区域大气环境影响评价系统CALPUFFSYSTEM

1.导则
根据《环境影响评价导则 大气环境》（HJ2.2-2018）导出结果，实现导则要求的各点最大值、保证率计算、逐日叠加等输出要求。

2.风场
软件内置的诊断风场模型CALMET，可以模拟山谷风、海陆风等区域三维气象场，可以考虑岸边熏烟、长期静小风等特殊风场。

3.化学机制
模型支持PM2.5化学转化机制，MESPUFFII、RIVAD/ARM3和二次有机气溶胶SOA。

4.地理数据
软件根据用户设置的经纬度自动导入网格的地形数据、MODIS土地利用数据和海岸线数据，并可以手动设置网格的土地利用数据。

5.方案叠加
软件可以设置多方案、支持削减源输入。具备方案四则运算功能，可以实现削减源计算、PM2.5叠加计算。

6.并行计算
软件重新优化编译了CALMET、CALPUFF等模型，大幅度提升了计算速度，并行版构建了CALPUFF并行程序，可以实现多核并行计算，最高可提升速度20倍。

1    软件模块构成

1.1  网格和离散点模块

CALPUFF是一个真正意义上的网格模型，可以将地形数据、土地利用数据、气象场数据、浓度和沉降数据网格化，即每个网格可以拥有以上的数据值，这决定了CALPUFF模型的网格是整个模型运行的基础。

软件网格模块支持用户通过经纬度或者投影坐标的方式定义网格起点，并支持经纬度与UTM/兰伯特投影系统相互转化。软件提供了离散点矩阵功能，可用此加密网格点。

1.2  背景图模块

软件支持位图导入，提供两点坐标法和两点距离法为位图建立坐标系。提供天地图、Google地图下载工具，可以直接下载天地图、Google在线地图到软件中。支持GIS图层和CAD图形导入到软件，导入的GIS/CAD图形的点线面可以转化为软件中的模型对象。

地面气象数据支持以下四种格式：

1.3  地理数据管理模块

CALPUFF所需求的三大类地理数据，软件均提供了数据管理工具，软件销售时配套提供了数据光盘，用户地形数据、土地利用数据和海岸线数据按规则放置到对应目录下，在使用时即可通过简单设定的方式来获取数据。

地形数据：CALPUFF所需的网格点海拔高度，从地形数据中提取。软件提供的是SRTM3 90m分辨率地形数据。

土地利用数据：CALPUFF程序从土地利用数据中提取所需的地表粗糙度、反照率、波恩比、土壤热通量参数、植被叶面积指数等信息。CALPUFF原始土地利用数据为GLCC数据集，其分辨率约为1Km，数据较为陈旧与现状符合性较差。软件另有提供MODIS卫星数据，分辨率约为500m，可随时间更新而更新，现提供的数据为2013年制作的。

海岸线数据：在海洋或者大湖周围地形数据会有噪声产生,海岸线数据用来计算陆海边界，解决粗分辨率海陆边界的无效和噪声数据。

1.4  气象数据模块

CALMET需求的地面气象要素，为逐时的气象数据，包含的气象要素为风速、风向、气温、云量、云层高度、测站气压、相对湿度以及降水类型码（可选，应用于湿沉降模式）。

CALMET需求的探空气象要素，为每日两次的气象数据（GMT00时和GMT12时），包含的气象要素为风速、风向、气温、露点温度、气压和高程。

地面和探空气象数据处理工具管理多个站的气象数据，可以导入多种格式的小时气象观测数据。支持地面气象数据与EXCEL表进行交互。支持统计分析地面气象数据的风向、风速、温度并可以绘制对应曲线图和风玫瑰图。

• AERMET标准地面气象数据文件（OQA）
• 国内地面标准气象数据A文件
• 国外地面标准气象数据CD-144格式
• 国外地面标准气象数据HUSWO数据格式

探空气象数据支持以下四种格式：

• AERMET标准探空气象数据文件（OQA）
• 环境评估中心探空数据格式
• 国外探空数据格式TD6201
• 国外探空数据格式FSL

1.5  复杂风场模块

CALMET风场模块为一个包含空间变化因子的气象场、静风、熏烟、环流和地形、海岸效应的三维网格边界层气象学模型。可以模拟山谷风、海陆风、城市热岛环流等局地环流的风场。软件为CALMET模块提供了大量的默认参数，用户仅需修改少量的参数就可以运行风场模型。

1.6  烟团模块

CALPUFF烟团模型为非定常三维拉格朗日烟团输送模式。支持处理长距离传输影响、污染物去除（干沉降和湿沉降）、化学转换等复杂传输过程，可用于大范围和复杂场景下的污染物扩散模拟。

软件将化学模式与污染物相连接，实现了污染物自动选择。

• MESOPUFF II方案
  • 硫氧化物转变为硫酸盐氮氧化物转变为硝酸盐
• RIVAD/ARM3方案
  • NO与NO₂相互转换过程
  • NO₂向NO₃转换过程
  • SO₂向SO₄转换过程
  • 气态HNO₃与硝酸铵气溶胶之间的平衡
• 二次有机气溶胶SOA方案
  • 天然源VOC和人为源VOC

污染物子模块中为污染物提供了环境质量区标准限值，并可以实现预测区域内多个环境功能区分区域给点标准限值。为污染物提供了默认的干湿沉降参数，省却了用户自己设定的麻烦。

1.7  背景值叠加

《环境影响评价技术导则 大气环境》评价方法中规定在环境影响叠加时，需要逐时、逐日叠加背景监测值或者叠加达标规划中达标年的目标浓度。

软件支持输入固定背景值来作为达标规划中达标年的目标浓度，支持输入逐日、逐时背景值作为环境质量现状浓度。

1.8  CALMET气象结果分析模块

软件可以给出逐时、逐日、月平均、季节平均和年平均的温度、地面摩擦速度、混合层高度、对流速度尺度、降雨量、近地面温度、相对湿度、风场、风速和风速分量的的网格点数据，结果采用XYZ的形式给出，也可以采用等值线、网格填色图来表现。

1.9  污染物分析评价模块

《环境影响评价技术导则 大气环境》要求的预测场景比较复杂，软件彻底抛弃了CALPUFF自带的后处理程序CALPOST，重新根据新导则编写了后处理程序，软件用预测情景和后处理方案相结合的形式来满足导则的要求，在预测情景中设定基础的预测方案，在后处理方案中对预测情景进行叠加计算。

• CALPUFFSYSTEM中输出方案设置中，提供用户多种选择，包括污染源、计算点、预测网格和浓度平均时间，完全可以满足导则要求。
• CALPUFFSYSTEM新增方案叠加运算，可以根据SO₄、NO₃、PM₅方案计算总PM_2.5的计算结果。
• CALPUFFSYSTEM新增削减方案设定，在后处理中，削减方案和新建方案可以叠加计算，并与背景监测值逐时/逐日叠加，得到最终分析结果。

• 各点更大值：列出了各离散点更大值和网格点更大值的短期浓度和长期浓度及浓度占标率。满足《环境影响评价技术导则 大气环境》更大浓度占标率评价要求。
• 保证率计算：给出各污染物在叠加背景值后，敏感点和网格点主要污染物保证率日平均质量浓度及浓度占标率和年平均浓度达标情况，满足叠加环境质量现状浓度下的要求。
• 网格填色图：满足《环境影响评价技术导则 大气环境》对网格浓度分布图要求，即绘制预测范围内的小时、日均和年均质量浓度等值线分布图。
• 结果输出：敏感点预测结果以表格给出，可以复制到EXCEL中，网格填色图可按导则要求绘制环境空气保护目标、项目位置、监测点位，以及风玫瑰、比例尺、图例等信息，最后输出图片。

1.10    并行计算模块

软件重新编译了CALMET、CALPUFF模型使其计算速度大幅度提高，相比原始版本可以提高几倍的运算速度。软件实现了CALPUFF模型并行计算，并行版在MPICH环境的支持下可以多进程计算，相比普通版本，在硬件支持下计算速度继续提高10～20倍。