【WRF-CMAQ第一期】模型概述
目录
- WRF-CMAQ 模型概述
- 模型耦合机制
- 模型评估与应用
- 模型版本与发展历史
- WRF-CMAQ Model Tutorial
- 气溶胶直接辐射反馈效应（Aerosol Direct Radiative Feedback Effects）
- 应用与评估（Application and Evaluation）
- 最新版本（WRF-CMAQ Release）
- Benchmark 测试案例（Benchmark Test Case）
- WRF Namelist 设置（WRF-CMAQ 控制参数）
- WRF-CMAQ vs. WRF-Chem
- 参考
WRF-CMAQ 模型是由美国环境保护署（EPA）开发的一种气象与空气质量耦合模型系统，用于研究大气化学与气象之间的相互作用，尤其适用于评估气溶胶（aerosols）对辐射、温度和空气质量的影响。
背景
传统的空气质量模型（如 CMAQ）通常采用回顾模式（retrospective mode）运行，使用独立生成的气象数据作为输入。这种方式称为单向耦合（one-way coupling），使用预处理工具（如 MCIP）将气象模型数据转换为 CMAQ 可用格式。
但这种方法存在两大局限：
- 无法反映污染物对气象的反馈作用（如气溶胶对辐射的影响）；
- 模拟精度受限，因为大气动力学数据是提前计算并插值的。
解决方案：WRF-CMAQ 耦合系统
为解决上述问题，EPA 开发了双向耦合模型 WRF-CMAQ（Wong et al., 2012），实现了：
- WRF 和 CMAQ 同步运行；
- CMAQ 被嵌入为 WRF 的子程序，无需修改代码即可作为独立或耦合模式运行；
- 提供灵活的参数设置，如：
- 调整 WRF 与 CMAQ 的交换频率；
- 启用气溶胶-辐射反馈机制。
WRF-CMAQ Model
WRF-CMAQ 模型概述
WRF-CMAQ 模型全称为 Weather Research and Forecasting – Community Multiscale Air Quality 模型，是将 WRF 气象模型 与 CMAQ 空气质量模型 有机集成的耦合系统。它支持两种运行方式：
- 独立运行（Standalone）：使用预先生成的气象数据驱动空气质量模型。
- 耦合运行（Coupled）：气象模型与空气质量模型同步运行，空气中的化学成分（如气溶胶）能够反向影响天气系统。
耦合模式尤其适合研究诸如气溶胶与辐射之间的相互作用、云形成、温度变化等现象。
模型耦合机制
在耦合系统中，WRF 与 CMAQ 模型双向传递信息，例如：
- CMAQ 提供的 气溶胶浓度 被传递给 WRF 中的辐射模块；
- WRF 的气象信息则反向提供给 CMAQ，以更新空气质量预测。
这种双向反馈机制使得模拟结果更接近真实大气现象。
气溶胶直接辐射效应（Aerosol Direct Radiative Effects）
气溶胶通过吸收和散射太阳辐射，影响地表接收的能量，从而改变气温和大气稳定性。这种效应通过以下方式被实现：
- 模型中采用 RRTMG（短波辐射传输模型）；
- 使用 CMAQ 模拟的气溶胶成分和粒径计算光学参数，如：
- 消光系数（extinction）
- 单次散射反照率（single scattering albedo）
- 不对称因子（asymmetry factor）
这些参数用于模拟 14 个波段的辐射传输过程，采用了 core-shell 模型（例如将黑碳作为核心，其他气溶胶物质包裹其外）。
模型评估与应用
模型的有效性通过多个实地和历史数据对比得以验证：
- 使用 CARES 实验数据 对气溶胶光学计算进行评估；
- 长期模拟结果与 1990–2010 年间的卫星和地面观测数据比较；
- 能较好再现北半球气溶胶光学厚度（AOD）下降趋势及辐射变化；
- 与 NASA CERES 卫星数据对比，验证模型在美国东部和中国东部的不同辐射趋势。
此外，模拟结果显示，当气溶胶浓度较高时，会导致城市污染物更易积聚，形成正反馈机制，进一步恶化空气质量。
模型版本与发展历史
- 第一版 WRF-CMAQ 发布于 2012 年，当时使用 WRFv3.3 和 CMAQv5.0；
- 从 WRF v4.4 与 CMAQ v5.3.3 起，用户可以自由组合使用任何新版本；
- 最详细的版本信息与源码获取方式可访问 Access CMAQ Source Code 页面。
WRF-CMAQ Model Tutorial
GitHub-CMAQ/DOCS/Users_Guide
/CMAQ_UG_ch13_WRF-CMAQ.md
气溶胶直接辐射反馈效应（Aerosol Direct Radiative Feedback Effects）
什么是气溶胶直接辐射效应？
气溶胶通过散射和吸收太阳辐射，影响到：
- 地表太阳辐射强度
- 温度分布
- 行星边界层高度（PBLH）
该过程称为短波气溶胶直接辐射效应（shortwave aerosol direct effect）。
技术实现
- 使用 RRTMG（短波辐射传输模型） 实现；
- CMAQ 向 WRF 传输 7 个气溶胶参数，涵盖 3 个粒径模式（Aitken、accumulation、coarse）；
- 采用 core-shell 模型：以黑碳为核心，其他物质为包壳；
- 基于 Bohren and Huffman (1983) 的光学计算方法；
- WRF 中仅 RRTMG 辐射方案支持此反馈机制。
应用与评估（Application and Evaluation）
验证研究
WRF-CMAQ 的气溶胶光学计算能力通过以下方式验证：
- 与 CARES 实地观测数据对比（Gan et al., 2015a）；
- 与 1990–2010 年间的历史观测趋势比对，包括：
- 气溶胶光学厚度（AOD）；
- 顶层短波辐射（TOA SWR）；
- 地面短波辐射（surface SWR）；
- 与 NASA CERES 卫星数据比对，能更好地再现美国东部和中国东部的辐射趋势差异。
主要发现
- 模型成功模拟了 AOD 下降趋势；
- 显示出在污染严重地区，PM2.5 浓度因气溶胶导致的辐射冷却效应而上升；
- 气溶胶冷却效应还可能增强大气稳定性，加剧污染积聚，影响人类健康（Xing et al., 2016）。
最新版本（WRF-CMAQ Release）
当前版本：WRF-CMAQv5.5
- 支持 WRF v4.4 至 v4.5.1
- 测试支持的化学机制：
- CB6r5
- CRACMMv1
- 使用的干沉降模块：M3DRY
📚 完整的构建与运行说明详见 WRF-CMAQ 教程。
v5.3 系列的已知 bug
- 在
twoway_feedback.F90中存在循环错误，导致 CMAQ 向 WRF 传递气溶胶反馈时部分层数据丢失； - 影响版本：v5.3 ~ v5.3.3
- 在 v5.4 起已修复，建议尽快升级。
Benchmark 测试案例（Benchmark Test Case）
提供了 WRF-CMAQ 两日基准测试案例：
- 包含输入数据包（
.tar文件）； - 包含示例运行脚本和期望输出；
- 可用于验证系统是否正确安装并可运行。
WRF Namelist 设置（WRF-CMAQ 控制参数）
所有 WRF-CMAQ 控制参数集中在 namelist 文件的 &wrf_cmaq 区块中，主要参数说明如下：
| 参数名称 | 示例值 | 说明 |
|---|---|---|
wrf_cmaq_option | 2 | 指定运行模式： 0 = 仅运行 WRF 1 = 仅运行 WRF 并生成 MCIP 格式数据 2 = WRF-CMAQ 耦合运行（不生成 MCIP） 3 = 耦合运行并生成 MCIP |
wrf_cmaq_freq | 5 | 每 5 个 WRF 步长运行 1 次 CMAQ |
met_file_tstep | 10000 | 中间 MET 文件的时间步长（HHMMSS） |
direct_sw_feedback | .true. | 是否启用短波辐射反馈机制 |
feedback_restart | .false. | 是否将反馈信息写入 WRF 重启文件 |
WRF-CMAQ vs. WRF-Chem
WRF-CMAQ 和 WRF-Chem 是目前大气科学领域中最重要的两个气象-化学耦合模型系统，两者都能模拟大气化学、气溶胶与气象之间的相互作用。
| 比较维度 | WRF-CMAQ | WRF-Chem |
|---|---|---|
| 耦合方式 | 松耦合（最早）到双向耦合（现在） | 紧耦合（内嵌式） |
| 架构设计 | 模块化设计，CMAQ 与 WRF 独立构建，通过接口联动 | 集成式设计，所有物理和化学过程都在 WRF 框架中运行 |
| 化学核心 | CMAQ：模块化、可定制性强、EPA支持 | Chem 模块内嵌在 WRF：化学机制较多，适配方便 |
| 物理过程 | 使用 WRF 的物理过程 | 使用 WRF 的物理过程 |
| 反馈机制 | 支持气溶胶-辐射、气溶胶-云反馈（如 RRTMG） | 更广泛支持，包括气溶胶-辐射、气溶胶-云-降水等多种反馈 |
| 稳定性 | 高，广泛用于政策分析与长期模拟 | 灵活，但对用户经验要求高 |
| 开发机构 | 美国环保署（EPA） | 美国国家大气研究中心（NCAR）为主 |
| 应用场景 | 政策评估、空气质量管理、长期趋势研究 | 天气化学联动模拟、研究事件驱动的污染传播 |
| 学习门槛 | 较高，需要掌握 WRF 和 CMAQ | 较高，需要理解 WRF 和化学机制整合 |
一、模型耦合机制的核心差异
WRF-CMAQ：模块化双向耦合
- 原本为 “松耦合”架构：WRF ➡ MCIP ➡ CMAQ
- 当前版本（如 WRF-CMAQv5.5）为双向耦合：CMAQ 嵌入 WRF 中作为子程序运行
- CMAQ 模块在交换数据时具有较强独立性，便于版本管理和维护
WRF-Chem：紧耦合一体化系统
- 化学机制直接内嵌在 WRF 动力核心之中
- 所有物理过程与化学过程在同一时间步长、网格、模块中处理
- 更适合研究快速演化的天气-污染耦合事件
二、化学机制支持差异
| 内容 | WRF-CMAQ | WRF-Chem |
|---|---|---|
| 化学机制 | 支持 CB6r5、CRACMM、RADM2、SAPRC 等 | 支持 MOZART、RACM、CBMZ、SAPRC 等 |
| 气溶胶模块 | AERO6、AERO7、ISORROPIA | MOSAIC、MADE/SORGAM、ISORROPIA 等 |
| 干湿沉降 | M3DRY、WETDEP | 默认 WRF 方案或统一处理模块 |
三、反馈机制的支持情况
| 类型 | WRF-CMAQ | WRF-Chem |
|---|---|---|
| 气溶胶-辐射反馈 | ✅（通过 RRTMG 实现） | ✅（支持多种辐射方案） |
| 气溶胶-云反馈 | ⚠️（部分研究扩展） | ✅（较为成熟） |
| 化学-微物理反馈 | ❌（较少整合） | ✅（如与 WSM5/Thompson 联动） |
四、适用场景对比
| 应用类型 | 推荐模型 |
|---|---|
| 政策评估、SIP建模（如美国 Clean Air Act 下的空气质量管控） | ✅ WRF-CMAQ（EPA 官方支持） |
| 空气质量长期趋势研究（1990–2020） | ✅ WRF-CMAQ |
| 突发污染事件模拟（如沙尘暴传播、火灾烟雾） | ✅ WRF-Chem（实时反馈响应） |
| 大气气溶胶与气候交互研究 | ✅ WRF-Chem（复杂反馈机制） |
| 城市尺度污染与微气象耦合研究 | 两者皆可，WRF-Chem 精细反馈更优 |
五、构建与运行对比
| 项目 | WRF-CMAQ | WRF-Chem |
|---|---|---|
| 编译复杂度 | 中等，需分别编译 WRF 与 CMAQ | 高，需要定制编译选项 |
| 输入数据 | WRF气象、MCIP转化、排放准备等 | WRF+排放数据，可使用 WRF 自身处理流程 |
| 输出结构 | CMAQ 风格输出（NetCDF） | WRF 风格输出（NetCDF） |
| 并行效率 | 高（分离式任务调度） | 高（但受限于 WRF 整体调度） |
六、总结对比图
| 特性 | WRF-CMAQ | WRF-Chem |
|---|---|---|
| 开发机构 | EPA 主导 | NCAR 主导 |
| 耦合方式 | 模块式双向耦合 | 紧耦合一体化 |
| 代码维护 | CMAQ 单独维护，WRF 更新需同步接口 | WRF 内部集成，更新统一 |
| 化学机制扩展性 | 高，可插拔机制 | 中，需嵌入式调试 |
| 学习曲线 | 中高 | 高 |
| 社区支持 | EPA + CMAS | NCAR + WRF-Chem 用户组 |
| 建模典型用途 | 政策模拟、长期评估 | 瞬时模拟、天气-污染交互研究 |