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Github-DOCS/Users_Guide/CMAQ_UG_ch13_WRF-CMAQ.md

13.1 简介：WRF-CMAQ模型的动机与设计

传统处理方式的问题
在通常的空气质量模型（如CMAQ）中：

• 先运行气象模型（如WRF），生成气象数据。
• 然后使用预处理工具（如MCIP）将这些数据转化成CMAQ可以使用的格式。

这种过程叫做单向耦合（one-way coupling），但有两个明显缺点：

1. 信息丢失：气象数据在转换过程中被插值处理，无法完全保留大气动力学的细节。
2. 忽略反馈效应：大气污染物（如气溶胶）会影响太阳辐射，从而改变温度、边界层高度等气象变量，但单向耦合无法模拟这些反馈。

WRF-CMAQ 双向耦合模型
为了解决上述问题，开发了WRF-CMAQ 二向耦合系统（Wong et al., 2012）：

• 将 CMAQ 嵌入到 WRF 中，作为一个子程序（subroutine）运行。
• 保持代码统一（single source code），可以选择是否启用耦合功能，而无需维护两个版本的代码。
• 系统设计灵活，用户可以设定 WRF 和 CMAQ 的调用频率，以在计算效率和模拟精度之间取得平衡。
• 支持开启反馈（feedback）机制，研究污染物如何影响辐射和大气动力过程。

13.2 气溶胶的直接辐射反馈作用

什么是气溶胶直接辐射效应？

• 气溶胶（如硫酸盐、黑碳、海盐等）可以吸收和散射太阳辐射。
• 这会减少到达地表的阳光（称为短波辐射），影响地表能量收支，进而改变：
  • 气温
  • 行星边界层高度（PBLH）
  • 大气稳定度（影响污染扩散）

这种影响称为短波气溶胶直接辐射效应（shortwave aerosol direct effect, ADE）。

技术实现：WRF中的RRTMG辐射方案

• RRTMG（Rapid Radiative Transfer Model for GCMs）是WRF中支持ADE的唯一辐射方案。
• CMAQ会将模拟得到的7种气溶胶参数传给WRF，包括：
  • 可溶性质量、不溶性质量、元素碳、海盐、水分、几何平均直径、标准差
• 这些参数涵盖了3种粒径模式：
  • Aitken模态（细小粒子）
  • 积聚模态（中等粒子）
  • 粗模态（大粒子）

气溶胶光学计算方法

• 使用core-shell光学模型（黑碳为核心，其他物质为包壳）
• 基于气溶胶光学性质（消光系数、单次散射反照率、非对称因子）来计算每个波段的辐射传输（共14个波段）
• 理论基础源自Bohren & Huffman (1983)

13.3 应用与评估：模型验证与长期趋势模拟

现场观测对比

• 使用了CARES实验中实际观测到的气溶胶光学性质来验证WRF-CMAQ的模拟结果（Gan et al., 2015a）。

历史趋势再现能力

• 对比1990-2010年间的观测数据，验证模型再现趋势的能力：
  • 气溶胶光学厚度（AOD）下降
  • 顶层短波辐射（TOA SWR）反射减少
  • 地表短波辐射（surface SWR）增强

这些趋势在美国东部、欧洲和北大西洋地区均有体现，符合观测数据。

与卫星数据一致性

• 与 NASA 的 CERES 卫星数据对比（2000-2010）：
  • 美国东部：TOA清空短波辐射减少
  • 中国东部：TOA清空短波辐射增加
• 模拟结果与卫星观测趋势一致，说明ADE机制的引入提高了模型的准确性。

健康与空气质量影响

• 气溶胶冷却导致大气稳定性增加，可能会：
  • 降低污染物扩散能力
  • 加剧地区污染（尤其是PM2.5）
  • 对公众健康造成威胁

全球长期模拟的结果

• 使用WRF-CMAQ进行的1990-2010年全球模拟显示：
  • 在污染最严重的地区，ADE效应提高了地面PM2.5浓度
  • 揭示了污染物对天气-空气质量双向影响的复杂性

13.4 最新版 WRF-CMAQ 信息

兼容性与功能更新

• WRF-CMAQ v5.5是目前的最新发布版本。
• 与WRF v4.4 到 v4.5.1版本兼容。
• 在 EPA 的测试中，WRF-CMAQ v5.5 已与以下化学机制兼容运行：
  • CB6r5（Carbon Bond version 6 revision 5）
  • CRACMMv1（Community Regional Atmospheric Chemistry Multiscale Mechanism 第1版）
• 干沉降处理使用的是M3DRY模式（另一种替代方式是 STAGE，但不在官方支持范围内）。

⚠️ 虽然可以尝试使用其他化学机制或干沉降选项，但EPA对于这些“非标准配置”的问题支持有限。

v5.3 版本的耦合错误说明

• 在 CMAQ v5.3 系列（包括 v5.3.0 ~ v5.3.3）中，存在一个耦合反馈传输的循环错误（looping bug）。
• 问题出在twoway_feedback.F90模块中：
  • 该模块负责将 CMAQ 计算得到的气溶胶光学属性传送给 WRF 的辐射模块。
  • 错误导致某些情形下 WRF 未正确接收到全层的反馈信息。
• 影响场景：
  • 启用了短波气溶胶直接辐射反馈（ADE）的耦合模拟。
• 已在CMAQ v5.4 及以后版本中修复。
• 建议所有用户升级至 v5.4 或更高版本，以确保反馈机制的正确性。

13.5 WRF-CMAQ 基准测试案例

为了帮助用户验证安装与配置是否正确，官方提供了一个2天的标准基准测试用例（benchmark case）：

• 教程与运行步骤详见 WRF-CMAQ Benchmark Tutorial。
• 输入文件打包在：base_model_benchmark_inputs.tar文件中。
• 示例输出文件打包在：base_model_benchmark_outputs.tar中。
• 该用例有助于：
  • 验证模型是否正确编译与运行
  • 熟悉运行脚本和输出格式
  • 对比输出结果与标准结果判断模拟是否合理

13.6 WRF-CMAQ 配置参数（namelist）详解

配置位置

• 所有运行时参数位于WRF 的 namelist 文件中的&wrf_cmaq区段。
• 在运行脚本中这些参数通常会作为变量预先设置，然后自动写入 namelist。

核心参数解释

参考