基于WRF模式的霧霾精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)

張桂華，齊 鐸

(黑龍江省氣象臺(tái)，哈爾濱 150030)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，構(gòu)建高時(shí)空分辨率的精細(xì)化霧霾預(yù)報(bào)成為霧霾預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的目標(biāo)。準(zhǔn)確精細(xì)化的霧霾預(yù)報(bào)不僅為百姓出行提供指導(dǎo)，也為政府決策提供技術(shù)支持。

1 區(qū)域中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)

區(qū)域中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)是基于最新的WRFV3.6.1版本開(kāi)發(fā)，模式設(shè)計(jì)為三層嵌套。第一層覆蓋中國(guó)北方大部地區(qū)、蒙古、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)、朝鮮半島、日本海，格點(diǎn)精度27 km，預(yù)報(bào)時(shí)效96 h，模式產(chǎn)品輸出時(shí)間間隔為1 h。第二層覆蓋內(nèi)蒙古東部地區(qū)、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，格點(diǎn)精度9 km，預(yù)報(bào)時(shí)效96 h，模式產(chǎn)品輸出時(shí)間間隔為1 h。第三層覆蓋黑龍江省、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，格點(diǎn)精度3 km，預(yù)報(bào)時(shí)效24 h，模式輸出時(shí)間間隔為1 h。區(qū)域數(shù)值模式每天冷啟動(dòng)2次，為北京時(shí)間8∶00和20∶00。同時(shí)，區(qū)域模式采用快速循環(huán)預(yù)報(bào)方式進(jìn)行熱啟動(dòng)(3 km區(qū)域)，間隔為3 h。區(qū)域模式背景場(chǎng)主要應(yīng)用GFS全球預(yù)報(bào)模式，數(shù)值模式資料同化采用3DVAR技術(shù)，同化最新常規(guī)與非常規(guī)觀測(cè)資料。常規(guī)資料主要有全球高空地面交換數(shù)據(jù)、區(qū)域自動(dòng)站資料。非常規(guī)資料有衛(wèi)星微波輻射數(shù)據(jù)、GPS-MET水汽垂直廓線數(shù)據(jù)、黑龍江省及周邊省份C波段多普勒雷達(dá)徑向速度和強(qiáng)度。模式目前采用Morrison微物理顯示方案、rrtm長(zhǎng)波輻射、Dudhia短波輻射、Noah陸面過(guò)程、YSU邊界層、Grell 3d ensemble積云對(duì)流參數(shù)方案。

2 區(qū)域中尺度環(huán)境氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)

本系統(tǒng)基于WRF-CHEM V3.6.1化學(xué)模式開(kāi)發(fā)。WRF-CHEM是將化學(xué)模式與WRF氣象模式耦合的一個(gè)區(qū)域大氣動(dòng)力---化學(xué)耦合模式。預(yù)報(bào)區(qū)域、時(shí)效、精度與WRF氣象模式一致。模式參數(shù)采用RRTMG長(zhǎng)短波輻射方案、Grell 3 d積云對(duì)流方案、Noah陸面過(guò)程、YSU邊界層方案、lin微物理過(guò)程。化學(xué)方案采用成熟發(fā)展完善的CBMZ氣相化學(xué)方案。該方案按照分子結(jié)構(gòu)分類(lèi)，涵蓋67個(gè)物種，涉及176個(gè)氣相化學(xué)反應(yīng)，其中涉及到光化學(xué)反應(yīng)的物種有20個(gè)。與之配套的氣溶膠化學(xué)方案是MOSAIC，該方案按照氣溶膠粒徑大小分為4級(jí)或8級(jí)。利用CBMZ-MOSAIC方案能較好地模擬大氣環(huán)境中氣態(tài)和固態(tài)污染物的熱力和動(dòng)力過(guò)程。主要預(yù)報(bào)產(chǎn)品有：1 h間隔SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10等濃度分布預(yù)報(bào)、未來(lái)三天首要污染物及相應(yīng)的空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)和等級(jí)(1～6級(jí))、混合層高度、理查森數(shù)、通風(fēng)系數(shù)、逆溫強(qiáng)度。

區(qū)域中尺度環(huán)境氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

第一，基于最新排放源清單統(tǒng)計(jì)建立黑龍江省人為污染源排放清單，根據(jù)不同行業(yè)對(duì)各類(lèi)排放物的排放量估算其時(shí)空分布特征。

第二，本系統(tǒng)對(duì)四類(lèi)人為污染源根據(jù)自身特點(diǎn)進(jìn)行細(xì)分，農(nóng)業(yè)源分為種植與畜牧業(yè)；工業(yè)源分為工業(yè)鍋爐燃燒、煉焦廠、水泥廠、鋼鐵廠和其他工業(yè)生產(chǎn)；居民源分為室內(nèi)原煤燃燒、燃油、燒柴和秸稈；交通源分為輕型汽油車(chē)、重型汽油車(chē)、重型柴油車(chē)和摩托車(chē)的尾氣排放。

第三，黑龍江省植被茂密，可揮發(fā)有機(jī)物(VOCs)的排放量不可忽視。為此利用在大量試驗(yàn)資料基礎(chǔ)上建立的MEGAN自然源污染排放模型估算每小時(shí)黑龍江省植被20類(lèi)VOCs物種排放量。

基于區(qū)域中尺度環(huán)境氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，對(duì)以下霧預(yù)警、霧預(yù)報(bào)、霾預(yù)警、霾預(yù)報(bào)、能見(jiàn)度五類(lèi)預(yù)報(bào)分別進(jìn)行精細(xì)化預(yù)報(bào)呈現(xiàn)，范圍為覆蓋內(nèi)蒙古東部地區(qū)、俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)，格點(diǎn)精度9 km×9 km，預(yù)報(bào)時(shí)效96 h，模式產(chǎn)品輸出時(shí)間間隔為1 h。完全按照業(yè)務(wù)規(guī)定和實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行呈現(xiàn)。除了上述五個(gè)預(yù)報(bào)量，一些對(duì)霧霾預(yù)報(bào)有指示意義的物理量(混合層高度、理查森數(shù)、通風(fēng)系數(shù)、逆溫強(qiáng)度)和污染物濃度(SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10)也以圖片的形式呈現(xiàn)。

3 黑龍江省霧霾精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)品顯示

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

平臺(tái)設(shè)計(jì)采用jsp+tomcat+mysql搭建平臺(tái)。應(yīng)用Mysql庫(kù)保存網(wǎng)站數(shù)據(jù)。包括圖文件、鏈接名稱(chēng)、資料等網(wǎng)站組成元素。通過(guò)對(duì)表內(nèi)字段的定義，來(lái)完成數(shù)據(jù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)更多的功能。聯(lián)系Mysql庫(kù)，應(yīng)用后臺(tái)管理，編寫(xiě)后臺(tái)功能頁(yè)，對(duì)各要素進(jìn)行“增、刪、改”，把url及圖標(biāo)動(dòng)態(tài)管理，便于網(wǎng)站維護(hù)。信息共享平臺(tái)無(wú)須安裝客戶(hù)端，用戶(hù)只需要通過(guò)IE瀏覽器就可以方便查詢(xún)，顯示動(dòng)畫(huà)。產(chǎn)品以圖像方式向用戶(hù)展示預(yù)報(bào)信息和地理信息，以網(wǎng)址方式訪問(wèn)。

3.2 系統(tǒng)平臺(tái)使用技術(shù)手冊(cè)

因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要應(yīng)用于省、地、縣三級(jí)氣象部門(mén)，系統(tǒng)使用方法如下。

第一步：登陸http://172.19.112.252:8001/weather_linux/main.jsp，來(lái)到天氣信息共享平臺(tái)，在菜單管理項(xiàng)里自上而下的第七項(xiàng)為“霧霾數(shù)值預(yù)報(bào)”，同時(shí)在頁(yè)面上方也可以很方便地看到“霧霾數(shù)值預(yù)報(bào)”菜單。

第二步：點(diǎn)擊“霧霾數(shù)值預(yù)報(bào)”菜單。生成的界面分別顯示三個(gè)子菜單：霧霾及能見(jiàn)度預(yù)報(bào)、相關(guān)物理量和污染物濃度。

第三步：點(diǎn)擊“霧霾及能見(jiàn)度預(yù)報(bào)”菜單(下面均以左邊工具條為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行說(shuō)明)。生成具體的霧霾及能見(jiàn)度預(yù)報(bào)界面。在屏幕的右側(cè)有多個(gè)對(duì)話框如圖1所示，A：時(shí)間框在打開(kāi)對(duì)話框時(shí)默認(rèn)顯示當(dāng)前時(shí)間，例如20161005，在數(shù)字的右邊有一個(gè)小按鈕，鼠標(biāo)點(diǎn)擊后出現(xiàn)新的對(duì)話框，可以任意選擇年月日，也可以方便地任意選擇年月日然后按“確定”按鈕就可以了，此時(shí)對(duì)話框的左下方有個(gè)快速選擇按鈕，可以快速選擇20161005之前的三天和后一天的資料。B: 區(qū)域數(shù)值模式每天兩次運(yùn)算，初始預(yù)報(bào)時(shí)次為世界時(shí)，分別為00時(shí)和12時(shí)。C：為預(yù)報(bào)要素，對(duì)話框里列出所要預(yù)報(bào)的量。D：預(yù)報(bào)時(shí)效，逐小時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)，00小時(shí)～72小時(shí)，在對(duì)話框里可以單擊任意時(shí)次的預(yù)報(bào)圖。E：-1小時(shí)是往后退一張圖，+1小時(shí)是往前進(jìn)一張圖。方便逐小時(shí)前后翻閱預(yù)報(bào)圖。F：可以進(jìn)行動(dòng)畫(huà)播放，方便顯示預(yù)報(bào)要素的動(dòng)態(tài)，速度設(shè)為三種，分別為快、慢和正常。

圖1 霧霾及能見(jiàn)度預(yù)報(bào)

4 結(jié)論

基于WRF模式的霧霾精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了霧霾及能見(jiàn)度、相關(guān)物理量和污染物濃度的精細(xì)化預(yù)報(bào)。信息共享平臺(tái)無(wú)須安裝客戶(hù)端，用戶(hù)只需要通過(guò)IE瀏覽器就可以方便查詢(xún)顯示以及動(dòng)畫(huà)。為黑龍江省的霧霾預(yù)報(bào)、預(yù)警提供有力的技術(shù)支持。