賀州市應(yīng)急救援污染擴散氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)

何 飛，吳 林，楊亞欽，李江南

1.賀州市氣象局，廣西 賀州 542800

2.中山大學大氣科學系，廣東 廣州 519082

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，環(huán)境風險源的類型和數(shù)量也不斷增加，有火電廠、選礦廠、硫酸廠、甲醛廠等化工廠，有毒或有害物質(zhì)泄露等大氣突發(fā)性污染事故發(fā)生的幾率也大大增加。因此，結(jié)合數(shù)值天氣預報模式模擬大氣污染物的擴散，及時準確地監(jiān)測和預報當?shù)氐耐话l(fā)性污染物擴散事件，為決策部門提供準確信息以制定合理的應(yīng)對策略，及時疏散位于污染物影響區(qū)域的城市居民，將有效降低人員的傷亡和財產(chǎn)的損失。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)的核心是數(shù)值天氣預報模式WRF和污染擴散模式CALPUFF。WRF（Weather Research and Forecasting Model）是美國國家大氣研究中心開發(fā)的新一代中尺度非靜力數(shù)值天氣預報模式。WRF是具有較高分辨率的當今世界上最先進的中尺度氣象數(shù)值模式之一。目前該模式在理論研究、實時預報以及資料同化等領(lǐng)域都已得到了廣泛的應(yīng)用。

CALPUFF 為非定常三維拉格朗日煙團輸送模式。可模擬的污染物有 SO2、NOx、CmHn、O3、CO、NH3、PM10（TSP）、Black Carbon，主要包括污染物之排放、平流輸送、擴散，干沉降以及濕沉降等物理與化學過程。CALPUFF模式為WRF和MM5等中尺度模式設(shè)計了接口，使WRF等中尺度數(shù)值模式為CALPUFF擴散模式提供氣象場，從而能更有效地實現(xiàn)應(yīng)急救援時對污染物的監(jiān)測和預警能力，在大氣環(huán)境研究中被廣泛應(yīng)用。

圖2-1為污染擴散應(yīng)急救援預警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（圖略）。系統(tǒng)主要分為4個部分：第一，資料獲取模塊。本模塊負責下載中尺度數(shù)值預報模式WRF初始場數(shù)據(jù)；第二，氣象模塊。該模塊主要負責預報未來兩天的天氣狀況，并提取出污染擴散模式需要的氣象要素場，輸出到污染擴散模式；第三，污染擴散模塊。該模塊包括CALPUFF系統(tǒng)的兩個主要模塊，即CALMET和CALPUFF，其讀取氣象模塊輸出的氣象要素場并根據(jù)人工輸入的污染物信息即可預報出污染物排放后未來時刻的污染物濃度分布情況；第四，產(chǎn)品輸出模塊，主要實現(xiàn)產(chǎn)品的可視化。

2 系統(tǒng)的流程與自動化的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計流程

系統(tǒng)分為兩大部分分別安裝在LINUX平臺和windows平臺中。LINUX平臺部分包括資料下載模塊和中尺度天氣模式。系統(tǒng)的運行流程（圖略），其中自動化運行部分都安裝在linux平臺上，而其余的部分安裝在windows平臺。

Linux平臺的自動化實現(xiàn)了資料的自動下載，中尺度氣象模式WRF的自動化運行，WRF后處理的自動運行。自動化的實現(xiàn)將在下一節(jié)中介紹

2.2 WRF模式自動化運行的實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件主要是一臺IBM服務(wù)器，服務(wù)器安裝LINUX操作系統(tǒng)。WRF模式自動化運行的實現(xiàn)主要利用SHELL程序來完成。Shel是介于使用者和UNIX/Linux操作系統(tǒng)之核心程序（kernel）間的一個接口，Shell提供使用者和核心程序產(chǎn)生交談的功能。在本自動化運行系統(tǒng)中，主要得運行腳本wrf_2.csh使用cshell來編寫。

2.2.1 模式參數(shù)的傳遞與模式的定時啟動

模式在運行中涉及到幾個重要的參數(shù)：即文件路徑、起始時間與預報長度，這幾個參數(shù)幾乎貫穿在MM5的每個模塊中。因此，如何在模式的幾個模塊中傳遞參數(shù)和如何實現(xiàn)定時啟動是實現(xiàn)自動化時首先要考慮的問題。

1）“文件路徑”的傳遞

文件路徑參數(shù)包含著程式在運行時需要用到的文件的路徑，將程式中同類別的文件放在同一個文件夾，并將這些文件夾放在同一個目錄，在同一個程序段中，需要指定文件路徑的地方直接可以在SHELL文件中使用這些變量替代。

2）“起始時間”和“預報長度”的傳遞

起始時間是指模式預報的起始時間，它決定著初始場資料的調(diào)用與模式運行中涉及到的全部時間設(shè)置。可以利用shell的date命令和倒引號``來定義起始時間，并利用參數(shù)傳遞變量$來便捷的傳遞它。

3）模式的定時啟動

Crontab是UNIX/Linux系統(tǒng)下的定時任務(wù)觸發(fā)器，它通過cron服務(wù)使用戶能夠在指定的時間執(zhí)行某些程序。使用時需先創(chuàng)建crontab文件，創(chuàng)建好cron.dat文件后，還需要使用命令“crontab cron.dat”進行安裝，安裝后程序方可按照定時設(shè)置啟動。

2.2.2 資料下載的自動化

本系統(tǒng)采用的GFS全球模式預報資料存放在匿名FTP中，使用linux下的wget命令即可快捷下載。以下為下載模塊的代碼（略），利用前面提到的時間參數(shù)傳遞，即可馬上定位到要下載的文件地址。系統(tǒng)通過循環(huán)的判斷，確定所需的文件下載完畢以后會自動退出下載流程，進入下一步的運行。

2.2.3 各個模塊自動化運行的實現(xiàn)

下載流程結(jié)束后即進入WRF的流程。而WRF得兩個模塊（WPS和WRF）都涉及時間參數(shù)和路徑參數(shù)的設(shè)置，能利用程序自動修改時間配置，便可實現(xiàn)整個WRF模塊的自動運行。CALWRF和CALMET也是通過同樣的方法來實現(xiàn)自動化。

2.3 CALPUFF操作界面的制作與模擬結(jié)果的可視化

系統(tǒng)的操作界面和可視化都安裝在windows平臺下。Calpuff模式的主程序為calpuffl.exe，配置文件為calpuff.inp。本系統(tǒng)利用VB語言制作一個簡單易用的calpuff操作界面。

圖1 系統(tǒng)操作界面（上：點污染源，下：面污染源）

圖1為該系統(tǒng)的主要控制界面，上圖是對點污染源的操作界面，下面則是面污染源的操作界面。程序的功能大部分通過生成bat文件并執(zhí)行來實現(xiàn)。

2.4 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和Web服務(wù)器的配置

圖2 局域網(wǎng)通訊示意圖

在局域網(wǎng)搭建好以后，我們通過網(wǎng)上鄰居實現(xiàn)內(nèi)部資源共享，但有一個問題，也就是要實現(xiàn)Windows系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)互訪并對對方的共享目錄進行讀寫的功能。局域網(wǎng)示意圖如圖2。

2.5 Html/JavaScript網(wǎng)頁設(shè)計

2.5.1 在網(wǎng)頁中添加GOOGLE MAP

本系統(tǒng)采用的可視化模塊是基于Goole Map應(yīng)用程序接口開發(fā)的一套網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。Google MAP API是美國谷歌公司提供的一個免費服務(wù)，可以將Google MAP嵌入到自己的網(wǎng)頁中，并可以通過添加圖層，將信息疊加到地圖上去。例如在網(wǎng)頁中嵌入如下段落即可將google地圖嵌入到自己的網(wǎng)頁中去。

2.5.2 地址解析

地址解析是將地址（如“1600 Amphitheatre Parkway,Mountain View, CA”）轉(zhuǎn)換為地理坐標（如緯度 37.423021 和經(jīng)度-122.083739）的過程，您可以根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的坐標放置標記或定位地圖。根據(jù)這一功能，我們就可以實現(xiàn)地點的查詢，以便迅速確定污染源的地理位置。

3 結(jié)論

作者開發(fā)了賀州市應(yīng)急救援污染擴散氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運行。系統(tǒng)將在突發(fā)性大氣污染事故中為相關(guān)部門快速提供氣象條件信息，并對大氣污染的擴散情景作出預測，為政府部門應(yīng)急平臺提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)實現(xiàn)了：1）中尺度模式WRF的數(shù)值預報系統(tǒng)的自動化下載、運行和輸出；2）將大氣污染擴散模式CALPUFF的移植，利用VB、VC++等工具實現(xiàn)了賀州市應(yīng)急救援污染擴散氣象監(jiān)測預警系統(tǒng)的圖形化界面；3）基于Html/JavaScript網(wǎng)頁設(shè)計技術(shù)的模擬結(jié)果可視化界面。

[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，吳池勝.在PC機上安裝MM5的方法和運行要點.廣東氣象，2004，1：32-33.

[3]王華，向軍，方可燕，等.Linux從入門到精通.北京：中國水利水電出版社，2000.

[4]張建海，張廣周.日本數(shù)值預報產(chǎn)品在MM5模式中的應(yīng)用.氣象與環(huán)境科學，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.