第二章 WRF-Chem模式介绍
WRF-Chem模式是由美国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2.1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。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。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，利用这样的气象资料驱动化学过程的时候就存在时间和空间上的插值，而且丢失了一些小于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；其次，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；再次，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。
最初版本的WRF-chem在2002年推出，目前的版本为V3.1（2009年4月16日），本文所采用的是WRF-chem V3.0。
图2.1 WRF-Chem流程图（来自WRF-Chem V3 用户手册）
WRF ( Weather Research Forecast , Skamarock et al., 2008) 模式系统是美国气象界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。
化学模式包括了污染物的传输和扩散、干湿沉降、气相化学反应、源排放、光分解、气溶胶动力学和气溶胶化学（包括无机和有机气溶胶）等，并且每一个过程也都是高度模块化的，有利于模式的扩展和维护，也有利于用户选择最合适自己的方案。以下对各部分的处理作一个简单介绍。 2.1 输送
WRF-chem使用的是质量坐标框架，平流输送的处理保持质量和标量的守恒的，空间上采用5阶或6阶差分，时间上采用3阶Runge-Kutta 分裂显式差分。湍流输送使用2.5阶的Mellor-Yamada 闭合方案。 2.2 干沉降
WRF-chem中各种痕量气体和气溶胶的干沉降通量的计算使用三层阻力（空气动力学阻抗、次表层阻抗和表面阻抗）模型。表面阻抗的参数化使用了Wesely（1989）提出的方案。在这种参数化方案中，表面阻抗主要来自土壤和植被表面，植被特性由使用的下垫面类型资料和季节决定，表面阻抗也依赖于扩散系数、活性气体的可溶性和化学活性。
硫酸盐的干沉降使用了不同的方案。模式中假定硫酸盐都以气溶胶态的形式存在，干沉降使用了Erisman等（1994）提出的方案。
k阶距多粒径分布气溶胶的干沉降速度vdk可以表示为：
vdk?(ra?rdk?rardkvGk)?1?vGk （2.1）
（2.1）式中ra为表面阻抗，vGk为重力沉降速度，rdk为布朗扩散率。
2.3 自然源排放