MM5/CALMET系統對陜西大氣穩定度的模擬

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系統對陜西大氣穩定度的模擬[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，主要從事環境氣象評估服務。

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

MM5/CALMET系統對陜西大氣穩定度的模擬

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年逐時大氣穩定度和混合層厚度，并與國家標準推薦的帕斯奎爾方法計算結果進行對比。結果表明：采用MM5/CALMET模式模擬大氣穩定度和混合層厚度方法基本可行，模擬的大氣穩定度分布與帕斯奎爾方法計算結果基本一致，平均誤差在10%以內；兩種方法所得混合層厚度月變化趨勢相近，相關系數最高可達0.947；延安、西安和漢中3站兩種方法對比結果各不相同，需要對比更多測站和更長時間的數據來進行結果訂正，方可應用于大氣污染預測和環境氣象業務中。

MM5/CALMET ；數值模擬；大氣穩定度；混合層厚度

大氣穩定度是大氣邊界層研究中一個重要的參數， 在許多污染擴散模式中作為單一參數來定義大氣湍流狀態或描述大氣擴散能力，穩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果。大氣邊界層厚度由大氣穩定度計算或直接觀測得來，表征大氣垂直擴散能力。國內外眾多學者對穩定度分類問題做了大量研究工作，提出十幾種穩定度分類方法[1-2]，對不同分類方法進行了比較分析[3-4]。帕斯奎爾利用常規觀測的風速、云量和輻射等級等資料將大氣穩定度分為幾個擴散級別，分別代表穩定、中性和不穩定類，并根據不同穩定級別給出了混合層厚度的計算方法[5]。20世紀70年代開始，我國在環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速確定大氣穩定度等級，根據不同等級可分別計算混合層厚度。該方法被納入國家標準GB/T 13201-91作為規范推薦使用，簡稱為國標法[5-7]。CALMET模式是美國EPA推薦的由Sigma Research Corporation(現在是Earth Tech Inc的子公司)開發的氣象模式，利用質量守恒原理對風場進行診斷。它是一個能夠包括地形動力學、地形阻塞效應、傾斜流、熱動力學和計算混合層高度、穩定度等基于3D網格點的邊界氣象學診斷分析模型。可直接使用中尺度模式MM5等作為輸入資料，直接輸出風場、溫度場、混合層高度、大氣穩定度以及莫寧奧布霍夫長度等3D氣象網格數據[8]。近年來，CALMET在模擬高精度氣象場方面應用越來越多，張俠等采用CALMET模式模擬氣象場進行建筑下洗效應的計算分析[9]，周榮衛等、杜吳鵬等采用MM5與CALMET模擬了高精度復雜風場，并用觀測數據對模擬結果進行了驗證，表明該模式系統可以應用于我國不同地形條件下的高分辨率風能資源評估[10-11]，蔣寧潔等采用MM5+CALMET系統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，而云量是采用國標法計算大氣穩定度的必須參數之一，沒有云量，無法計算大氣穩定度。云量資料的缺失對于大氣污染預測評價工作和環境空氣質量評估工作造成極大困擾。CALMET模式可耦合MM5模式結果，直接輸出大氣穩定度結果。本文研究使用MM5/CALMET模擬延安、西安和漢中3站2015年大氣穩定度，并與帕斯奎爾方法計算結果進行對比，尋找可以替代帕斯奎爾的數值模擬方法，應用于實際業務工作中。

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定度，分別代表陜北、關中和陜南地區。MM5/CALMET模式系統采用9 km精度的MM5模式經過CALMET模式動力降尺度到200 m網格精度輸出模擬點逐小時大氣穩定度及混合層厚度。MM5模式計算區設置為雙重嵌套，第一重網格精度27 km，南北66個網格，東西99個網格，第二重網格精度為9 km，南北103個網格，東西64個網格，中心經緯度均為35.5°N，108.5°E。物理過程采用濕微物理過程參數化，邊界層物理過程參數化。其中邊界層物理過程參數化使用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，按風速、總云量、低云量、太陽輻射等級將穩定度分為極不穩定、不穩定、弱不穩定、中性、弱穩定和穩定6個等級，它們分別由A、B、C、D、E和F表示[1-2]。本文在結果對比中，將A、B、C類合并為不穩定類、將E、F類合并為穩定類。

2 模擬結果與帕斯奎爾方法計算結果對比

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

2.1 大氣穩定度結果對比

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

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果的相關系數，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果，1—4月、10—12月一致，6—9月模擬結果略高于計算結果，整體趨勢模擬良好；西安模擬結果均小于帕斯奎爾計算結果，但整體趨勢模擬較好，后期可訂正后應用； 漢中模擬結果均大于帕斯奎爾計算結果，與3.1節漢中模式模擬不穩定類頻率較大相一致，不穩定情況下混合層厚度會較大，整體趨勢模擬較好，后期可訂正后應用。

圖1 延安、西安和漢中2015年大氣穩定度出現頻率/%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，分別統計各級出現頻次，結果見圖3。從圖3可看出：延安混合層厚度300 m以下和300～500 m的出現頻次模式模擬結果和帕斯奎爾計算結果一致，501～1 200 m帕斯奎爾方法略多于模擬結果，大于1 200 m以上模擬結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頻次模擬值與帕斯奎爾計算結果基本一致。漢中混合層厚度300～1 200 m出現頻次模擬結果和帕斯奎爾計算結果基本一致，混合層厚度小于300 m時帕斯奎爾方法多于模擬結果，大于1 200 m時帕斯奎爾方法少于模擬結果,說明漢中在穩定類條件下，模擬的混合層厚度較低；在不穩定條件下，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果與帕斯奎爾方法計算結果都基本一致，漢中因為CALMET模擬不穩定類偏多而穩定類偏少，大氣不穩定易造成混合層厚度升高，所以模擬結果較計算結果在混合層厚度大于1 200 m時的出現頻次偏多。

圖3 延安、西安和漢中2015年混合層厚度分級對比

3 結論與討論

(1)采用MM5/CALMET模式模擬延安、西安和漢中3站穩定度分類結果與帕斯奎爾方法計算結果基本一致。延安和西安均為穩定類出現頻率基本一致，不穩定類出現頻率模式模擬結果略大于帕斯奎爾方法，中性類出現頻率模式模擬結果小于帕斯奎爾方法；漢中中性和穩定類頻率模擬結果與帕斯奎爾方法基本一致，不穩定類頻率模擬結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果的相關系數分別為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果與帕斯奎爾方法計算結果基本一致；漢中混合層厚度各級模擬結果在混合層厚度小于300 m時帕斯奎爾方法多于模式結果，大于1 200 m時帕斯奎爾方法少于模式結果，這與漢中模擬的不穩定類頻率較大一致。

(3)采用MM5/CALMET模式模擬大氣穩定度和混合層厚度方法基本可行，與帕斯奎爾方法相關性較好，延安、西安和漢中3站兩種方法對比結果各不相同，需要對比更多測站和更長時間的數據來進行訂正，方可應用于大氣污染預測和環境氣象業務中。

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