贺州市应急救援污染扩散气象监测预警系统

何 飞，吴 林，杨亚钦，李江南

1.贺州市气象局，广西 贺州 542800

2.中山大学大气科学系，广东 广州 519082

0 引言

随着经济建设的高速发展，环境风险源的类型和数量也不断增加，有火电厂、选矿厂、硫酸厂、甲醛厂等化工厂，有毒或有害物质泄露等大气突发性污染事故发生的几率也大大增加。因此，结合数值天气预报模式模拟大气污染物的扩散，及时准确地监测和预报当地的突发性污染物扩散事件，为决策部门提供准确信息以制定合理的应对策略，及时疏散位于污染物影响区域的城市居民，将有效降低人员的伤亡和财产的损失。

1 系统介绍

本系统的核心是数值天气预报模式WRF和污染扩散模式CALPUFF。WRF（Weather Research and Forecasting Model）是美国国家大气研究中心开发的新一代中尺度非静力数值天气预报模式。WRF是具有较高分辨率的当今世界上最先进的中尺度气象数值模式之一。目前该模式在理论研究、实时预报以及资料同化等领域都已得到了广泛的应用。

CALPUFF 为非定常三维拉格朗日烟团输送模式。可模拟的污染物有 SO2、NOx、CmHn、O3、CO、NH3、PM10（TSP）、Black Carbon，主要包括污染物之排放、平流输送、扩散，干沉降以及湿沉降等物理与化学过程。CALPUFF模式为WRF和MM5等中尺度模式设计了接口，使WRF等中尺度数值模式为CALPUFF扩散模式提供气象场，从而能更有效地实现应急救援时对污染物的监测和预警能力，在大气环境研究中被广泛应用。

图2-1为污染扩散应急救援预警系统结构示意图（图略）。系统主要分为4个部分：第一，资料获取模块。本模块负责下载中尺度数值预报模式WRF初始场数据；第二，气象模块。该模块主要负责预报未来两天的天气状况，并提取出污染扩散模式需要的气象要素场，输出到污染扩散模式；第三，污染扩散模块。该模块包括CALPUFF系统的两个主要模块，即CALMET和CALPUFF，其读取气象模块输出的气象要素场并根据人工输入的污染物信息即可预报出污染物排放后未来时刻的污染物浓度分布情况；第四，产品输出模块，主要实现产品的可视化。

2 系统的流程与自动化的实现

2.1 系统设计流程

系统分为两大部分分别安装在LINUX平台和windows平台中。LINUX平台部分包括资料下载模块和中尺度天气模式。系统的运行流程（图略），其中自动化运行部分都安装在linux平台上，而其余的部分安装在windows平台。

Linux平台的自动化实现了资料的自动下载，中尺度气象模式WRF的自动化运行，WRF后处理的自动运行。自动化的实现将在下一节中介绍

2.2 WRF模式自动化运行的实现

系统硬件主要是一台IBM服务器，服务器安装LINUX操作系统。WRF模式自动化运行的实现主要利用SHELL程序来完成。Shel是介于使用者和UNIX/Linux操作系统之核心程序（kernel）间的一个接口，Shell提供使用者和核心程序产生交谈的功能。在本自动化运行系统中，主要得运行脚本wrf_2.csh使用cshell来编写。

2.2.1 模式参数的传递与模式的定时启动

模式在运行中涉及到几个重要的参数：即文件路径、起始时间与预报长度，这几个参数几乎贯穿在MM5的每个模块中。因此，如何在模式的几个模块中传递参数和如何实现定时启动是实现自动化时首先要考虑的问题。

1）“文件路径”的传递

文件路径参数包含着程式在运行时需要用到的文件的路径，将程式中同类别的文件放在同一个文件夹，并将这些文件夹放在同一个目录，在同一个程序段中，需要指定文件路径的地方直接可以在SHELL文件中使用这些变量替代。

2）“起始时间”和“预报长度”的传递

起始时间是指模式预报的起始时间，它决定着初始场资料的调用与模式运行中涉及到的全部时间设置。可以利用shell的date命令和倒引号``来定义起始时间，并利用参数传递变量$来便捷的传递它。

3）模式的定时启动

Crontab是UNIX/Linux系统下的定时任务触发器，它通过cron服务使用户能够在指定的时间执行某些程序。使用时需先创建crontab文件，创建好cron.dat文件后，还需要使用命令“crontab cron.dat”进行安装，安装后程序方可按照定时设置启动。

2.2.2 资料下载的自动化

本系统采用的GFS全球模式预报资料存放在匿名FTP中，使用linux下的wget命令即可快捷下载。以下为下载模块的代码（略），利用前面提到的时间参数传递，即可马上定位到要下载的文件地址。系统通过循环的判断，确定所需的文件下载完毕以后会自动退出下载流程，进入下一步的运行。

2.2.3 各个模块自动化运行的实现

下载流程结束后即进入WRF的流程。而WRF得两个模块（WPS和WRF）都涉及时间参数和路径参数的设置，能利用程序自动修改时间配置，便可实现整个WRF模块的自动运行。CALWRF和CALMET也是通过同样的方法来实现自动化。

2.3 CALPUFF操作界面的制作与模拟结果的可视化

系统的操作界面和可视化都安装在windows平台下。Calpuff模式的主程序为calpuffl.exe，配置文件为calpuff.inp。本系统利用VB语言制作一个简单易用的calpuff操作界面。

图1 系统操作界面（上：点污染源，下：面污染源）

图1为该系统的主要控制界面，上图是对点污染源的操作界面，下面则是面污染源的操作界面。程序的功能大部分通过生成bat文件并执行来实现。

2.4 网络构建和Web服务器的配置

图2 局域网通讯示意图

在局域网搭建好以后，我们通过网上邻居实现内部资源共享，但有一个问题，也就是要实现Windows系统与Linux系统互访并对对方的共享目录进行读写的功能。局域网示意图如图2。

2.5 Html/JavaScript网页设计

2.5.1 在网页中添加GOOGLE MAP

本系统采用的可视化模块是基于Goole Map应用程序接口开发的一套网络应用程序。Google MAP API是美国谷歌公司提供的一个免费服务，可以将Google MAP嵌入到自己的网页中，并可以通过添加图层，将信息叠加到地图上去。例如在网页中嵌入如下段落即可将google地图嵌入到自己的网页中去。

2.5.2 地址解析

地址解析是将地址（如“1600 Amphitheatre Parkway,Mountain View, CA”）转换为地理坐标（如纬度 37.423021 和经度-122.083739）的过程，您可以根据转换得到的坐标放置标记或定位地图。根据这一功能，我们就可以实现地点的查询，以便迅速确定污染源的地理位置。

3 结论

作者开发了贺州市应急救援污染扩散气象监测预警系统，并完成系统的业务化运行。系统将在突发性大气污染事故中为相关部门快速提供气象条件信息，并对大气污染的扩散情景作出预测，为政府部门应急平台提供技术支持。该系统实现了：1）中尺度模式WRF的数值预报系统的自动化下载、运行和输出；2）将大气污染扩散模式CALPUFF的移植，利用VB、VC++等工具实现了贺州市应急救援污染扩散气象监测预警系统的图形化界面；3）基于Html/JavaScript网页设计技术的模拟结果可视化界面。

[1]Scire, J.S., Strimaitis, D.G.and Yamartino, R.J.,A User's Guide for the CALPUFF Dispersion Model (Version 5.0), Earth Tech, 2000.http://www.src.com/calpuff/download/CALPUFF_UsersGuide.pdf

[2]李江南，吴池胜.在PC机上安装MM5的方法和运行要点.广东气象，2004，1：32-33.

[3]王华，向军，方可燕，等.Linux从入门到精通.北京：中国水利水电出版社，2000.

[4]张建海，张广周.日本数值预报产品在MM5模式中的应用.气象与环境科学，2007，30(4)，66-70.

[5]Wang, W., Bruy`ere, C., Duda, M., Dudhia, J.,Gill, D., Lin, H.C., Michalakes, J., Rizvi, S., Zhang,X., Beezley, J.D., Coen, J.L., Mandel, J.: ARW version 3 modeling system user’s guide.Mesoscale & Miscroscale Meteorology Division, National Center for Atmospheric Research (July 2010), http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/docs/user_guide_V3.2/ARWUsersGuideV3.pdf.