◆作者：杨景朝1，伯鑫2，田军3，王刚4，李时蓓2，王琰2 (1四川省气象灾害防御技术中心，成都610072； 2环境保护部环境工程评估中心，北京 100012；3南京大学环境规划设计研究院股份公司，南京210093；4三捷环境工程咨询(杭州)有限公司，杭州310012)

◆DOI：10.13205 /j. hjgc.201807033

◆引用： 杨景朝,伯鑫,田军,王刚,李时蓓,王琰.WRF四维同化数据在空气质量法规模型CALPUFF的应用研究[J].环境工程,2018(07):165-169.

◆基金项目：国家环保公益性行业科研专项(201309062)，清华大学环境学院重点学术机构2015年度开放基金课题，国家环保公益性行业科研专项(201509010)

◆通讯作者：伯鑫（1983-），男，高工，主要研究方向为排放清单以及大气污染模拟，Email：boxinet@gmail.com

◆作者简介：杨景朝（1988-），男，助理工程师，硕士研究生，主要从事环境气象研究工作，Email：1010793055@qq.com

一、资料与方法

1.1研究资料概况

研究区域：内蒙古正蓝旗地区；

数据来源：本研究收集了2013年8月上都电厂污染源在线监测数据、12个空气质量监测点SO2环境浓度数据（图1）、6个地面气象站（正蓝旗站、那日图站、五一种畜场站、乌日图站、宝绍岱苏木站、赛音胡都嘎苏木站）2013年全年逐时数据。

1.2WRF四维同化参数设置

     采用WRF版本为WRFV3.6.1，模拟区域中心经纬度为（42.23°N，116°E），投影为Lambert，网格为3层双向嵌套（水平分辨率为36km、12km、4km，垂直方向为26层）。

1.3CALPUFF参数设置

本文选用的CALPUFF版本为6.42。CALMET气象模块采用的90m分辨率地形高度资料来自美国地质勘探局（USGS），30m分辨率土地利用类型数据来自环境保护部环境工程评估中心“环境影响评价基础数据库建设”课题成果，中尺度气象场数据来自WRF四维同化数据，用于运行CALMET模式生成三维逐时气象场。CALMET模式中垂直方向包含10层，顶层高度分别为20、40、80、160、320、640、1200、2000、3000和4000m。水平网格分辨率为100m，东西向100个格点，南北向100个格点。

       CALPUFF扩散模块中输入上都电厂烟囱坐标、烟囱高度、烟囱内径等信息，SO2排放参数考虑污染源排放量、温度、流速的小时变化，计算时间步长设置一小时，完成了2013年8月11至25日上都电厂对周边12个空气质量监测点小时浓度贡献模拟。

1.4模拟效果评估方法

       利用统计学方法（相关系数、平均偏差等）对同化及未同化方案模拟气象场效果进行对比分析。由于正蓝旗站地面气象要素（气温、风速、总云量）较完备，使用该站地面常规观测资料对两种方案模拟结果进行检验。

（1）WRF模拟效果评估：

       本研究参考国内外同类工作的评估方法，针对2m高度气温和10m高度风速等地面气象要素进行检验分析，具体所用统计量公式如下：

       式中：R为相关系数（反映模拟序列和观测序列之间的线性相关程度），MB为平均偏差（反映模拟序列和观测序列之间的偏差情况），MAE为平均绝对误差（反映模拟序列和观测序列之间偏差的实际情况），RMSE为均方根误差（反映模拟序列和观测序列之间偏差的平均），IA为模拟值与观测值的吻合指数（反映模拟序列和观测序列之间的趋势吻合程度）。Pi、Oi分别表示第i个气象要素模拟值和观测值，P和O则分别表示全部模拟值和观测值的平均值，N为时间样本总数，Φ表示第i个模拟值和观测值之间的差值。上述统计量中，MB、MAE、RMSE越接近于0，R和IA越接近于1，则说明模拟效果越好。

（2）CALPUFF模拟效果评估：

本文采用平均百分比偏差（FB）、高端值比值（RHC）等方法验证CALPUFF模拟值与实际监测值吻合效果。

二、结果分析

2.1气象要素模拟效果分析

同化方案全年气象要素统计结果总体上优于未同化方案。

2.2污染物模拟效果分析

总体来看，同化后模拟结果落在2倍误差线内的占比相对较多，并且中轴线附近的点多于未同化方案，表明同化方案SO2日均浓度的模拟结果优于未同化方案。

三、结论与讨论

本研究建立了牛顿张弛逼近四维同化方法，并将其应用于内蒙古正蓝旗地区气象场模拟中。结合上都电厂在线监测数据、现场监测数据等，开展了WRF四维同化方法在CALPUFF的应用研究，为我国大气环境影响评价提供了新的技术方法。

内蒙古正蓝旗案例结果表明，四维同化方法可有效提高风速、云量等气象要素模拟的准确性。

CALPUFF污染物同化方案与未同化方案的FB值分别为0.44、0.47，RHCR值分别为1.51、1.63，同化方案的FB 值和RHCR 值更接近0和1。表明该同化方法的应用，有助于CALPUFF模拟效果的改善。

从本次试验的模拟结果来看：WRF四维同化方法总体改善了正蓝旗地区气象场模拟效果，提高了CALPUFF在该地区模拟的准确度。考虑到我国地形及下垫面分类较为复杂，因此下一步需开展WRF四维同化方法在全国范围的应用研究，进一步分析不同地形、不同下垫面条件下，四维同化方法对CALPUFF模拟效果的影响情况。