MM5/CALMET系统对陕西大气稳定度的模拟

王 琦，张 侠，张文静

(陕西省气候中心，西安 710014)

王琦，张侠，张文静. MM5/CALMET系统对陕西大气稳定度的模拟[J].陕西气象，2017(5)：23-26.

1006-4354(2017)05-0023-04

2016-10-18

王琦(1981—)，男，陕西西安人，汉族，硕士，主要从事环境气象评估服务。

陕西省气象局科技创新基金(2012M-3)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JM2-4038)

MM5/CALMET系统对陕西大气稳定度的模拟

王 琦，张 侠，张文静

(陕西省气候中心，西安 710014)

采用MM5/CALMET模式模拟延安、西安和汉中2015年逐时大气稳定度和混合层厚度，并与国家标准推荐的帕斯奎尔方法计算结果进行对比。结果表明：采用MM5/CALMET模式模拟大气稳定度和混合层厚度方法基本可行，模拟的大气稳定度分布与帕斯奎尔方法计算结果基本一致，平均误差在10%以内；两种方法所得混合层厚度月变化趋势相近，相关系数最高可达0.947；延安、西安和汉中3站两种方法对比结果各不相同，需要对比更多测站和更长时间的数据来进行结果订正，方可应用于大气污染预测和环境气象业务中。

MM5/CALMET ；数值模拟；大气稳定度；混合层厚度

大气稳定度是大气边界层研究中一个重要的参数， 在许多污染扩散模式中作为单一参数来定义大气湍流状态或描述大气扩散能力，稳定度类别划分正确与否直接影响各类烟羽扩散模式计算结果。大气边界层厚度由大气稳定度计算或直接观测得来，表征大气垂直扩散能力。国内外众多学者对稳定度分类问题做了大量研究工作，提出十几种稳定度分类方法[1-2]，对不同分类方法进行了比较分析[3-4]。帕斯奎尔利用常规观测的风速、云量和辐射等级等资料将大气稳定度分为几个扩散级别，分别代表稳定、中性和不稳定类，并根据不同稳定级别给出了混合层厚度的计算方法[5]。20世纪70年代开始，我国在环境保护中开始引入帕斯奎尔方法，并做出一定修改，由总云、低云和太阳高度角来确定辐射等级，由辐射等级和地面风速确定大气稳定度等级，根据不同等级可分别计算混合层厚度。该方法被纳入国家标准GB/T 13201-91作为规范推荐使用，简称为国标法[5-7]。CALMET模式是美国EPA推荐的由Sigma Research Corporation(现在是Earth Tech Inc的子公司)开发的气象模式，利用质量守恒原理对风场进行诊断。它是一个能够包括地形动力学、地形阻塞效应、倾斜流、热动力学和计算混合层高度、稳定度等基于3D网格点的边界气象学诊断分析模型。可直接使用中尺度模式MM5等作为输入资料，直接输出风场、温度场、混合层高度、大气稳定度以及莫宁奥布霍夫长度等3D气象网格数据[8]。近年来，CALMET在模拟高精度气象场方面应用越来越多，张侠等采用CALMET模式模拟气象场进行建筑下洗效应的计算分析[9]，周荣卫等、杜吴鹏等采用MM5与CALMET模拟了高精度复杂风场，并用观测数据对模拟结果进行了验证，表明该模式系统可以应用于我国不同地形条件下的高分辨率风能资源评估[10-11]，蒋宁洁等采用MM5+CALMET系统模拟了武汉市边界层气象要素场，并在边界层气象背景下对武汉市空气中污染物SO2的扩散进行了数值模拟分析[12]。2014年以来，陕西省从原来96个气象站有云量观测资料，改为仅有36站，而云量是采用国标法计算大气稳定度的必须参数之一，没有云量，无法计算大气稳定度。云量资料的缺失对于大气污染预测评价工作和环境空气质量评估工作造成极大困扰。CALMET模式可耦合MM5模式结果，直接输出大气稳定度结果。本文研究使用MM5/CALMET模拟延安、西安和汉中3站2015年大气稳定度，并与帕斯奎尔方法计算结果进行对比，寻找可以替代帕斯奎尔的数值模拟方法，应用于实际业务工作中。

1 资料来源与方法

1.1 资料来源

帕斯奎尔方法选取延安、西安和汉中2015年每日逐时气象资料进行计算分析大气稳定度，分别代表陕北、关中和陕南地区。MM5/CALMET模式系统采用9 km精度的MM5模式经过CALMET模式动力降尺度到200 m网格精度输出模拟点逐小时大气稳定度及混合层厚度。MM5模式计算区设置为双重嵌套，第一重网格精度27 km，南北66个网格，东西99个网格，第二重网格精度为9 km，南北103个网格，东西64个网格，中心经纬度均为35.5°N，108.5°E。物理过程采用湿微物理过程参数化，边界层物理过程参数化。其中边界层物理过程参数化使用Mellor&Yamada的level 2.5闭合方案和MRF方案。CALMET为6.0版本。

1.2 稳定度分类方法

利用延安、西安和汉中3个气象站2015年逐时气象观测资料，采用帕斯奎尔分类法，按风速、总云量、低云量、太阳辐射等级将稳定度分为极不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、弱稳定和稳定6个等级，它们分别由A、B、C、D、E和F表示[1-2]。本文在结果对比中，将A、B、C类合并为不稳定类、将E、F类合并为稳定类。

2 模拟结果与帕斯奎尔方法计算结果对比

根据计算结果，分别对比延安、西安和汉中3站模式模拟稳定度与帕斯奎尔方法计算的稳定度以及模式模拟的混合层厚度与应用帕斯奎尔稳定度计算的混合层厚度。

2.1 大气稳定度结果对比

将MM5/CALMET模式模拟的延安、西安和汉中3站稳定度与帕斯奎尔方法计算结果分类对比(图1)发现：延安稳定类模式模拟结果与帕斯奎尔方法较为接近，中性类帕斯奎尔方法频率大于模拟结果；西安稳定类模拟结果与帕斯奎尔方法基本一致，不稳定类帕斯奎尔方法频率小于模拟结果；汉中模拟结果与计算结果基本一致，仅不稳定类模式模拟结果比帕斯奎尔略大。CALMET模拟大气稳定度与帕斯奎尔方法计算结果对比显示延安误差最小，3站平均误差在10%以内。

2.2 混合层厚度对比

CALMET模拟月混合层厚度与帕斯奎尔方法计算结果的相关系数，延安为0.947，西安为0.947，汉中为0.793，说明模拟效果较好。从图2可看出：延安混合层厚度的模拟值和帕斯奎尔方法计算结果，1—4月、10—12月一致，6—9月模拟结果略高于计算结果，整体趋势模拟良好；西安模拟结果均小于帕斯奎尔计算结果，但整体趋势模拟较好，后期可订正后应用； 汉中模拟结果均大于帕斯奎尔计算结果，与3.1节汉中模式模拟不稳定类频率较大相一致，不稳定情况下混合层厚度会较大，整体趋势模拟较好，后期可订正后应用。

图1 延安、西安和汉中2015年大气稳定度出现频率/%对比

将采用两种方法所得3 个代表站2015年的混合层厚度分为六级，分别统计各级出现频次，结果见图3。从图3可看出：延安混合层厚度300 m以下和300～500 m的出现频次模式模拟结果和帕斯奎尔计算结果一致，501～1 200 m帕斯奎尔方法略多于模拟结果，大于1 200 m以上模拟结果多于帕斯奎尔方法，说明延安站在扩散条件较好时，模拟的混合层厚度均较高。西安混合层厚度分级出现频次模拟值与帕斯奎尔计算结果基本一致。汉中混合层厚度300～1 200 m出现频次模拟结果和帕斯奎尔计算结果基本一致，混合层厚度小于300 m时帕斯奎尔方法多于模拟结果，大于1 200 m时帕斯奎尔方法少于模拟结果,说明汉中在稳定类条件下，模拟的混合层厚度较低；在不稳定条件下，模拟的混合层厚度较高。

图2 延安、西安和汉中2015年月混合层厚度对比

通过对比，西安与延安两站混合层厚度各级模拟结果与帕斯奎尔方法计算结果都基本一致，汉中因为CALMET模拟不稳定类偏多而稳定类偏少，大气不稳定易造成混合层厚度升高，所以模拟结果较计算结果在混合层厚度大于1 200 m时的出现频次偏多。

图3 延安、西安和汉中2015年混合层厚度分级对比

3 结论与讨论

(1)采用MM5/CALMET模式模拟延安、西安和汉中3站稳定度分类结果与帕斯奎尔方法计算结果基本一致。延安和西安均为稳定类出现频率基本一致，不稳定类出现频率模式模拟结果略大于帕斯奎尔方法，中性类出现频率模式模拟结果小于帕斯奎尔方法；汉中中性和稳定类频率模拟结果与帕斯奎尔方法基本一致，不稳定类频率模拟结果大于帕斯奎尔方法。

(2)延安、西安、汉中CALMET模拟月混合层厚度与帕斯奎尔方法计算结果的相关系数分别为0.947，0.947，0.793，模拟效果较好。西安与延安两站混合层厚度各级模拟结果与帕斯奎尔方法计算结果基本一致；汉中混合层厚度各级模拟结果在混合层厚度小于300 m时帕斯奎尔方法多于模式结果，大于1 200 m时帕斯奎尔方法少于模式结果，这与汉中模拟的不稳定类频率较大一致。

(3)采用MM5/CALMET模式模拟大气稳定度和混合层厚度方法基本可行，与帕斯奎尔方法相关性较好，延安、西安和汉中3站两种方法对比结果各不相同，需要对比更多测站和更长时间的数据来进行订正，方可应用于大气污染预测和环境气象业务中。

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