大气科学领域必备的模型软件汇总；及选择方法丨WRF、WRF-CMAQ、WRF-Chem、WRF-Hydro、WRF DA、PMF、MCM、CAMx、SMOKE、CMIP6等

高精度气象模拟软件WRF实践技术及案例应用

随着生态文明建设和“碳中和”战略的持续推进，我国及全球气候变化及应对是政府、科学界及商业界关注的焦点。气候是多个领域（生态、水资源、风资源及碳中和等问题）的主要驱动因素，合理认知气候变化有利于解释生态环境变化机理及过程，而了解现在、未来气候变化则是进行生态、环境及能源评估、碳政策规划的先决条件，而气候模拟是获取高精度气候信息的最主要手段，现代生态、水文、新能源及碳中和领域需要亚公里及更高分辨率的气象模拟，WRF模式是国内外应用最为广泛的气象模式，使用该模式进行高精度甚至几百米的模拟应用也越来越多。另一方面，该模式不断扩展模式模块，现在已经可以实现对气溶胶及化学过程（WRF-CHEM）、资料同化（WRF-DA）、水文过程（WRF-HYDRO）、城市化（URBAN）等过程的精细模拟，其应用范围及实际业务及科研应用也越来越多。但该模式运行于Linux平台，前处理、运行及分析过程复杂、难度大，应广大生态、水文及环境领域工作者的要求

【目标】：

1、掌握WRF模式的各个组成部分；

2、自主完成该模式的移植；

3、自主完成模式运行；

4、自主完成模式后处理；

5、通过多领域案例分析、实践，熟悉在多领域中的应用。

【专家】：于老师（副研究员），长期从事气候变化及相关科研工作，拥有十几年使用WRF模式的实际操作经验，在多所高校及科研院所讲授过WRF模式。熟悉从模式安装、运行、解译到模式结果展示的各个方面，特别关注WRF模式在生态、环境、水文、农业林业、城市化、新能源等领域应用推广、模式使用与授课经验。

区域气候模式理论知识梳理

一、WRF模式能干什么？（气温、降水、风、压、能量、水分、植被模拟和预报）

二、WRF模式框架和流程

三、WRF使用什么样的计算平台？计算系统？Linux，非windows

Linux操作系统WRF模式系统实际操作

一、如何安装WRF模式所需要的平台？（vmware,linux）

二、如何从零开始搭建WRF编译所需的系统？（RockyLinue）

三、安装软件（OneAPI）

四、WRF模式结果文件格式？（NetCDF）

模式调试及运行

一、WRF如何获取模拟区域的DEM、LUCC、植被、反照率等多种信息

1.1 WPS如何定义模拟区域？如何准备地形土地利用等资料（geogrid.exe）

1.2 WPS如何准备气象资料？(温度、气压、风场、湿度等等)

1.3 WPS如何水平插值？（软件如何匹配不同的空间分辨率资料，如何从百公里到几百米降尺度）

二、WRF模式如何积分解算气象变量和能量水分传输

2.1 WRF如何完成等压层向地形追随坐标系的转变

2.2 WRF模式如何精确计算气象和相关过程

模式操作及案例实践

一、案例操作1：软件基本运行流程

二、案列操作2：研究区设置技巧

三、案例操作3：软件如何进行天气预报

四、案例操作4：软件模拟月或年尺度气象

五、案例操作5：如何模拟分析观测气温

六、案例操作6：如何模拟分析降水

七、案例操作7：如何模拟分析水汽和湿度

八、案例操作8：如何模拟分析土地利用变化的影响

九、案例操作9：如何模拟分析土壤及近地层能量水分通量

十、案例操作10：如何模拟分析风场

十一、案例操作11：如何模拟分析其他变量，包括土壤、水体、植被等相关气象变量

实际应用及案例分析

一、WRF模拟结果如何分析？（NCL）

二、WRF结果如何展示？（Vapor）

三、WRF结果如何展示？（Python）

系统学习CMAQ空气质量模式

空气质量预报模式系统（WRF-CMAQ）和污染源处理技术是目前大范围灰霾天气预警及综合治理的重要手段，其在全国的推广应用将有利于提高实际的业务预报水平、增强防灾减灾能力、取得显著的社会经济效益。

【专家】：程老师（研究员），长期从事空气质量模拟改进科研工作，自主研发了多种污染源反演方法和基于三维变分的气溶胶激光雷达资料同化技术，拥有十几年使用CMAQ模式的实际操作经验，在多所高校讲授过CMAQ模式。熟悉从模式安装、运行、解译到模式结果展示的各个方面，特别关注CMAQ模式在环境、气象等领域应用推广。

CMAQ模式理论及化学机制

基本功能

关键技术解析

1.国际空气质量模式发展历程和常用模式；

2.CMAQ模式理论框架和化学机制；

3.CMAQ模式关键技术解析（包括过程分析、敏感性分析、源解析功能等）；

CMAQ模式配置、运行

1.CMAQ模式库文件安装、环境配置；

2.气象场处理模块MCIP安装和运行；

3.前处理模块ICON\BCON安装和运行；

4.污染源文件更新处理模块安装和运行；

5.主模块CCTM安装；

怎样看懂CMAQ模拟结果？

1.CMAQ模式变量表（理论讲解）；

2.CMAQ模式结果提取及数据可视化（理论讲解）；

3.CMAQ模拟结果物理解释等（理论讲解）；

Benchmark个例如何运行？

以CMAQ官网的Benchmark为例，详细讲解ICON、BCON、MCIP、CCTM各模块的操作流程和步骤

CMAQ模式的科学原理是什么？

美国EPA编制的科学算法手册“Science Algorithms of CMAQ”主要内容；

CMAQ实际案例如何运行？

以某地区实际案例为例，详细介绍ICON、BCON、MCIP、CCTM、污染源更新处理模块等操作流程和步骤；

课题组自主发展了哪些CMAQ模式预报相关的改进技术？

1.基于CMAQ敏感性分析模块的污染源反演方法；

2.气溶胶激光雷达资料同化方法；

3.PM2.5、O3等污染物预报订正方法；

如何运行CMAQ模式的过程分析模块？

1.过程分析模块的参数设置；

2.过程分析模块的输入文件准备；

3.以实际案例进行CMAQ过程分析模拟；

4.模拟结果现实和物理解释；

课题组自主发展了哪些气象和污染源影响评估方法？

1.气象和污染源影响评估方法；

2.排放源减排效果评估方法；

如何运行CMAQ模式的敏感性分析模块？

1.敏感性分析模块的参数设置；

2.敏感性分析模块的输入文件准备；

3.以实际案例进行CMAQ敏感性分析模拟；

4.模拟结果现实和物理解释

空气质量预报模式系统（CMAQ）应用及改进与污染源排放清单建立实践技术

【目标】：

1、掌握空气质量预报模式系统（WRF-CMAQ）的改进技术及其在相关领域的应用；

2、掌握大气排放源特点及污染源排放清单编制技术；

3、提高空气质量预报模式系统（WRF-CMAQ）在实际业务中的应用水平。

高分辨率排放清单建立技术方法及SMOKE模型技术框架

高分辨率排放清单建立及SMOKE安装部署

SMOKE本地案例建立技术方法

中尺度气象数值模式WRF介绍和气象场模拟改进

WRF模式运行个例

CMAQ空气质量模式介绍

WRF-CMAQ模式Benchmark个例运行

空气质量模拟与预报改进方法

气象和污染源影响评估方法

基于SMOKE模式处理排放源的WRF-CMAQ模式实际个例运行

区域气象-大气化学在线耦合模式（WRFChem）在大气环境领域实践

【目标】：

1.掌握WRF-Chem模式原理、调试、运行方法。

2.通过案例操作掌握WRF-Chem模式数据准备、前处理及相关参数设置方法

3掌握模拟结果后处理及作图（ARWPOST、NCL等软件操作）方法

4.通过案例分析操作掌握WRF-Chem在大气环境（PM2.5、臭氧）、能见度、城市化方面应用

5.对学员实际项目中遇到的问题进行指导。

WRF-Chem模式 应用案例和理论基础

Linux环境下软件安装

WRF-Chem模式安装，排放源制作软件安装

WRF-Chem数据准备（气象、排放、初边界条件等），运行个例（讲解+实操）

模拟结果提取、数据可视化、问题答疑

气象水文耦合模式WRF-Hydro前处理、运行及实践应用

WRF-Hydro模式是从WRF (WEATHER RESEARCH AND FORECASTING MODEL)（Weather Research & Forecasting Model (WRF) | Mesoscale & Microscale Meteorology Laboratory）陆面过程部分独立发展起来的可以模拟大气和水文相互作用及过程的独立模型。该模型基于FORTRAN90开发，扩展性好，支持大规模并行，最新版本包含了多个陆地水文物理过程，并提供了界面友好的GIS工具包用于基础输入数据的准备。WRF-Hydro不仅支持离线模拟地表和次表层产汇流过程，还支持在线耦合方式模拟大气过程和水文过程的相互影响、相互反馈过程。随着地球系统科学的快速发展融合，该模式的应用前景将非常广泛。但该模式数据制备、代码编译、离线在线运行涉及包含Linux系统、编译器、前后处理等多个方面，对初学者而言十分复杂、学习难度大。

WRF-HYDRO模式介绍

WRF-HYDRO模式发展历程、关键科学问题、主要组成

WRF-HYDRO及National Water Model发展

WRF-HYDRO overland flow模型

WRF-HYDRO subsurface flow模型

WRF-HYDRO base flow模型

WRF-HYDRO湖泊、水库模型

RF-HYDRO模式框架及编译

离线模拟

WRF-HYDRO GIS Preprocessing Tool工具

WRF-HYDRO流域资料准备

Land Surface Model，NOAH，NOAHMP

WRF-HYDRO驱动数据准备

WRF-HYDRO模式性能

WRF模式基础

WRF-HYDRO离线及耦合模拟

WRF前处理-WPS

定义模拟区域，准备地形土地利用等资料

准备气象资料

水平插值

模拟气象场

模式数值积分

耦合模拟 答疑

WRF-HYDRO与WRF耦合编译

模式结果分析

National Water Model相关 个例分析及答疑

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WRF DA资料同化系统理论、运行与与变分、混合同化新方法技术应用

为有效提升广大科研、业务人员的资料同化理论基础和应用能力以及研究水平，提高我国气象、海洋和大气环境等领域的数值预报业务的质量和实际预报水平。应广大气象和大气环境等领域工作者的要求，本课程以WRF DA变分资料同化系统为核心，针对实际应用中的重点和难点问题，开展资料同化理论和方法的讲解，并结合实际天气个例，致力于培养和提高培训人员的理论水平和实际应用能力。

【目标】：

1.掌握和理解资料同化的理论；

2.熟悉Linux环境下的配置和应用；

3.掌握背景误差协方差、物理约束关系的调优和更新；

4.掌握新观测资料同化的关键技术，如观测算子的构造、伴随程序的发展等；

5.熟悉同化结果的分析方法；

6.掌握Bash、GRADS、NCL等后处理工具进行结果处理及分析;

7.掌握在气象、环境、生态、水文等领域应用技术的拓展和方法;

8.熟练掌握WRF ETKF-3DVAR DA混合同化系统的应用。

【专家】：马老师（副教授），来自高等院校，科研机构的数值预报资料同化高级专家，拥有丰富的科研和实际应用经验，长期从事数值预报、资料同化等国家级科研项目研究与教学工作。

一、资料同化的基本理论与方法

二、WRF DA的环境需求、系统安装、调试与运行 (实践操作)

三、观测资料与质量控制

四、1、WRF DA同化系统的配置

2、背景误差的构造(实践操作)

五、1、WRF DA变分资料同化

2、WRF DA混合同化新方法

六、1、变分同化的单点试验

2、混合同化的单点试验 (实践操作)

七、同化分析增量的分析（理论与实操）

八、WRF DA和ETKF-3DVAR混合同化系统的实际应用 (实践操作)

大气颗粒物PMF源解析实践技术应用

目前，大气颗粒物污染成为我国亟待解决的环境问题。颗粒物污染不仅对气候和环境有重要影响，而且对人体健康有严重损害，尤其在一些重污染天气，如灰霾和沙尘暴等。为了高效、精准地治理区域大气颗粒物污染，首先需要了解颗粒物的来源。因此，颗粒物源解析成为目前解决大气颗粒物污染的关键技术。帮助广大科研人员更加系统地学习大气颗粒物源解析的基础理论知识及相应技术，掌握大气颗粒物理化性质等基础知识和通过PMF方法对其来源解析的技术。

【目标】：

1、了解大气颗粒物主要来源,熟悉大气污染源解析方法

2、通过实际案例操作与案例分析掌握PMF源解析技术方法及在实际项目中的应用

3、掌握PMF源解析结果的优化及误差评估方法

4、解答实际工作中遇到的有关技术问题

【专家】：周老师（副教授），来自中国科学院所及重点高校资深专家，长期从事气溶胶、大气颗粒物来源解析工作，拥有丰富的科研经验，主持参与多个相关课题及工程项目，具有较深的技术底蕴和专业背景。

第一章PMF源解析技术简要及其输入文件准备

1、大气污染源解析方法有哪些？

2、这些方法各自应用的条件以及它们的优缺点？

3、大气颗粒物的基础知识及各组分的主要来源

大气颗粒物的来源：

大气颗粒物的组成：

4、PMF源解析技术简介

5、PMF源解析软件的下载及安装

6、PMF输入的颗粒物组分浓度的获得

7、PMF源解析输入文件的准备

第二章PMF源解析技术的原理，PMF软件的实操及应用举例

1、PMF源解析的基本原理

2、PMF源解析软件的基本运行

3、PMF源解析因子的选择

4、PMF源解析结果及意义

第三章PMF源解析结果的优化及误差评估

1、Fpeak模式运行

2、Fpeak模式运行结果

3、误差评估方法简介

4、误差评估方法结果

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MCM箱模型建模方法及大气O3来源解析实践技术应用

MCM (Master Chemical Mechanism)包含了约6700个有机物，大约17000个反应，可以详细描述大气气相有机物的化学过程，被广泛用于大气科学研究领域。旨在帮助学员掌握大气臭氧生成的基础知识、MCM箱模型的建立以及对O3生成的控制前体物进行判断的技术。

一、 大气中O3形成知识基础、MCM和Atchem 2原理及Linux系统安装

1、大气中O3形成的原理知识讲解

2、MCM原理及基本流程讲解

3、Atchem 2 讲解及下载安装

4、Linux系统安装

5、Atchem 2 运行需要的其他工具 A、Fortran；B、Python；C、make, cmake

二、 MCM建模、数据输入、模型运行及结果输出 【讲解+案例操作】

1、MCM 箱模型建立

1）化学机理 A、Facsimile 格式；B、RO2；C、MCM 的提取

2）模型参数的设定

3）环境变量 A、温度；B、大气压；C、相对湿度；D、水；E、太阳高度角； F、边界层高度；G、气溶胶表面积；H、扩散速率；I、JFAC；J、Roof

4）光解速率 A、常数光解速率；B、限制光解速率；C计算光解速率；D、JFAC计算 5）各种config. 文件

2、MCM箱模型运行

3、MCM模型运行结果分析 案例：对MCM箱模型运行结果进行分析

三、 O3形成途径、生成潜势及其敏感性分析 【讲解+案例操作】

1. O3 形成途径

案例：不同反应途径对O3形成的贡献

2、O3敏感性分析Ⅰ：相对增量反应性方法（RIR）

案例：通过RIR的计算，判断O3的主要来源

3、O3敏感性分析Ⅱ：EKMA曲线绘制

1）O3 等值线数据的获得

2）EKMA曲线绘制

案例：通过EKMA曲线的绘制，判断O3的主要来源

4、O3生成潜势 案例：VOCS O3生成潜势的计算