基于WRF模式的霧霾精細化數值預報系統

張桂華，齊 鐸

(黑龍江省氣象臺，哈爾濱 150030)

隨著社會經濟的發展和人們對生活環境要求的提高，構建高時空分辨率的精細化霧霾預報成為霧霾預報業務的目標。準確精細化的霧霾預報不僅為百姓出行提供指導，也為政府決策提供技術支持。

1 區域中尺度數值天氣預報業務系統

區域中尺度數值天氣預報業務系統是基于最新的WRFV3.6.1版本開發，模式設計為三層嵌套。第一層覆蓋中國北方大部地區、蒙古、俄羅斯遠東地區、朝鮮半島、日本海，格點精度27 km，預報時效96 h，模式產品輸出時間間隔為1 h。第二層覆蓋內蒙古東部地區、俄羅斯遠東地區，格點精度9 km，預報時效96 h，模式產品輸出時間間隔為1 h。第三層覆蓋黑龍江省、俄羅斯遠東地區，格點精度3 km，預報時效24 h，模式輸出時間間隔為1 h。區域數值模式每天冷啟動2次，為北京時間8∶00和20∶00。同時，區域模式采用快速循環預報方式進行熱啟動(3 km區域)，間隔為3 h。區域模式背景場主要應用GFS全球預報模式，數值模式資料同化采用3DVAR技術，同化最新常規與非常規觀測資料。常規資料主要有全球高空地面交換數據、區域自動站資料。非常規資料有衛星微波輻射數據、GPS-MET水汽垂直廓線數據、黑龍江省及周邊省份C波段多普勒雷達徑向速度和強度。模式目前采用Morrison微物理顯示方案、rrtm長波輻射、Dudhia短波輻射、Noah陸面過程、YSU邊界層、Grell 3d ensemble積云對流參數方案。

2 區域中尺度環境氣象預報業務系統

本系統基于WRF-CHEM V3.6.1化學模式開發。WRF-CHEM是將化學模式與WRF氣象模式耦合的一個區域大氣動力---化學耦合模式。預報區域、時效、精度與WRF氣象模式一致。模式參數采用RRTMG長短波輻射方案、Grell 3 d積云對流方案、Noah陸面過程、YSU邊界層方案、lin微物理過程?；瘜W方案采用成熟發展完善的CBMZ氣相化學方案。該方案按照分子結構分類，涵蓋67個物種，涉及176個氣相化學反應，其中涉及到光化學反應的物種有20個。與之配套的氣溶膠化學方案是MOSAIC，該方案按照氣溶膠粒徑大小分為4級或8級。利用CBMZ-MOSAIC方案能較好地模擬大氣環境中氣態和固態污染物的熱力和動力過程。主要預報產品有：1 h間隔SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10等濃度分布預報、未來三天首要污染物及相應的空氣質量指數(AQI)和等級(1～6級)、混合層高度、理查森數、通風系數、逆溫強度。

區域中尺度環境氣象預報業務系統有以下特點：

第一，基于最新排放源清單統計建立黑龍江省人為污染源排放清單，根據不同行業對各類排放物的排放量估算其時空分布特征。

第二，本系統對四類人為污染源根據自身特點進行細分，農業源分為種植與畜牧業；工業源分為工業鍋爐燃燒、煉焦廠、水泥廠、鋼鐵廠和其他工業生產；居民源分為室內原煤燃燒、燃油、燒柴和秸稈；交通源分為輕型汽油車、重型汽油車、重型柴油車和摩托車的尾氣排放。

第三，黑龍江省植被茂密，可揮發有機物(VOCs)的排放量不可忽視。為此利用在大量試驗資料基礎上建立的MEGAN自然源污染排放模型估算每小時黑龍江省植被20類VOCs物種排放量。

基于區域中尺度環境氣象預報業務系統，對以下霧預警、霧預報、霾預警、霾預報、能見度五類預報分別進行精細化預報呈現，范圍為覆蓋內蒙古東部地區、俄羅斯遠東地區，格點精度9 km×9 km，預報時效96 h，模式產品輸出時間間隔為1 h。完全按照業務規定和實際業務需求進行呈現。除了上述五個預報量，一些對霧霾預報有指示意義的物理量(混合層高度、理查森數、通風系數、逆溫強度)和污染物濃度(SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10)也以圖片的形式呈現。

3 黑龍江省霧霾精細化數值預報系統產品顯示

3.1 系統平臺設計

平臺設計采用jsp+tomcat+mysql搭建平臺。應用Mysql庫保存網站數據。包括圖文件、鏈接名稱、資料等網站組成元素。通過對表內字段的定義，來完成數據計算，實現更多的功能。聯系Mysql庫，應用后臺管理，編寫后臺功能頁，對各要素進行“增、刪、改”，把url及圖標動態管理，便于網站維護。信息共享平臺無須安裝客戶端，用戶只需要通過IE瀏覽器就可以方便查詢，顯示動畫。產品以圖像方式向用戶展示預報信息和地理信息，以網址方式訪問。

3.2 系統平臺使用技術手冊

因為該系統主要應用于省、地、縣三級氣象部門，系統使用方法如下。

第一步：登陸http://172.19.112.252:8001/weather_linux/main.jsp，來到天氣信息共享平臺，在菜單管理項里自上而下的第七項為“霧霾數值預報”，同時在頁面上方也可以很方便地看到“霧霾數值預報”菜單。

第二步：點擊“霧霾數值預報”菜單。生成的界面分別顯示三個子菜單：霧霾及能見度預報、相關物理量和污染物濃度。

第三步：點擊“霧霾及能見度預報”菜單(下面均以左邊工具條為標準進行說明)。生成具體的霧霾及能見度預報界面。在屏幕的右側有多個對話框如圖1所示，A：時間框在打開對話框時默認顯示當前時間，例如20161005，在數字的右邊有一個小按鈕，鼠標點擊后出現新的對話框，可以任意選擇年月日，也可以方便地任意選擇年月日然后按“確定”按鈕就可以了，此時對話框的左下方有個快速選擇按鈕，可以快速選擇20161005之前的三天和后一天的資料。B: 區域數值模式每天兩次運算，初始預報時次為世界時，分別為00時和12時。C：為預報要素，對話框里列出所要預報的量。D：預報時效，逐小時進行預報，00小時～72小時，在對話框里可以單擊任意時次的預報圖。E：-1小時是往后退一張圖，+1小時是往前進一張圖。方便逐小時前后翻閱預報圖。F：可以進行動畫播放，方便顯示預報要素的動態，速度設為三種，分別為快、慢和正常。

圖1 霧霾及能見度預報

4 結論

基于WRF模式的霧霾精細化數值預報系統，實現了霧霾及能見度、相關物理量和污染物濃度的精細化預報。信息共享平臺無須安裝客戶端，用戶只需要通過IE瀏覽器就可以方便查詢顯示以及動畫。為黑龍江省的霧霾預報、預警提供有力的技術支持。