calpuff文件输入具体说明

CALPUFF烟团扩散模块--CALPUUFF烟团扩散模型简介

CALPUFF是一个用来模拟不稳定状态的多层、多物种污染的高斯型烟团扩散模式，它适用于模拟时空都在变化的气象条件下污染物的迁移、转化和清除。考虑了复杂地形的影响，水上传输，海岸的交界影响，建筑物的下沉影响，干湿沉降以及简单的化学转化，以平流扩散的方式模拟从源排放出来的污染物，可以估算的出在预设点的浓度和沉降量。CALPUFF模块特征

CALPUFF烟团扩散模式具有以下特点：

1）可以处理时变的点源、面源污染

2）可以模拟几十米到几百公里的区域

3）可以预测一小时到一年的污染物浓度

4）考虑了污染物的线性去除过程和化学转化机制

5）适合于粗糙、复杂地形条件下的模拟。

CALPUFF模块中的一些选项

CALPUFF中主要的选项包括以下类别的变量及参数的选择:

?源类（Source types）

点源、面源、线源和体源的变量和常数选项。

?不稳定状态下的排放及气象条件

①三维气象场变量（风和温度）

②混和层高度、摩擦速率、湍流系数、Monin-Obukhov长度及降水速率等变量的空间

变量场

③扩散系数

④时变的源排放数据

?取样时的有效函数（Efficient sampling functions）

?扩散系数选项（和）

①直接测量的和

②通过相似性理论计算的和

③适合于郊区的Pasquill-Gifford (PG)扩散系数

④适合于城镇的McElroy-Pooler (MP)扩散系数

⑤适合于中性或稳定条件下的CTDM扩散系数

?风的垂直煎切作用

?烟羽的抬升作用

①局部的烟羽穿透作用

②浮力抬升和动力抬升

③烟筒的阻挡影响（Stack tip effects）

④风的垂直煎切作用

⑤建筑物下洗影响

?建筑物下洗作用

在模拟建筑物对烟羽的下洗作用时有两种方法可供选择：Huber-Snyder法和Schulman-Scire法。

?复杂次地形的影响作用。

以为分界线，烟羽位于之上时，会沿着山体等爬升而改变扩散速度；烟羽位于之下时，烟羽围绕山体扩散。

?分界面

Time-varying heat flux and emissions from controlled burns and wildfires.

?干沉降（气体或颗粒物）

在处理烟羽中气体或颗粒物的干沉降作用时，有三个选项：

①通过模型系统地计算干沉降地时空变化

②用户指定个污染物质的日循环

③不考虑干沉降

⑴海陆间的相互作用

①海上边界层参数的选择

②气象条件和海岸边烟羽扩散的突变

③烟羽裂变

⑵化学转化选项

①、、、与间的化学转化机制(MESOPUFF II法)

②用户指定的化学转化速率

③不考虑化学转化

⑶湿沉降（Wet Removal）

①净化系数的选择

②受降水强度和降水类型影响的去除率

⑷ Graphical User Interface

Calpuff外部输入文件：

Calmet

一．CALMET气象模型--CALMET模块所需输入的数据及计算机格式要求

CALMET气象模块数可以输入多种数据，常用的输入数据简要概述如下：

?地面站气象数据（Surface Meteorological Data）

CALMET模块要求输入尽量多的气象地面站的每日逐时观测资料，包括风速、风向、气温、云底高度、云量、气压和相对湿度。对于所获得的地面站观测资料，允许温度，云量、气压等数据有缺失时，但应用最近的地面站数据取代那些无效值。

?探空气象数据（Upper Air Data）

CALMET模块要求输入至少1个气象

探空站的每日探空资料，包括风速、风向、气温、气压和抬升高度的垂直廓线。对于所获得的观测资料，如果风速、风向或温度等有缺失时，探空站中通过内插的方法获得数据取代那些无效值。

?海上观测数据(Overwater Observations)

如果所模拟的区域包括水面或受海洋的影响很大时，模型应用软件中还涉及到了海上气流的传输和扩散，因而CALMET边界层模块中还需要观测海面气流中的一些参数，包括：海气温度差、气温、相对湿度、海上混和层高、风速风向等。

?地理数据（Geophysical Data）

CALMET模型还要求需要输入地理数据，包括网格化了的海拔高度和土地利用类型数据。有时也需要输入一些其它网格化了的地理参数，比如：地表粗糙度、反照率、波恩比、土壤热通量常数、人为热通量及植被覆盖率等。

在对以上数据进行预处理时，需要变成National Climatic Data Center's (NCDC)的格式输入计算机，或者可以以外部文件的形式输入。

二．Calmet数据具体说明

⑴地理数据文件 (GEO.DAT)

GEO.DAT文件中包含的是CALMET模块中所需的地理数据，包括土地利用类型、海拔高

度及一些其它地表参数（如：地表粗糙度、反照率、波恩比、土壤热通量参数等），其中土

地利用类型和海拔高度以网格化的形式输入。模型中提供了与土地利用类型相关的参数默认

值。

具体GEO.DAT文件格式见表2－2。包括文件标题（小于80字符）、X轴网格数目、Y 轴网格数目、水平网格间距、模拟区域起始点坐标(X、Y)、模拟区域所处的UTM区域（全球共分60个区）、是否使用缺省土地使用类（0表示使用，1表示不使用）、土地利用类型数据库、海拔高度数据库。

默认的土地利用类型基于美国的土地利用分类系统（USGS），见表2-3.在美国土地利用类型分类系统中，把土地利用类型分为14类，即城镇用地、农业非灌溉用地、农业灌溉用地、牧地、林地、小水体、河口用地、大水体、沼泽地、覆盖有植被的沼泽地、无植被覆盖的沼泽地、裸露地、冻土和冰原地带。各种土地利用类型都有相应的标号，另外，在这14种类型中又有更细的划分，共分为52类。比如城镇用的又可分为工业用地、住宅用地、商业用地等。在确定土地利用类型时，可以通过查询获得

CALMET模块使用说明--CALMET外部输入文件(2)

发布日期：2011/2/16 13:47:19 来源：作者：点击：15

?探空数据文件(UP1.DAT、UP2.DAT……)

CALMET的探空文件是从UPn.DAT中读取的。建立探空数据文件时，可以通过READ56 或者READ62预处理程序处理成NCDC格式，也可以通过FORTTRON语言编制应用程序，输出后使数据格式与指定的格式相符。具体UPn.DAT文件格式见表2－4。文件中包含的内容有：开始年、序列天、格林威治（GMT）时；结束年、序列天、格林威治（GMT）时；TOP层压强；初始文件夹格式（TD-6201格式或NCDC CD-ROM格式)、数据块（压强、海拔高度、温度、风速和风向）。

表2－4 UPn.DAT文件格式

CALMET模块使用说明--CALMET外部输入文件(3)

?地面站数据文件(SURF.DAT)

CALMET中对于SURF.DA T文件可以通过两种方式建立。一种是通过SMERGE气象预处理程序建立，SMERGE预处理程序可以把时测到的地表气象数据转化成与CALMET 模型相适应的NCDC 格式。这种方法适合于有很多地面站、数据量很大的情况下使用。第二种方法是根据给定的格式手写入所需的数据，数据量小的时候可以使用这种方法。

表2－5是一个关于SURF.DA T的简单的例子。在SURF.DAT文件中，包含有：

开始和结束的年、序列天和当地时间；时区；站数和站号及数据快（风速、风向、云层高度、云量、气温、相对湿度、压强及降水编号——0表示没有降水，1-18表示液态降水，45表示固态降水）。数据都是以FORTRAN语言格式读取的。

CALMET模块使用说明--CALMET外部输入文件(4)

?海洋数据文件(SEA1.DAT, SEA2.DAT, ...)

当所模拟的区域内有水域的存在时，CALMET模型中要考虑水气的传输于扩散，而且在选择边界层参数时，应该观测水—气温度差异、空气气温、相对湿度及海上混和层高度。尽管在CALMET.INP file中气温直减率有默认值，但是当考虑了水气温差后，必须重新给定气温直减率。在SEAn.DA T文件中，通过特殊的方式观测了风速和风向。另外，海洋站观测的数据不能对其进行插补，只能用

SURF.DAT文件代替SEA.DAT文件，而且SEA.DA T文件中不能有风速、风向等数据的缺失，否则会出现错误的结果。

表2-6为一个简单的SEA.DA T文件例子。所包含的内容为：站名；ID号及数据块——观测点UTM坐标（X、Y）、经度、纬度、开始年、开始序列天、开始时、结束年、结束序列天、结束时、水气温差、气温、湿度、混和层高度、混和层气温下递减率、混和层气温上

递减率、风速和风向。

CALMET模块使用说明--CALMET外部输入文件(5)

?降水数据文件(PRECIP.DAT)

当CALPUFF模型中考虑湿气消除运算法则（wet removal algorithm）时，CALMET 就必须生成网格化的时变降水率。可以通过PXTRACT和PMERGE预处理程序重新格式化NWS降水数据生成可被CALMET 模型接受的TD-3240格式。具体PRECIP.DAT文件见表2-7。文件中包含：开始年、序列天、时；结束年、序列天、时；时区、站数、站ID号及数据快（年、序列天和降水量）。

国内没有PXTRACT可以处理的降雨量数据，可以写好单站的TD3240文件直接用PMERGE得到所需的降雨量文件PRECIP.DAT。单站TD3240文件格式见图3-5和表3-5。

（6）CALMET模块使用说明--CALMET的输出文件（CALMET.DAT）CALMET.DA T文件包含的是CALMET模块生成的气象场数据，也包括一些CALMET 模块、CALGRID和CALPUFF模块都所需的地理数据如：海拔高度、地表粗糙度及土地利用类型等。不同的是CALGRID需要输入三维的温度场和垂直速率而CALPUFF模块去不需要，因而需要通过CALMET模块生成气象场时转化那些变量。

CALMET.DA T文件由15组记录描述和一系列的时变数据组成。15组记录性的描述分别代表：模块运行标题、网格系统、垂直高度的确定、地面站坐标、探空站坐标、降水站坐

标、地表粗糙度、土地利用类型、海拔高度、叶面积指数、距离各网格点最近的气象站。所包含的具体变量和数据块描述见表3－8。

表3－8 CALMET.DAT所含变量及数据块

（7）Calmet 控制流文件

CALMET模型的选项和控制都由控制文件CALMET.INP执行，CALMET.INP包含了能详细描述模型运行的所有信息，如：模型运行起始时间、水平和垂直网格数、模型选项标记、地理数据（海拔高度、土地利用类型及地面特征）等。CALMET.INP可以通过传统的编辑方式直接建立，也可以通过在windows下运行的CALMET.GUI输入界面间接的建立。通过对CALMET.GUI的信息输入，不仅能形成控制文件，而且CALMET.GUI能使模型运行，也可优化文件的管理功能。

CALMET.INP大体上主要通过以下10组信息输入和一个三行的标题完成，若不在CALMET.GUI界面中而是使用传统方式输入时，组内的变量可以不按顺序自由输入，但各组应该按顺序输入，每组信息输入完成后应以一个输入!END!表示结束，通常都是在CALMET.GUI界面中输入信息形成控制文件的。

具体输入内容如下：

?标题（Run Title）

概括性的描述了模型的选项，包括网格数；网格间距；采用的风场及所用地面站、地表站、降水资料等情况。

?输入文件和输出文件的名称（Input and Output File Names）

地理、气象等数据因为数据比较繁多，一般以外部文件的形式输入，形成GEO.DAT、UP.DAT、SURF.DAT和SEA.DAT等输入文件。另外还应指定输出文件的路径和名称，如CALMET.DAT和CALMET.LST，这些文件中包含了CALMET气象场的信息，以便在CALPUFF模块中使用。

?运行时一般的控制参数（General Run Control Parameters）

模型运行时常规的输入信息，如：起始时间、运行时间、模拟区域所处的时区及一些其它的运行选项（如：模拟过程中是只计算风场还是风场和气象参数都需要计算？默认值0

代表只计算风场，默认值1表示风场和气象参数都需要计算）

?网格控制参数（Grid Control Parameters）

包括网格数、网格间距、垂直层高度取值、坐标系的选取及模拟区域起始点坐标等。当模拟区域范围比较大时，常采用兰伯特坐标系。

?输出文件时的选项（Output Options）

指的是输出文件时对一些气象变量是否输出的决定，如是否以特定的格式输出MET气象场、采取什么样的格式输出（CALMET.DAT或者PACOUT.DAT）、输出指定的U, V风速层、w风速层、3-D 温度层等。

?气象数据选择（Meteorological Data Options）

包括模拟区域所采用的地面站、探空站、降水站、海洋站的个数，还有一些关于降水变量的选项。

?风场选项及参数（Wind Field Options and Parameters）

在选择风场时，可以选择客观分析风场（Objective analysis only）或诊

断风（Diagnostic wind module），在CALMET中，通常选择诊断风场模块。

另外还要考虑是否计算Froude数、考虑动力地形学影响、用O'Brien调

整垂直速率、坡风、外堆或内插探空层等一系列问题。而且还应对影响半径

（radius of influence parameters）、weighting factors, barrier data等作出计算和选择。

?混和层高度、温度和降水参数（Mixing Height, Temperature, and Precipitation Parameters）1）混和层高度经验值

Neutral, mechanical equation为1.41，湍流系数为0.15，稳定海拔高度2400，Overwater mixing ht. equation为0.16，Coriolis参数默认值是: 1.E-4 。

2）Spatial averaging of mixing heights

3）其它的混和层高度变量

海陆混和层高度最大指和最小值、气温直减率最小值（常默认为0.001）、Depth of layer above current conv.mixing height、气温插补类型（1/R或1/R**2）、气温插补影响半径、气温插补时站数的最大值、是否进行气温空间平均、降水插补类型（1/R、1/R**2或EXP/R**2）、降水影响半径、降水概率最小值。

?地面站参数（Surface Meteorological Station Parameters）

站名（Name）、编号（ID）、坐标（X，Y）、时区及外部输入文件名。

?Upper Air Station Parameters

站名（Name）、编号（ID）、坐标（X，Y）、时区及外部输入文件名。

⑴Precipitation Station Parameters

站名（Name）、坐标（X，Y）、时区及外部输入文件名

（8）CALMET气象模型--CALMET气象场原理

CALMET是利用质量守恒连续方程，在三维网格模拟域中描述小时风场与温度场的气象模块，其核心部分包括诊断风场以及微气象场模式。它通过质量守恒连续方程对风场进行诊断，在输入模式所需的常规气象观测资料或大型中尺度气象模式输出场后，CALMET模式将自动计算并生成包括逐时的风场、混合层高度、大气稳定度和微气象参数等的三维风场和微气象场资料。CALMET模块在三维风场模拟过程中详细考虑了地形的动力学影响、倾斜气流和阻塞效应。

CALPUFF控制流文件

CALPUFF模块使用说明--控制文件（CALPUFF.INP）

CALPUFF烟团扩散模型的信息资料包括源、受体和气象文件及在一系列输入文件中的控制参数，模型本身生成一些输出文件。当每个CALPUFF的路径和文件在控制文件（CALPUFF.INP）中指定后，CALPUFF源代码（CALPUFF.EXE）就会从当前的控制文件中读取输入文件并生成输出文件。

控制文件（CALPUFF.INP）

用户把CALPUFF的选项和控制指定输入在一个文件中命名为控制文件，其默认名称为CALPUFF.INP，包括所有的决定一个模型运转（如起始时间，运行长度，网格定义，技术选项，输出选项等）的必要信息。CALPUFF.INP可以直接由常规编辑器创建或者以PC机为基础的，WINDOWS系统兼容的GUI为CALPUFF开发的形式来进行。CALPUFF GUI 不仅可以准备控制文件还可以执行模型和简便文件的管理操纵，控制文件由18个主要输入组群以及其变数组成的次组群组成。

?标题

包含选用的网格、气象场类型及污染源等概括性的信息，在编制程序时一般采用3行信息表示，不能超过80个字符。

?输入和输出文件名