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Focus on Air Quality

華東地區解析度3Km之CMAQ模擬分析

Table of contents

背景

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WRF之模擬

  • WRF_chem的ndown尚未成功，且由於CMAQ亦有揚塵機制，此處並不使用WRF_chem，使用WRFv4.3進行模擬。

水平網格系統設計

  • 採15Km、3Km等2層網格
  • CWBWRF_15k維持不變。

  • HUADON_3k網格範圍以涵括大陸地區主要污染源為主，臺灣仍維持在東西向之中央，位置略偏南，主要考量過去臺灣地區反軌跡來源，主要以偏北方向居多。

  • namelist.wps設定如下
 parent_id         =   1,    1,
 parent_grid_ratio =   1,    5,
 i_parent_start    =   1,  252,
 j_parent_start    =   1,  144,
 e_we              =  671, 751,
 e_sn              =  395, 951,
 geog_data_res = 'default','default','default','default'
 dx = 15000,
 dy = 15000,
 map_proj = 'lambert',
 ref_lat   =23.08689
 ref_lon   =121.7359
 truelat1  =  10.0,
 truelat2  =  40.0,
 stand_lon = 121.7359,
 geog_data_path = '/nas1/WRF4.0/WPS_GEOG/WPS_GEOG',

垂直網格設計

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ndown及整體程序

  • 執行2層的WPS、OBSGRID及REAL
  • 執行CWBWRF_15k(單層)之WRF結束後，隨即進行ndown程序，以產生HUADON_3k逐時邊界場。
  • 最後再執行HUADON_3k(單層)之WRF，將結果連結到mcip作業指定位置。

MCIP之執行

網格系統

  • 將d06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 = HUADON_3k
    • 內縮X0 = 1
    • 內縮Y0 = 1
    • 東西網格數NCOLS = 744
    • 南北網格數NROWS = 948
  • 格數考量因素除在WRF格數範圍內，也考量其因數分解後，可以達成工作佔核心數之均勻分配、以及同時使用到最多核心數，詳下說明。

執行時間

  • wrfout之時間
    • 一般為5天，WRF執行了8天
    • 腳本設定
set InMetFiles = ( \
                   $InMetDir/wrfout_${argv[3]}_0 \
                   $InMetDir/wrfout_${argv[3]}_1 \
                   $InMetDir/wrfout_${argv[3]}_2 \
...
                   $InMetDir/wrfout_${argv[3]}_7 )

檔案連結

  • MCIP會抓d06檔名
wrfout_dHUADON_3k_0 -> /nas1/WRF4.0/WRF_chem/201804_run56N12/HUADON_3k/wrfout_d01_2018-03-30_00:00:00
wrfout_dHUADON_3k_1 -> /nas1/WRF4.0/WRF_chem/201804_run56N12/HUADON_3k/wrfout_d01_2018-03-31_00:00:00
...
wrfout_dHUADON_3k_7 -> /nas1/WRF4.0/WRF_chem/201804_run56N12/HUADON_3k/wrfout_d01_2018-04-06_00:00:00
wrfout_d06_0 -> wrfout_dHUADON_3k_0
wrfout_d06_1 -> wrfout_dHUADON_3k_1
...
wrfout_d06_7 -> wrfout_dHUADON_3k_7

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