賀州市應(yīng)急救援污染擴(kuò)散氣象監(jiān)測預(yù)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(xué)大氣科學(xué)系，廣東 廣州 519082

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的高速發(fā)展，環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)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(yù)報(bào)模式模擬大氣污染物的擴(kuò)散，及時準(zhǔn)確地監(jiān)測和預(yù)報(bào)當(dāng)?shù)氐耐话l(fā)性污染物擴(kuò)散事件，為決策部門提供準(zhǔn)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(cái)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(yù)報(bào)模式WRF和污染擴(kuò)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(yù)報(bào)模式。WRF是具有較高分辨率的當(dāng)今世界上最先進(jìn)的中尺度氣象數(shù)值模式之一。目前該模式在理論研究、實(shí)時預(yù)報(bào)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(tuán)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(kuò)散，干沉降以及濕沉降等物理與化學(xué)過程。CALPUFF模式為WRF和MM5等中尺度模式設(shè)計(jì)了接口，使WRF等中尺度數(shù)值模式為CALPUFF擴(kuò)散模式提供氣象場，從而能更有效地實(shí)現(xiàn)應(yīng)急救援時對污染物的監(jiān)測和預(yù)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(kuò)散應(yīng)急救援預(yù)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(fù)責(zé)下載中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式WRF初始場數(shù)據(jù)；第二，氣象模塊。該模塊主要負(fù)責(zé)預(yù)報(bào)未來兩天的天氣狀況，并提取出污染擴(kuò)散模式需要的氣象要素場，輸出到污染擴(kuò)散模式；第三，污染擴(kuò)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(yù)報(bào)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(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可視化。

2 系統(tǒng)的流程與自動化的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)行流程（圖略），其中自動化運(yùn)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(shí)現(xiàn)了資料的自動下載，中尺度氣象模式WRF的自動化運(yùn)行，WRF后處理的自動運(yùn)行。自動化的實(shí)現(xiàn)將在下一節(jié)中介紹

2.2 WRF模式自動化運(yùn)行的實(shí)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(yùn)行的實(shí)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(yùn)行系統(tǒng)中，主要得運(yùn)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(yùn)行中涉及到幾個重要的參數(shù)：即文件路徑、起始時間與預(yù)報(bào)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(shí)現(xiàn)定時啟動是實(shí)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(yùn)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(yù)報(bào)長度”的傳遞

起始時間是指模式預(yù)報(bào)的起始時間，它決定著初始場資料的調(diào)用與模式運(yùn)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(jìn)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(yù)報(bào)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(jìn)入下一步的運(yùn)行。

2.2.3 各個模塊自動化運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)

下載流程結(jié)束后即進(jìn)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(shí)現(xiàn)整個WRF模塊的自動運(yùn)行。CALWRF和CALMET也是通過同樣的方法來實(shí)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?yàn)閏alpuffl.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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)內(nèi)部資源共享，但有一個問題，也就是要實(shí)現(xiàn)Windows系統(tǒng)與Linux系統(tǒng)互訪并對對方的共享目錄進(jìn)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(jì)

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(fèi)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(biāo)（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(biāo)放置標(biāo)記或定位地圖。根據(jù)這一功能，我們就可以實(shí)現(xiàn)地點(diǎn)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(kuò)散氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)的業(yè)務(wù)化運(yùn)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(kuò)散情景作出預(yù)測，為政府部門應(yīng)急平臺提供技術(shù)支持。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了：1）中尺度模式WRF的數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的自動化下載、運(yùn)行和輸出；2）將大氣污染擴(kuò)散模式CALPUFF的移植，利用VB、VC++等工具實(shí)現(xiàn)了賀州市應(yīng)急救援污染擴(kuò)散氣象監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的圖形化界面；3）基于Html/JavaScript網(wǎng)頁設(shè)計(jì)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(jī)上安裝MM5的方法和運(yùn)行要點(diǎn).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(yù)報(bào)產(chǎn)品在MM5模式中的應(yīng)用.氣象與環(huán)境科學(xué)，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.