预报系统介绍
预报系统简介
随着工业化、城市化进程的高速发展，我国大气污染形势日趋严峻，区域性大气污染事件发生频率之高，影响范围之大，污染程度之重，在世界范围内都是少见的。这严重威胁到人民群众的身体健康和生态安全，并对极端气象及气候事件产生了重大的影响。如何准确地预报区域大气污染，进而制定行之有效的减排及工业选址方案，已成为社会各界高度关注和亟待解决的重大环境问题。中国科学技术大学大气环境数值模拟实验室以WRF-Chem为基础，构建了中国区域和城市空气质量预报系统。系统中所使用的USTC版本的WRF-Chem是在公开版本基础上的改良，改善了对大气污染物时空分布及其对天气过程的反馈作用的模拟。同时预报系统使用逆向模拟反演方法结合卫星观测数据来优化了区域大气污染物的排放，及使用数据同化的方法来优化污染物初始场进而提高大气污染预报的准确性。下面是模式系统和预报方法的简要介绍。
1. 预报模式
WRF-CHEM模式(Grell, et al., 2005)是由美国NOAA 预报系统实验室（FSL）开发的，气象模式（WRF）和化学模式（CHEM）在线完全耦合的新一代的区域空气质量模式。图5给出了WRF-CHEM的流程框架图。
WRF-CHEM包含了一种全新的大气化学模式理念。就是基于一种气象过程和化学过程同时发生相互耦合的全新的大气化学模式理念而设计的，也就是它的气象模式和化学模式完全耦合，同时运行，它的化学和气象过程使用相同的水平和垂直坐标系，相同的物理参数化方案，不存在时间上的插值，并且能够考虑化学对气象过程的反馈作用气象因子变化能及时的影响化学过程，化学过程也能立刻对气象过程进行反馈，图1.2给出了WRF/Chem模式中化学过程对气象过程反馈的机制。有别于这之前的大气化学模式，如SAQM模式、CALGRID模式、MODEL3/CAMQ模式等，它们的气象过程和化学过程是分开的，一般先运行中尺度气象模式，得到一定时间间隔的气象场，然后提供给化学模式使用。这样分开处理以后，存在一些问题：首先，由于通常气象模式和化学模式使用的坐标系不同，利用这样的气象场驱动化学过程就需要时间和空间上的插值；其次，它丢失了一些小于气象模式输出间隔的气象过程，如一次短时间的降水等，而这些过程对化学过程来说可能是很重要的；再次，气象模式和化学模式使用的物理参数化方案可能是不一样的；最后，它不能考虑化学过程对气象过程的反馈作用。事实上，在实际大气中化学和气象过程是同时发生的，并且能够互相影响，如气溶胶能影响地气系统辐射平衡，气溶胶作为云凝结核，能影响降水，而气温、云和降水对化学过程也有非常强烈的影响。因此，WRF-CHEM能够模拟再现一种更加真实的大气环境。
WRF ( Weather Research Forecast , Skamarock et al., 2008) 模式系统是美国国家大气研究中心(NCAR)、美国国家大气海洋总署-预报系统实验室、国家环境预报中心(FSL，NCEP/NOAA)等联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统。WRF模式是一个可用来进行1至10公里内高分辨率模拟的数值模式，同时，也是一个可以做各种不同广泛应用的数值模式，例如：业务单位正规预报、区域气候模拟、空气质量模拟，理想个例模拟实验等。故此模式发展的主要目的是改进现有的中尺度数值模式，例如：MM5(NCAR)、ETA(NCEP/NOAA)、RUC(FSL/NOAA)等，希望可以将学术研究以及业务单位所使用的数值模式整合成单一系统。这个模式采用高度模块化、并行化和分层设计技术,集成了迄今为止在中尺度方面的研究成果。模拟和实时预报试验表明，WRF模式系统在预报各种天气中都具有较好的性能，具有广阔的应用前景。
WRF模式采用高度模块化和分层设计，分为驱动层、中间层和模式层，用户只需与模式层打交道;在模式层中，动力框架和物理过程都是可插拔，为用户采用各种不同的选择、比较模式性能和进行集合预报提供了极大的便利。它的软件设计和开发充分考虑适应可见的并行平台在大规模并行计算环境中的有效性,可在分布式内存和共享内存两种计算机上实现加工的并行运算，模式的耦合架构容易整合进入新地球系统模式框架中。WRF 模式重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报，水平分辨率重点考虑1～10km。因此，模式包含高分辨率非静力应用的优先级设计、大量的物理选择、与模式本身相协调的先进的资料同化系统。
2. 预报时段
3. 预报区域结构
4. 预报初始同化及污染排放优化
5. 预报结果