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Focus on Air Quality

東亞地區解析度15Km之CMAQ模擬分析

Table of contents

背景

  • 東亞地區高解析度模擬的挑戰非但是資料面，也是電腦硬體的困難，包括計算核心與記憶體的分配、硬碟的容量等等。
  • 雖然模擬各個階段的細節都已經在FAQ中各單元交代，此處還是綜整因應東亞地區之考慮、以及特殊修改之要點。
  • 有關網格系統的考量
    • 範圍類似大氣污染情報網站或REAS，具有可比較性。
    • 解析度(15km)較其他地區模擬為高。
    • 因以台灣地區為服務標的，位於模擬範圍的正中心，可以接受各方向天氣系統的作用效果，沒有方向上的偏頗。
    • 囊括中國及中亞砂塵暴排放源位置，有效提高模擬的正確性。
    • 網格系統定義詳見中央氣象局opendata數值預報模式-區域預報模式(WRF-15公里)之說明。

WRF之模擬

  • 詳細說明如WRF-chem
  • 為提高模擬的正確性，揚砂排放與4階同化都有開啟。
  • 並未使用WRF-chem輸出的揚砂排放量，而是啟動CMAQ本身的線上揚砂機制(CTM_WB_DUST)。

MCIP之執行

網格系統

  • 將d00設定如下(相較其他巢狀網格設定詳見網格系統詳細定義)：
    • 網格名稱GridName = CWBWRF_15k
    • 內縮X0 = 3
    • 內縮Y0 = 3
    • 東西網格數NCOLS = 665
    • 南北網格數NROWS = 389

執行時間

  • wrfout之時間
    • 一般為5天，WRF-chem執行了10天
    • 腳本設定
set InMetFiles = ( \
                   $InMetDir/wrfout_${argv[3]}_1 \
                   $InMetDir/wrfout_${argv[3]}_2 \
...
                   $InMetDir/wrfout_${argv[3]}_10 )

檔案連結

  • MCIP會抓d00檔名
 wrfout_dCWBWRF_15k_1 -> /nas1/WRF4.0/WRF_chem/201804_run56/wrfout_d01_2018-03-31_00:00:00
 wrfout_dCWBWRF_15k_2 -> /nas1/WRF4.0/WRF_chem/201804_run56/wrfout_d01_2018-04-01_00:00:00
...
 wrfout_dCWBWRF_15k_10 -> /nas1/WRF4.0/WRF_chem/201804_run56/wrfout_d01_2018-04-09_00:00:00
 wrfout_d00_1 -> wrfout_dCWBWRF_15k_1
 wrfout_d00_2 -> wrfout_dCWBWRF_15k_2
...
 wrfout_d00_10 -> wrfout_dCWBWRF_15k_10

BCON之準備

  • 因為模擬範圍大、解析度高，如果準備區內所有時間、3維的空品數據，檔案會非常大(>1T)，難以操作，且run_bcon.csh只運用到空品檔案周圍一圈的數據，非常沒有效率。
  • 改以讀取EAC4數據、內插後直接寫進BCON檔案方式處理，grb2bc與詳細處理過程詳見EAC4檔案轉成4階邊界檔案。
    • CCTM可以接受邊界條件僅指定部分空氣品質項目，因此檔案容量可以減至最小。
    • 配合MCIP的起迄時間，共10天數據。
    • 檔名約定(BCON_v53_1804_run5_regrid_20180331_CWBWRF_15k)除了批次序之外，還需要有模擬起始日。因此如果進行restart模擬，需給予正確的日期

ICON之準備

  • CCTM會需要226項每一空氣品質之起始值。除了部分(NVARS=50)可以由EAC4數據給定，其餘則須暫時由隨機取得之數據填入。
  • 模式先以此開始模擬，會經過一段發散期，逐漸穩定。經過1天的模擬之後，再將當天23時的空品細項做為啟始濃度。(更改CCTM_CGRID檔案的SDATE及TFLAG)，以避免發散(cold start-up方式)。

土地使用

  • 由於REAS已經有估算農作畜牧的氨氣排放，因此關閉在線雙向氨氣排放(CTM_ABFLUX)機制。因此模擬不需要農作及土壤、土地使用等條件。直接由mcip結果提供相關數據。
  • 由於mcip使用與WRF-chem所讀取的geo_em檔案，因此會有相同的揚砂條件。
geo_em.d00.nc -> /nas1/WRF4.0/WRF_chem/WPS/geo_em.d01.nc_121.7359

地面排放檔案

  • 使用REAS3.2數據庫，轉換程式reas2cmaqD2.py之說明，詳見地面排放檔之轉換(CMAQ)。
  • 雖然為逐日檔案、逐時數據，但此處沒有設定任何的時間變化，只有REAS資料庫本身逐月的差異。

高空排放檔案

  • 即為REAS之POWER_PLANTS_POINT排放量，分布詳見高空排放檔之轉換(CMAQ)。
  • CCTM所讀取const.nc檔案內需設定正確的點源位置網格點，因此需改成CWBWRF_15k網格系統。

CCTM之執行

腳本修改項目

  • 開啟CTM_WB_DUST
  • 關閉CTM_ABFLUX
  • 模擬期間為啟始後9天結束
...
setenv CTM_WB_DUST Y
...
setenv CTM_ABFLUX N
...
  @ A = $RUN - 1; @ DD = $A * 4  ; @ ED = $A * 4 + 9

計算核心之安排

  • 因模擬範圍東西較寬，南北較窄，比例約為1.7:1，為使計算負荷及記憶體分配較為平均，此處設定接近2:1。
@ NPCOL  = 14 ; @ NPROW = 7
  • 共使用14*7=98個核心。

後處理

COMBINE

  • 修改GRID_NAME
  • 無需修改腳本日期，只需將原本屬於run6的日期予以更名即可直接使用原腳本。
...
if ( $DM == 'd01' ) then
#  setenv GRID_NAME  EAsia_81K
  setenv GRID_NAME  CWBWRF_15k
...

pm10.ncl

Results

pm10_ncl.PNG
圖 CCTM模擬d01範圍PM10之結果(NCL繪製)，單位log10μg/M3

Reference

  1. sinotec24.com為Hinet給定，如遇機房更新或系統因素，將不會保留。敬請逕洽作者：sinotec2@gmail.com. ↩