CALPUFF模型系列課程1目錄contentsCALPUFF模型概述CALPUFF模型基礎(chǔ)CALPUFF模型進(jìn)階CALPUFF模型案例分析CALPUFF模型與其他模型比較CALPUFF模型實(shí)踐應(yīng)用與挑戰(zhàn)2CALPUFF模型概述013大氣環(huán)境研究的重要性01隨著工業(yè)化和城市化的快速發(fā)展，大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行深入研究具有重要意義。CALPUFF模型的發(fā)展歷程0220世紀(jì)80年代，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校與地球資源觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心共同研發(fā)了CALPUFF模型。歷經(jīng)持續(xù)優(yōu)化與進(jìn)步，此模型現(xiàn)已成為國(guó)際上廣泛認(rèn)可的大氣擴(kuò)散模型之一。CALPUFF模型的應(yīng)用價(jià)值03CALPUFF模型有效再現(xiàn)了復(fù)雜地形及氣象條件下的空氣傳播現(xiàn)象，為大氣質(zhì)量評(píng)估、污染排放管理、城市布局等領(lǐng)域提供了科學(xué)支撐與決策輔助。模型背景與意義4大氣擴(kuò)散基本原理污染物在大氣中傳播與擴(kuò)散的現(xiàn)象稱(chēng)為大氣擴(kuò)散，涵蓋了水平輸送、湍流擴(kuò)散、干沉降與濕沉降等多種形式。CALPUFF模型運(yùn)用大氣邊界層理論及湍流擴(kuò)散理論，以三維歐拉網(wǎng)格為基礎(chǔ)進(jìn)行數(shù)值模擬。CALPUFF模型結(jié)構(gòu)CALPUFF模型包含四個(gè)核心部分：預(yù)處理、氣象、擴(kuò)散及后處理。預(yù)處理環(huán)節(jié)處理數(shù)據(jù)準(zhǔn)備與格式調(diào)整；氣象環(huán)節(jié)供應(yīng)氣象場(chǎng)信息；擴(kuò)散環(huán)節(jié)模擬污染物擴(kuò)散；后處理環(huán)節(jié)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化及評(píng)估。模型原理與結(jié)構(gòu)5模型應(yīng)用領(lǐng)域大氣環(huán)境評(píng)價(jià)CALPUFF模型能夠?qū)ξ廴驹丛诰植俊^(qū)域以及全球大氣環(huán)境中的影響進(jìn)行評(píng)估，為環(huán)境評(píng)估與風(fēng)險(xiǎn)管理提供有力的科學(xué)支持。污染源排放控制CALPUFF模型可模擬不同排放方案下的大氣污染物濃度分布，為污染源排放控制和優(yōu)化提供決策支持。城市規(guī)劃CALPUFF模型可用于評(píng)估城市規(guī)劃方案對(duì)大氣環(huán)境的影響，為城市可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)與預(yù)警CALPUFF模型能夠整合即時(shí)氣象資料與污染排放數(shù)據(jù)，以執(zhí)行空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)與警報(bào)，助力公眾健康及環(huán)境緊急管理的決策制定。6CALPUFF模型基礎(chǔ)027數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)篩選數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)插值與填補(bǔ)氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理依據(jù)研究需求及模型需求，挑選適宜的氣象觀測(cè)地點(diǎn)及數(shù)據(jù)時(shí)間段。將原始?xì)庀髷?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CALPUFF模型可接受的輸入格式，如NetCDF或GRIB。對(duì)于缺失或異常數(shù)據(jù)，采用合適的插值方法進(jìn)行填補(bǔ)，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。原始?xì)庀髷?shù)據(jù)可通過(guò)氣象觀測(cè)站或相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)獲取，涉及風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度以及氣壓等多個(gè)方面。8排放清單編制匯總并記錄各種污染源排放的具體信息，制定詳盡的排放列表，涵蓋污染物類(lèi)型、排放數(shù)量及排放高度等細(xì)節(jié)。排放數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換將已處理過(guò)的排放資料調(diào)整為符合CALPUFF模型需求的輸入樣式。排放數(shù)據(jù)處理對(duì)排放數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，如單位轉(zhuǎn)換、時(shí)空分配等，以滿(mǎn)足模型輸入要求。污染源識(shí)別確定研究區(qū)域內(nèi)的主要污染源，如工業(yè)排放、交通排放、生物質(zhì)燃燒等。污染源數(shù)據(jù)準(zhǔn)備9受體點(diǎn)設(shè)置與計(jì)算受體點(diǎn)設(shè)置在研究區(qū)域內(nèi)合理設(shè)置受體點(diǎn)，以反映污染物濃度的空間分布和變化特征。濃度計(jì)算利用CALPUFF模型模擬計(jì)算各受體點(diǎn)的污染物濃度，考慮氣象條件、污染源排放等多種因素的影響。結(jié)果輸出與可視化以圖表和地圖等形式將模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，便于深入分析和理解。結(jié)果評(píng)估與應(yīng)用對(duì)模擬效果進(jìn)行審核與確認(rèn)，以保證其精確性與可信度。進(jìn)而，依據(jù)模擬數(shù)據(jù)，提出有效的污染治理策略及建議。10CALPUFF模型進(jìn)階0311

復(fù)雜地形處理技巧高分辨率地形數(shù)據(jù)獲取采用GIS技術(shù)采集高精度地形資料，涵蓋數(shù)字高程模型（DEM）等多種數(shù)據(jù)。地形數(shù)據(jù)預(yù)處理對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行填洼、平滑等處理，以消除數(shù)據(jù)誤差。復(fù)雜地形描述利用多重網(wǎng)格策略，對(duì)繁雜地勢(shì)進(jìn)行詳盡描繪，進(jìn)而增強(qiáng)模擬模型的精確度。12大氣化學(xué)機(jī)制詳細(xì)闡述大氣化學(xué)過(guò)程，涵蓋光化學(xué)作用及氣溶膠的形成機(jī)制。污染源排放清單建立全面的污染源排放清單，包括點(diǎn)源、面源和移動(dòng)源等。大氣化學(xué)過(guò)程模擬運(yùn)用氣象數(shù)據(jù)和排放列表，對(duì)大氣污染物在空氣中傳輸、蔓延、變化及沉積的過(guò)程進(jìn)行模擬。大氣化學(xué)過(guò)程模擬13模型參數(shù)調(diào)整通過(guò)調(diào)整模型參數(shù)，如時(shí)間步長(zhǎng)、空間分辨率等，優(yōu)化模型性能。并行計(jì)算技術(shù)采用并行計(jì)算技術(shù)，提高模型計(jì)算效率。模型驗(yàn)證與評(píng)估利用觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估，不斷改進(jìn)模型性能。模型性能優(yōu)化方法14CALPUFF模型案例分析0415案例背景數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模型設(shè)置模擬結(jié)果城市空氣污染模擬案例01020304挑選幾個(gè)典型的超大型都市，例如北京和洛杉磯，探討其城市內(nèi)部的空氣質(zhì)量污染狀況。搜集城市氣候、地貌、排放源頭等資料，為模型輸入信息。根據(jù)城市特點(diǎn)調(diào)整模型參數(shù)，如建筑物高度、街道寬度等，以更準(zhǔn)確地模擬城市環(huán)境。輸出城市內(nèi)部的污染物濃度分布、超標(biāo)天數(shù)、健康影響等指標(biāo)。16案例背景數(shù)據(jù)準(zhǔn)備模型設(shè)置模擬結(jié)果區(qū)域傳輸模擬案例選取橫跨多個(gè)行政轄區(qū)的區(qū)域，例如長(zhǎng)三角和珠三角，探討污染物的跨區(qū)域傳輸現(xiàn)象。對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以充分反映不同區(qū)域間的相互作用，包括風(fēng)向、風(fēng)速和地形等因素。收集整個(gè)區(qū)域的氣象、地形、排放源等數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。輸出污染物的傳輸路徑、濃度變化、影響范圍等信息。17選擇自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景名勝區(qū)等敏感區(qū)域，評(píng)估周邊污染源對(duì)其的影響。案例背景收集敏感區(qū)的地形、氣象、生態(tài)等數(shù)據(jù)，以及周邊排放源的信息。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備根據(jù)敏感區(qū)的特點(diǎn)調(diào)整模型參數(shù)，如地形復(fù)雜度、氣象條件等。模型設(shè)置輸出敏感區(qū)內(nèi)的污染物濃度分布、生態(tài)影響、健康風(fēng)險(xiǎn)等信息。模擬結(jié)果敏感區(qū)影響評(píng)估案例18CALPUFF模型與其他模型比較0519原理差異CALPUFF模型是基于拉格朗日方法的擴(kuò)散模型，而AERMOD模型是基于高斯擴(kuò)散理論的穩(wěn)態(tài)模型。適用范圍在復(fù)雜地形與長(zhǎng)途傳輸方面，CALPUFF模型顯示其優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于此，AERMOD模型在簡(jiǎn)單地形和近距離傳輸中的應(yīng)用更為廣泛。計(jì)算效率AERMOD模型在計(jì)算速度上通常優(yōu)于CALPUFF模型，然而，當(dāng)涉及復(fù)雜地形及遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪M時(shí)，CALPUFF模型展現(xiàn)出更高的精確度。與AERMOD模型比較20123三維歐拉空氣質(zhì)量模擬器CAMx與拉格朗日粒子擴(kuò)散模擬器CALPUFF有所不同。原理差異CAMx模型適用于城市和區(qū)域尺度的空氣質(zhì)量模擬，而CALPUFF模型更適用于長(zhǎng)距離和全球尺度的模擬。適用范圍CAMx模型運(yùn)行需依賴(lài)詳盡的排放源數(shù)據(jù)、氣象信息以及化學(xué)反應(yīng)模型，相比之下，CALPUFF模型對(duì)數(shù)據(jù)的要求則較為寬松。數(shù)據(jù)需求與CAMx模型比較21與WRF-Chem模型比較WRF-Chem作為一種氣象化學(xué)在線聯(lián)合模型，而CALPUFF則是一個(gè)單獨(dú)運(yùn)作的空氣質(zhì)量模擬系統(tǒng)。適用范圍WRF-Chem模型適用于城市和區(qū)域尺度的空氣質(zhì)量模擬，并能考慮氣象和化學(xué)的雙向反饋?zhàn)饔茫鳦ALPUFF模型更適用于長(zhǎng)距離和全球尺度的模擬。計(jì)算資源WRF-Chem模型對(duì)計(jì)算資源要求較高，需運(yùn)用高效能計(jì)算機(jī)及充裕的存儲(chǔ)空間，相比之下，CALPUFF模型的資源需求則較不苛刻。原理差異22CALPUFF模型實(shí)踐應(yīng)用與挑戰(zhàn)0623城市規(guī)劃在城市規(guī)劃階段，通過(guò)應(yīng)用CALPUFF模型，可以有效地對(duì)各種規(guī)劃選項(xiàng)對(duì)空氣質(zhì)量可能產(chǎn)生的作用進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)城市空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。工業(yè)污染源管理CALPUFF模型有助于企業(yè)預(yù)判工業(yè)污染源對(duì)周?chē)h(huán)境的潛在影響，并據(jù)此制定相應(yīng)的污染治理策略?？諝赓|(zhì)量模擬CALPUFF模型廣泛應(yīng)用于空氣質(zhì)量模擬，可預(yù)測(cè)不同污染源對(duì)空氣質(zhì)量的影響，為政策制定提供科學(xué)依據(jù)。實(shí)踐應(yīng)用舉例24數(shù)據(jù)獲取與處理模型運(yùn)行對(duì)CALPUFF而言，需依托于龐雜的輸入信息，諸如氣象狀況、地理地貌以及污染排放源等，這些數(shù)據(jù)的搜集與加工構(gòu)成了模型應(yīng)用的關(guān)鍵難題。應(yīng)對(duì)策略涵蓋構(gòu)建全面的數(shù)據(jù)交流體系、增強(qiáng)數(shù)據(jù)處理效能等方面。模型驗(yàn)證與校準(zhǔn)模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證對(duì)于確保模擬結(jié)果精確至關(guān)重要，然而，這同樣是一項(xiàng)充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的工作。我們可以通過(guò)將模型與其它模型或觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)比、實(shí)施敏感性分析等多種途徑來(lái)對(duì)模型進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證。計(jì)算資源需求CALPUFF模型計(jì)算量大，對(duì)計(jì)算資源要求較高?？梢酝ㄟ^(guò)采用高性能計(jì)算技術(shù)、并行計(jì)算等方法提高計(jì)算效率，降低計(jì)算資源需求。面臨挑戰(zhàn)及解決方案25未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)目前CALPUFF模型主要針對(duì)單一污染物進(jìn)行模擬，未來(lái)可能會(huì)發(fā)展為多污