的扩散系数计算公式如下：

222 ??yn???y???ys?2y,n???y???yt??yb22 ??zn???z???zb?2z,n???z???zt其中：?yn、?zn——污染源参量，如：时间、距离。 当???0时，

?yn?zn——在扩散过程中某指定位置上水平和垂直方向上总的扩散系数；

?yt?zt——由于大气湍流作用的形成的扩散系数?y和?z ?yb?zb——在扩散过程中由于浮力抬升产生的?y、?z分量

?ys——面源侧向扩散产生的水平扩散系数分量

? 大气湍流作用产生的量（Atmospheric Turbulence Components）

在设计扩散模型时，应该使尽可能多的数据可以在计算?yt和?zt时被使用，当数据不能直接使用时，应该提供备份的不要求输入专业数据的计算公式。输入数据时，有五种扩散系数可供选择选择，分别是：

① 根据湍流运动计算的扩散系数，即?y和?w ② 利用微气象变量计算的扩散系数

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③ 通过ISCST模型计算的PG扩散系数和McElroy-Poole扩散系数 ④ 通过MESOPUFF II计算的除了PG扩散系数以外的扩散系数

⑤ 稳定的气象条件下CTDM格式的?和不稳定条件下第三种选项中的? 输入的数据有三种levels：

① 湍流扩散系数，?y和?w；(Dispersion Options 1 and 5-neutral/stabl ② 通过CALMET微气象参数或其它模块的微气象参数计算的侧风向和垂直方向的分量；(Dispersion Option 2)

③ Pasquill-Gifford-Turner (PGT)或ISCST模型中的扩散系数 计算?yt和?zt时常用的公式(Hanna et al., 1977)是：

?yt??ytfy?ttly? ?zt??wtfz?ttlz?

其中：?v——风在水平方向上的标准偏离分量(m/s) ?w——风在垂直方向上的标准偏离分量(m/s) t——烟羽从产生至扩散到受体所用的时间(s)

tly、tlz——分别为水平方向和垂直方向上的拉格朗日常数

? 浮力抬升（Buoyancy）

由于烟羽的抬升，烟羽浮力对扩散系数的作用可参数化(Pasquill, 1976; Irwin, 1979)，通过公式计算：

?yb??H3.5 ?zb??H3.5

其中：?H——烟羽上升的高度(m) ? 起始的烟羽大小（Initial Plume Size）

体源排放的烟羽初始大小是由用户指定的初始扩散系数（?y0和?z0）决定的。一个体源可以看作是由许多指定的面源组成的，随着烟羽的扩散，体源排放的烟羽大小可以当作点源的排放计算。 ? Puff Splitting (Vertical Wind Shear)

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? 对流边界层的P.D.F.选项

4.3.3 建筑物下洗(Building Downwash)

比较矮的烟囱排放的烟羽的扩散和浮力抬升作用会因周围的建筑物或其它障碍物的存在发生变化。

CALPUFF模型中的建筑物下洗参数比较适合用于湍流作用较强的地区，以ISC3模型的程序为基础。ISC3中有两种运算法则计算建筑物下洗参数： ? Huber-Snyder模型。

这种模型适用于源高远比建筑物高度高，超过Hb?TbdLb的情况。第一步需要计算烟羽的有效高度（He），如果He超过了Hb?1.5Lb，建筑物的下洗作用可以忽略不计；否则的化，就需要计算。当烟囱的高度低于1.2Hb时，?y和?z都是增大的；当烟囱的高度高于1.2Hb时，只有?z时增大的。

? Schulman-Scire模型。这种模型认为扩散系数和建筑物下洗对烟羽上升的作用成线性关系。用于烟囱的高度低于Hb + 0.5 Lb的时候。

描述建筑物下洗标志时，需要指定风向。和ISC3一样，CALPUFF模型指定了36个风向。

4.3.4 烟羽抬升(Plume Rise)

烟气抬升是动力作用和热力作用综合作用的结果。对任何兼有动力和热力抬升的烟源，近距离的抬升主要由动力作用支配，远记录主要由浮力作用支配。CALPUFF模型中烟羽的抬升关系适用于各种类型的源，各种特征的烟羽。烟羽抬升过程需掌握的有： ? 基本的烟羽抬升方程式 A、中性或不稳定的气象条件下：

3zn?3Fmx?f2us2?3Fx22?12us??????13

其中：Fm——动力通量（m4/s2), F——浮力通量（m4/s2) Us——出口风速（m/s） X——下风向距离(m)

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?1——中性夹带参数（-0.6） ?j——喷射系数，?j?13?usw

W——烟气出口速率

烟羽抬升高度的截止距离为：

4D?w?3us??usw?其中：D——烟囱直径the stack diameter (m)

2xf?3 5 X ?

.

X=14F X=34F??58(F≤55m4s3) （F＞55m4s3）

25B、稳定的气象条件下，

2Zsf??3Fm??usS?j???122????6F?2usS?

????13其中：?2——稳定夹带参数(～0.36),

S——稳定性参数a stability parameter (g/Ta)( d?dz), g——重力加速度(m/s2) Ta——周围环境温度 d?dz——气温直减率(K/m).

? 烟囱对烟羽的下洗作用Stack-tip Downwash

当烟气出口速率与出口风速的比小于1.5时，烟羽就会由于烟囱的障碍作用在烟囱后面堆积。Briggs (1973)指出通过改变烟囱的高度可以改变烟囱对烟羽的下洗作用。

其中：D——烟囱直径the stack diameter (m) ? 局部烟羽穿透作用Partial Plume Penetration

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hs?2D?wus?1.5?

wus?1.5

hs'?

hs wus?1.5

CALPUFF中烟羽穿透参数P和烟羽在混和层下停留参数f的计算公式如下Manins (1979)：

P?Fbusbi?h?hs?2

?P?0.8??1?0.8?f???P?0.8?0.08?P?0.3?

?P?P?0.3???0其中：us——出口风速 Fb——初始浮力通量

h——倒置层的高度（the height of the inversion） hs——烟囱高度

bi——倒置层强度（the strength of the inversion bi?g?TiTa) ?Ti——穿透倒置层时的温度（temperature jump across the inversion） Ta——周围空气温度 g——重力加速度

? 建筑物下洗（Building Downwash） ? 风的垂直剪切作用

可以通过烟羽抬升方程式中的烟囱出口风速计算烟囱顶端风速的变化情况。 在很多公式里，都假设烟囱顶端的风速是不变的，这种情况适合与比较高的烟囱，但是对于比较低的烟囱，烟囱顶部风速的变化对于正确评价烟羽浮力抬升作用居易非常重要的意义。当烟囱顶部垂直风速近似看作u?z??us?zhs?时，从比较低

2的烟囱排出的烟羽抬升高度可根据下面的公式计算： A、中性或稳定条件下

3pzw?e2?6?2p?Fzm???????213um??1ex2e

e?3?3p

其中：p——the wind speed power law exponent

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