第二章 WRF-Chem 模式介绍WRF-Chem模式是由美国NOAA预报系统实验室〔FSL〕开发的，气象模 式〔WRF〕和化学模式〔Chem〕完全耦合的新一代的区域空气质量模式 图2.1给出了 WRF-Chem的流程框架图WRF-chem包含了一种全新的大气化学模式理念它的化学和气象过程使用 相同的水平和垂直坐标系， 相同的物理参数化方案， 不存在时间上的插值， 并且能够考虑化学对气象过程的反响作用 有别于这之前的大气化学模式， 如 SAQM模式、 CALGRID 模式、 MODEL3-CAMQ 模式等，它们的气象过程和化学过程是 分开的， 一般先运行中尺度气象模式， 得到一定时间间隔的气象场， 然后提供应化学模式使用这样分开处理以后，存在一些问题：首先，利用这样的气象资料 驱动化学过程的时候就存在时间和空间上的插值， 而且丧失了一些小于输出间隔的气象过程， 如一次短时间的降水等， 而这些过程对化学过程来说可能是很重要的；其次，气象模式和化学模式使用的物理参数化方案可能是不一样的；再次， 不能考虑化学过程对气象过程的反响作用 事实上， 在实际大气中化学和气象过程是同时发生的， 并且能够互相影响， 如气溶胶能影响地气系统辐射平衡， 气溶胶作为云凝结核， 能影响降水， 而气温、 云和降水对化学过程也有非常强烈的影响。
因此，WRF-Chem能够模拟再现一种更加真实的大气环境最初版本的WRF-chem在2002年推出，目前的版本为V3.1 〔2021^4月16日〕， 本文所采用的是 WRF-chem V3.0图2.1 WRF-Chem流程图(来自 WRF-Chem V3用户手册)WRF ( Weather Research Forecast , Skamarock et al., 200联式系统是美国气象界联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统 WRF模式是一个可用来进行1至10公里内高分辨率模拟的数值模式，同时，也是一个可以做各种不同广 泛应用的数值模式，例如：业务单位正规预报、区域气候模拟、空气质量模拟， 理想个例模拟实验等故此模式开展的主要目的是改良现有的中尺度数值模式， 例如：MM5(NCAR)、ETA(NCEP/NOAA)、RUC(FSL/NOAA)等，希望可以将学 术研究以及业务单位所使用的数值模式整合成单一系统 这个模式采用高度模块化、并行化和分层设计技术，集成了迄今为止在中尺度方面的研究成果模拟和 实时预报试验说明，WRF模式系统在预报各种天气中都具有较好的性能，具有广阔的应用前景化学模式包括了污染物的传输和扩散、干湿沉降、气相化学反响、源排放、光分解、气溶胶动力学和气溶胶化学〔包括无机和有机气溶胶〕等，并且每一个过程也都是高度模块化的， 有利于模式的扩展和维护， 也有利于用户选择最适宜自己的方案。
以下对各局部的处理作一个简单介绍2.1 输送WRF-chem使用的是质量坐标框架，平流输送的处理保持质量和标量的守恒的，空间上采用 5 阶或 6 阶差分，时间上采用 3 阶 Runge-Kutta 分裂显式差分湍流输送使用 2.5阶的 Mellor-Yamada 闭合方案2.2 干沉降WRF-chem中各种痕量气体和气溶胶的干沉降通量的计算使用三层阻力 〔空气动力学阻抗、 次表层阻抗和外表阻抗〕 模型 外表阻抗的参数化使用了 Wesely〔 1989〕 提出的方案 在这种参数化方案中， 外表阻抗主要来自土壤和植被外表，植被特性由使用的下垫面类型资料和季节决定， 外表阻抗也依赖于扩散系数、 活性气体的可溶性和化学活性硫酸盐的干沉降使用了不同的方案 模式中假定硫酸盐都以气溶胶态的形式存在，干沉降使用了 Erisman 等〔 1994〕提出的方案k阶距多粒径分布气溶胶的干沉降速度 Vdk可以表示为：v〕dk 〔ra r〕dk rar〕dk v〕Gk〕 1 v〕Gk 〔 2.1〕〔2.1〕式中q为外表阻抗，〕Gk为重力沉降速度，2为布朗扩散率2.3 自然源排放精品文档WRF-chem 包含了一种完全的自然源排放计算方案及两种半的方案。
其中计算方案采用了 Guenther 等 (1993, 1994) , Simpson 等 (1995)和Schoenemeye等(1997)的参数化方案，包含了异戊二烯、单据烯、其他 VOC以及土壤氮的排放该方案中生成的单萜烯和其他 VOC 按 RADM2 的物种进行拆分森林异戊二烯的排放依赖于温度和有效光合辐射通量 Guenther等(1993)给出了异戊二烯排放的参数化方案， 其排放率正比于标准温度和标准有效光合辐射通量下的排放率 农田和草地异戊二烯的排放仅仅考虑为温度的函数 单萜烯、其他 VOC 和氮的排放也仅仅考虑为温度的函数其他 VOC 的排放目前了解的比拟少，因此它使用了和单萜烯相同的温度修正系数 (Guenther, et al., 1994)Grell 等 (2000)给出了标准温度和标准光合作用有效辐射通量下的排放率，其中落叶林、针叶林和混合林的排放采用 Guenther 等 (1994)，农田和草地的排放采用Schoenemeyerl?(1997)由于使用了 RADM2机制，所有氮的排放都当成是NO,这是一种过高估计，因为忽略了 N2O的排放2.4 光分解计算WRF-Chem 目前主要包含了两种光分解计算方案： TUV 和 FAST-J。
TUV (Madronich et al., 1987) 光分解速率的计算方案考虑了 21 个物种的光分解反响对应于波长 、物种 i 的光分解系数 Ji ，取决于反响物分子的特性，如吸收系数 i ( ) 和量子产率 i ( )Ji IA( , ) i( ) i( )d ( 2.5)式中 I A( , ) 为入射通量，它的计算使用了 Wiscombe 的辐射传输模式，考虑了O2 和 O3 的吸收、雷利散射、气溶胶粒子和云的散射和吸收吸收系数 i ( ) 和量子产率 i ( )的计算采用了 Stockwell 等( 1990)给出的方案FAST-J (Wild, et al., 2000) 利用每个尺度段粒子的数浓度、折射指数以及湿半径，根据米散射理论分别计算了在 300、400、600和999 nm波长下的光学厚度 、单次散射反照率 0 和不对称因子 g (气溶胶光学特性的计算参考本文的2.4 )，然后再计算气体的光分解速率它充分考虑了计算的效率和精度，可以在三维化学输送模式中使用Barnard等(2004)对在亚利桑那州、菲尼克斯、得克萨斯州和休斯敦观测的与 FAST-J计算的NO2光分解速率进行了比拟，结果显示不管在晴空还是有云大气情况下， 模拟值都在观测值的误差范围之内， 显示出了很好的一致性。
2.5 气相化学机制WRF-Chem目前可选择4个光化学机制，它们分别为 RADM2 (Stockwell et al., 1990), RACM, CBM4 (Gery et al., 1989)和 CBMZ (Zaveri and Peters, 1999)RADM2 机制是第二版本的区域酸性沉降机制，该机制综合考虑了化学过程、预报精度和计算机资源，被广泛应用于各种大气化学模式当中 RADM2 中无机物包括 14 个稳定物种， 4 个活泼的中间物种和 3 个足量稳定物种 (氧气、 氮气和水汽) ；有机物包括 26 类稳定物种和 16 类过氧自由基使用一种准稳态近似(QSSA)的方法求解22个诊断物种、38个预报物种的 浓度38个预报物种 的浓度变化速率方程的计算使用后向欧拉差分方案RACM 机制 CBM4 机制是一种按结构集成的浓缩机制，该机制包含了 33 个反响物种以及 81 个反响所有参与反响的物种被分为 4 大类：无机盐物种，明确对待的有机物种， 按碳碳键结构集成的有机物种和按分子量集成的有机物种 无机盐化学是完全明确对待的， 没有物种的集成 明确对待的有机物种包含了甲醛， 乙烯和异戊二烯。
碳键集成物种描述了不同类型的化学碳键CBMZ基于CBM4,它包含了 55个预报物种和134个光化学反响CBMZ在 CBM-IV 的根底上增加了过氧烷基和过氧酰基的相互作用以及它们与硝基的反响； 增加了长寿命的有机硝酸盐和过氧化氢物的反响机制； 明确对待了不活泼的烷烃如甲烷、乙烷；修订了无机化学、异戊二烯化学以及活泼的烷烃、烯烃和芳香姓:的化学反响；耦合了海洋二甲基硫〔DMS〕的排放及其化学反响CBMZ使用一种体制依赖方法， 该方法把化学动力学机制区分为背景的、 人为源的和自然源的三种亚机制，这样可以全面缩减计算时间Jiang等〔2002〕和Fast等〔2002〕分别从城市和区域尺度对 CBMZ 的空气质量模拟效果作了评估2.6 气溶胶参数化WRF-Chem 目前包含了两个气溶胶计算方案，分别为 MADE/SORGAM 和MOSAIC〔 Zaveri, et al., 2005a,b〕 2.6.1 MADE/SORGAM欧洲气溶胶动力学模式 MADE 是由区域颗粒物模式 PPM 开展而来的， 能够提供详细的关于粒子化学组成、 尺度分布以及影响粒子数浓度的动力学过程的信息早期版本的 MADE 仅限于亚微米量级的无机盐和水组成的气溶胶，进一步改良引入了 MODELS/CMAQ 模式系统的气溶胶局部，使得 MADE 包含了粗模态粒子及更详细的细颗粒化学组成的描述。
Schell 等〔 2001〕把二次有机气溶胶精品文档精品文档〔SOA〕参加到了 MADE中，即二次有机气溶胶模式〔SORGAM〕亚微米气溶胶的尺度分布分为两个相互重叠的模态，各个模态满足对数正态分布n(ln dp)N•.2- ln gexp[21(lndp lndpg)2 ln2 0(2.2)式中N为粒子的数浓度，dp为粒子直径，dpg为中值直径,g为尺度分布的标准偏差尺度分布的k阶距Mk定义为:Mk dpn(lndp)d(ln dp)(2.3)将〔2.2〕式代入〔2.3〕式可得Mk卜2Nd kg exp[—ln2 g]LA ' A -(2.4)二次气溶胶最重要的形成过程是在硫酸 -水系统中的均相核化，计算采用Kulmala等〔1998〕给定的方法粒子的凝结增长分为两步，一是化学反响产生可 凝结的蒸汽，二是挥发性物种在气溶胶外表的凝结和蒸发在 MADE中忽略了 开尔文效应，对于连续的和自由分子的机制，允许 Mk随时间变化的计算这个变率及它的标准偏差的数学表达式可参考 Binkowski等〔 1995〕MADE中假定在粒子碰并过程中，粒子仍然满足对数正态分布止匕外，仅仅考虑了由于布朗运 动引起的碰并。
碰并过程的数学表达式可参考 Whitby等〔1997〕和Binkowski等〔 1995〕无机盐化学基于MARSBinkowski等〔 1995〕对它作了改良，利用热力学平衡的方法来计算硫酸盐/硝酸盐/氨盐/水气溶胶的化学组成根据俊离子和硫酸根离子的比值， 考虑了两种机制： 当比值小于 2 时， 模式处理为氢离子摩尔浓度的三次多项式，如果有足够的水和液态氨，硝酸盐溶解计算，对离子态大于 50，假定硝酸盐不存在； 当比值大于等于 2 时 , 所有硫酸盐都假定为硫酸铵并在有。