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Focus on Air Quality

geogrid

Table of contents

背景

  • 地形、土地使用之定義與處理(geogrid.exe)是WPS的第一步，是整個WRF系統在空間上的基礎，也是後續空間品質模擬的空間架構。因是空間設定，不必每次事件個案都重新處理。
  • WRF範圍的考量視最終目的為空氣品質或氣象預報分析，略有不同，比較詳下表，後續將詳細討論。
  • WPS顧名思義就是WRF的前處理系統(WRF Pre-processing System)，包括準備地理地形檔案的geogrid.exe、初始邊界檔案要讀取的觀測值準備ungrid.exe及網格化metgrid.exe等3支程式。
    • 這三支程式共用同一個名單(namelist.wps demo)。
    • 詳細編譯、安裝、namelist.wps設定、VTable的設定等等，可由官網找到相關資源。
設定項目氣象預報分析為目標空氣品質分析為目標此處設定
範圍視天氣系統移動速度及預報天數而定。陸上及海上天氣現象同樣重要會以同時納入排放源與受體、同時納入其間所有的大氣擴散傳輸現象為考量以3天軌跡範圍、中國東半部排放量較大範圍為主
解析度視地面強迫機制複雜度而異視污染排放空間解析度而異採81/27/9/3巢狀網格解析度
格點數因無化學反應之計算，計算資源需求較低，可以允許較多的網格點視反應機制的複雜度(計算資源需求較高)、子網格所需邊界條件解析度等而定58~148
中心點以關注標的為中心，東、西向對稱，以囊括到最多的天氣系統活動不見得以關注標的之地理中心為中心，而是以污染傳播軌跡為中心以台灣為中心
套疊關係雙向與否視解析度而異雙向與否與主要污染源有關WRF採雙向、CMAQ採單向

模擬範圍

  • 整體而言氣象及空品模式模擬的範圍，都以天氣系統的移動速度及關切現象的天數而定，亦即污染軌跡在一定時間內所能延伸至之範圍。
  • 以同樣是東亞範圍(d01)，圖1為中央氣象局WRF15公里解析度模擬範圍，其東西向範圍9,000公里、南北向6,000公里，約可掌握3~6天之天氣現象。
    • 模擬範圍可以完整包括青康藏高原、蒙古高原的主要部分，對地形效應有較完整的掌握。
    • 東側海面則以換日線為界，在資料整合上也能保持便利性。
geo_emWRF_15Km.PNG
圖1 中央氣象局WRF15公里解析度模擬範圍之地形高程。東西向範圍9,000公里、南北向6,000公里
  • 圖2為CMAQ 東亞模擬範圍，自台灣起算亦有至少3天反軌跡範圍，東西南北皆為4,860公里。
    • 包括了中國大陸東半壁，韓、日、中南半島與東南亞等主要境外污染來源。
    • 因大陸西部及海上無顯著污染源，縮減範圍也可減省計算資源。
geo_emWRF_81Km.PNG
圖2 CMAQ 東亞範圍之地形高程，東西南北皆為4,860公里

各層網格詳細設定

  • 中央氣象局WRF15及3公里解析度模擬範圍之namelist.wps內容設定如下
&geogrid
 parent_id         =   1,    1,
 parent_grid_ratio =   1,    5,
 i_parent_start    =   1,  213,
 j_parent_start    =   1,  133,
 e_we              = 671, 1166,
 e_sn              = 395,  681,
 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',
/

子網格系統套疊關係

格數與母網格起點

  • 格數
    • 新版geogrid.exe對次網格的格數要求較嚴格，減1後必須是parent_grid_ratio的倍數。
    • 母網格起點(i_parent_start, j_parent_start)的決定與網格的格數間距有關
  • 母網格起點
    1. 母網格及子網格總長差異/母網格之格距/2
    2. 需將臺灣本島置於中央

中央氣象局WRF3公里解析度模擬範圍

  • 圖3為中央氣象局WRF3公里解析度模擬範圍，東西向範圍3,500公里、南北向2,050公里。
    • 其解析度足供鄉鎮區之天氣預報及分析
    • 由於沒有化學反應之計算，其網格數多達1166 X 681
    • 因d01的解析度也很高，足以反映局部重要特性，因此並不需要雙向套疊關係，d01即能呈現足夠的預報度。
geo_emWRF_3Km.PNG
圖3 中央氣象局WRF3公里解析度模擬範圍之地形高程。東西向範圍3,500公里、南北向2,050公里

WRF/CMAQ 各層子網格之模擬範圍

  • 圖4~6為CMAQ 東南沿海(d02)、臺澎金馬(d03)與臺灣本島(d04)等各層子網格之模擬範圍。
    • 每個網格系統皆以臺灣為中心點，讓網格範圍有最大程度之重疊。
    • 因主要模擬標的為d04臺灣本島範圍，其餘範圍則保持雙向套疊關係
geo_emWRF_27Km.PNG
圖4 CMAQ 東南沿海範圍之地形高程，東西南北皆為1,890公里
geo_emWRF_9Km.PNG
圖5 CMAQ 臺澎金馬範圍之地形高程，東西向範圍552公里、南北向684公里
geo_emCMAQ_3Km.PNG
圖6 CMAQ 臺灣本島範圍之地形高程，東西向範圍282公里、南北向444公里

各層網格詳細設定

WRF/chem之geogrid.exe設定

整體流程

揚沙所需特定檔案

  • 下載風蝕、沙及泥的比例參數計算所需Thompson全球數據
  • 到geog_data_path所指定的目錄(/nas1/WRF4.0/WPS_GEOG/WPS_GEOG)下進行解壓縮動作，得到下列3個目錄及以下檔案
uang@DEVP /nas1/WRF4.0/WPS_GEOG/WPS_GEOG
$ ls -lrth |grep "^d"
drwxr-xr-x.  2 kuang SESAir 4.0K Jan  5  2013 clayfrac_5m
drwxr-xr-x.  2 kuang SESAir 4.0K Jan  5  2013 sandfrac_5m
drwxr-xr-x.  2 kuang SESAir 4.0K May  8  2018 erod

$ ls -lrth clayfrac_5m sandfrac_5m erod
clayfrac_5m:
total 20M
-rwxr-xr-x. 1 kuang SESAir 288 Oct 16  2010 index
-rw-r--r--. 1 kuang SESAir 20M Oct 16  2010 00001-04500.00001-02250

sandfrac_5m:
total 20M
-rwxr-xr-x. 1 kuang SESAir 288 Oct 16  2010 index
-rw-r--r--. 1 kuang SESAir 20M Oct 16  2010 00001-04500.00001-02250

erod:
total 6.1M
-rwxr-xr-x. 1 kuang SESAir  282 May  8  2018 index
-rw-r--r--. 1 kuang SESAir 6.0M May  8  2018 00001-01440.00001-00720

揚沙參數之執行結果

  • EROD風蝕係數之維度須先以ncwa予以去除方能以VERDI檢視。
    • EROD的維度名稱為： EROD(Time, dust_erosion_dimension, south_north, west_east) ，其中dust_erosion_dimensionVERDI無法辨識
erod.PNG
圖7 d01範圍的風蝕係數(EROD)
crayfrac.PNG
圖8 d01範圍的黏土比例係數(CRAYFRAC)
SANDFRAC.PNG
圖9 d01範圍的沙土比例係數(SANDFRAC)

Reference