基于WRF模式的雾霾精细化数值预报系统

张桂华，齐 铎

(黑龙江省气象台，哈尔滨 150030)

随着社会经济的发展和人们对生活环境要求的提高，构建高时空分辨率的精细化雾霾预报成为雾霾预报业务的目标。准确精细化的雾霾预报不仅为百姓出行提供指导，也为政府决策提供技术支持。

1 区域中尺度数值天气预报业务系统

区域中尺度数值天气预报业务系统是基于最新的WRFV3.6.1版本开发，模式设计为三层嵌套。第一层覆盖中国北方大部地区、蒙古、俄罗斯远东地区、朝鲜半岛、日本海，格点精度27 km，预报时效96 h，模式产品输出时间间隔为1 h。第二层覆盖内蒙古东部地区、俄罗斯远东地区，格点精度9 km，预报时效96 h，模式产品输出时间间隔为1 h。第三层覆盖黑龙江省、俄罗斯远东地区，格点精度3 km，预报时效24 h，模式输出时间间隔为1 h。区域数值模式每天冷启动2次，为北京时间8∶00和20∶00。同时，区域模式采用快速循环预报方式进行热启动(3 km区域)，间隔为3 h。区域模式背景场主要应用GFS全球预报模式，数值模式资料同化采用3DVAR技术，同化最新常规与非常规观测资料。常规资料主要有全球高空地面交换数据、区域自动站资料。非常规资料有卫星微波辐射数据、GPS-MET水汽垂直廓线数据、黑龙江省及周边省份C波段多普勒雷达径向速度和强度。模式目前采用Morrison微物理显示方案、rrtm长波辐射、Dudhia短波辐射、Noah陆面过程、YSU边界层、Grell 3d ensemble积云对流参数方案。

2 区域中尺度环境气象预报业务系统

本系统基于WRF-CHEM V3.6.1化学模式开发。WRF-CHEM是将化学模式与WRF气象模式耦合的一个区域大气动力---化学耦合模式。预报区域、时效、精度与WRF气象模式一致。模式参数采用RRTMG长短波辐射方案、Grell 3 d积云对流方案、Noah陆面过程、YSU边界层方案、lin微物理过程。化学方案采用成熟发展完善的CBMZ气相化学方案。该方案按照分子结构分类，涵盖67个物种，涉及176个气相化学反应，其中涉及到光化学反应的物种有20个。与之配套的气溶胶化学方案是MOSAIC，该方案按照气溶胶粒径大小分为4级或8级。利用CBMZ-MOSAIC方案能较好地模拟大气环境中气态和固态污染物的热力和动力过程。主要预报产品有：1 h间隔SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10等浓度分布预报、未来三天首要污染物及相应的空气质量指数(AQI)和等级(1～6级)、混合层高度、理查森数、通风系数、逆温强度。

区域中尺度环境气象预报业务系统有以下特点：

第一，基于最新排放源清单统计建立黑龙江省人为污染源排放清单，根据不同行业对各类排放物的排放量估算其时空分布特征。

第二，本系统对四类人为污染源根据自身特点进行细分，农业源分为种植与畜牧业；工业源分为工业锅炉燃烧、炼焦厂、水泥厂、钢铁厂和其他工业生产；居民源分为室内原煤燃烧、燃油、烧柴和秸秆；交通源分为轻型汽油车、重型汽油车、重型柴油车和摩托车的尾气排放。

第三，黑龙江省植被茂密，可挥发有机物(VOCs)的排放量不可忽视。为此利用在大量试验资料基础上建立的MEGAN自然源污染排放模型估算每小时黑龙江省植被20类VOCs物种排放量。

基于区域中尺度环境气象预报业务系统，对以下雾预警、雾预报、霾预警、霾预报、能见度五类预报分别进行精细化预报呈现，范围为覆盖内蒙古东部地区、俄罗斯远东地区，格点精度9 km×9 km，预报时效96 h，模式产品输出时间间隔为1 h。完全按照业务规定和实际业务需求进行呈现。除了上述五个预报量，一些对雾霾预报有指示意义的物理量(混合层高度、理查森数、通风系数、逆温强度)和污染物浓度(SO2、NO2、O3、CO、PM2.5、PM10)也以图片的形式呈现。

3 黑龙江省雾霾精细化数值预报系统产品显示

3.1 系统平台设计

平台设计采用jsp+tomcat+mysql搭建平台。应用Mysql库保存网站数据。包括图文件、链接名称、资料等网站组成元素。通过对表内字段的定义，来完成数据计算，实现更多的功能。联系Mysql库，应用后台管理，编写后台功能页，对各要素进行“增、删、改”，把url及图标动态管理，便于网站维护。信息共享平台无须安装客户端，用户只需要通过IE浏览器就可以方便查询，显示动画。产品以图像方式向用户展示预报信息和地理信息，以网址方式访问。

3.2 系统平台使用技术手册

因为该系统主要应用于省、地、县三级气象部门，系统使用方法如下。

第一步：登陆http://172.19.112.252:8001/weather_linux/main.jsp，来到天气信息共享平台，在菜单管理项里自上而下的第七项为“雾霾数值预报”，同时在页面上方也可以很方便地看到“雾霾数值预报”菜单。

第二步：点击“雾霾数值预报”菜单。生成的界面分别显示三个子菜单：雾霾及能见度预报、相关物理量和污染物浓度。

第三步：点击“雾霾及能见度预报”菜单(下面均以左边工具条为标准进行说明)。生成具体的雾霾及能见度预报界面。在屏幕的右侧有多个对话框如图1所示，A：时间框在打开对话框时默认显示当前时间，例如20161005，在数字的右边有一个小按钮，鼠标点击后出现新的对话框，可以任意选择年月日，也可以方便地任意选择年月日然后按“确定”按钮就可以了，此时对话框的左下方有个快速选择按钮，可以快速选择20161005之前的三天和后一天的资料。B: 区域数值模式每天两次运算，初始预报时次为世界时，分别为00时和12时。C：为预报要素，对话框里列出所要预报的量。D：预报时效，逐小时进行预报，00小时～72小时，在对话框里可以单击任意时次的预报图。E：-1小时是往后退一张图，+1小时是往前进一张图。方便逐小时前后翻阅预报图。F：可以进行动画播放，方便显示预报要素的动态，速度设为三种，分别为快、慢和正常。

图1 雾霾及能见度预报

4 结论

基于WRF模式的雾霾精细化数值预报系统，实现了雾霾及能见度、相关物理量和污染物浓度的精细化预报。信息共享平台无须安装客户端，用户只需要通过IE浏览器就可以方便查询显示以及动画。为黑龙江省的雾霾预报、预警提供有力的技术支持。