CALPUFF非稳态拉格朗日烟团模型

CALPUFF是一个非稳态拉格朗日烟团模型系统，可模拟三维流场随时间和空间发生变化时污染物在大气环境中的输送、转化和清除过程。CALPUFF适用于从50km到几百千米的模拟范围，包括次层网格尺度的地形处理，如复杂地形的影响；还包括长距离模拟的计算功能，如污染物的干沉降、湿沉降、化学转化，以及颗粒物浓度对能见度的影响。

calpuff 作为 calfull 模型的核心计算模块

CALFULL模型

calfull模型为非定常（静风、复杂地形）三维（垂直坐标采用地形追随坐标，水平结构为等间距的网格，空间分辨率为一至几百公里，垂直不等距分为30 多层）拉格朗日烟团输送模式，主要包括污染物之排放、平流输送、扩散，干沉降以及湿沉降等物理与化学过程。

calfull模型分为三个模块，

1. CALMET(CalifeImia Meteorological Model)
   利用质量守恒原理对风场进行诊断，包括逐时风场、混合层高度、大气稳定度（PGT 分类）、各种微气象参数等
2. CALPUFF
   模拟污染物传输行为的集成模式进行空气质量模拟，CALPUFF模拟系统的输出主要包括网格和各指定点的污染物浓度
3. CALPOST
   计算结果后处理软件，对CALPUFF 计算的浓度进行时间分配处理，并计算出干（湿）沉降通量、能见度等

三个模块的关系

1. CALMET 是气象预处理模型，用于在三维网格模型区域上生成小时风场和温度场。
2. CALPUFF 是非稳态三维拉格朗日烟团输送模型，它利用CALMET生成的风场和温度场文件，输送污染源排放的污染物烟团，模拟扩散和转化过程。
3. CALPOST 通过处理CALPUFF输出的文件，生成所需浓度文件用于后处理。

另

1. calmet 模拟污染物从污染源排放后的扩散过程，扩散参数由微气象参数计算得到；
2. calpuff 模拟系统输出主要包括网格和各指定点的污染物浓度；
3. calpost 是后处理模块，该模块能够将CALPUFF生成的污染物浓度场文件依用户的不同目的进行相应处理，如生成网格化或者指定点逐时浓度、日均浓度、月均及年均浓度等文件．

calpuff与aermod的区别，

calpuff模型可以处理长距离污染物运输（50km以上的区域），能模拟中等尺度范围；而aermod模型模拟50km以内的区域。

calpuff模型的数据要求

calpuff模型对数据要求很高，calmet需要的数据至少包括每日逐时地面气象数据和一日俩次的探空数据，目前中国国内气象站提供的地面气象数据一般为一日四次气象数据。当某些气象数据缺失时，CALMET会通过插值等技术来估算风场、温度场、湍流场等等，这样子降低了模型气象场的精确度，最终会降低模拟结果的精确度。
虽然CALPUFF系统可以输出任意时刻的气象文件和浓度文件，但CALPUFF系统无法将输出数据与地形数据(如Dem格式、Grd格式文件)结合起来，更无法对自身输出数据结果进行动态演示。

calpuff模型的计算限制

CALPUFF模式系统对某些计算要求有限制，比如污染源数量，点源、面源、体源的最大个数不能超过200个，线源不能超过24个，用户只能通过修改CALPUFF源代码来达到自己的计算要求。

calpuff烟团模式

    它是弯曲轨迹的烟团模型，污染物在时间和空间上随着气象条件的变化而被视为一系列烟团。用来模拟不稳定状态的多层、多种污染物的扩散模型，它适用于模拟时空都在变化的气象条件下污染物的迁移、转化和清除，考虑了复杂地形的影响，海岸的交界影响，建筑物的下洗影响，干湿沉降以及简单的化学转化，可以计算出预测点的浓度和沉降量。
    虽然这些模型需要更多的计算资源，因为他们跟踪污染物随着时间的变化的不连续的浓度量，这个模型的优势在于处理空间( 水平和垂直方向) 的气象条件的变化。烟团模型像是分割模型，用来分析在非稳态扩散状况下，非均匀的排放源。
    烟团模型具有优势在于可以模拟稳定和低风速的情况。
    CALPUFF 烟团模型如式所示，此模型假设污染排放源在Δt 排放到气体中，形成的气体体积Qp = QΔt，Q 是随时间变化的排放速率。

式中:
    C—地面浓度;
    Q—污染物烟团体积;
    dc—垂直风向上从烟团中心到接收点的距离;
    da—沿风向上从烟团中心到接收点的距离;
    σx—沿风向高斯分布的标准偏差;
    σy—沿垂直风向高斯分布的标准偏差;
    σz—沿垂直方向高斯分布的标准偏差;
    g—高斯公式中垂直公式;
    He—混合层高度。

式中的σy、σz可以评价烟团的体积的增长。在烟团聚合或分离时，分析和确定烟团模型中的σ 比较令人困惑。在一定时间内，可以应用烟羽模型来分析烟团模型。运用烟团来模拟排放源连续排放烟羽状的平均特征( 如1h 的平均浓度) 。在这种情况下，可以采用烟羽模型所讨论的σ 计算方法。在这段时间内，接受点的浓度为污染源已经产生的烟团浓度的基础上加上Δc。烟羽模型公式和烟团模型公式不同。烟团模型公式中的水平扩散被传质扩散过程所取代，风速u 不再考虑。换而言之，在烟团模型中，风速影响在这个区域中模拟烟团浓度的疏密度( 也就是说，风速越低，由同一排放源排放的烟团的距离越近) 。所以，烟团模型可以处理稳定或是低风速的情况。

常用工具：

Suffer软件是美国Golden Software软件公司研制开发的基于Windows操作系统环境下三维绘图软件，具有强大的绘图和计算分析功能。Surfer能结合地形数据、CALPUFF浓度场数据和CALMET气象数据生成风场图、浓度场图等，但是无法实现随时间变化的动态演示。如果利用Surfer手动人工输出一天24个小时的风场和浓度场，只能一张张生成图像，需要大量的重复工作，繁琐且效率低。

Visual Basic(以下简称VB)是由微软公司开发的包含协助开发环境的事件驱动编程语言，它具有开发效率高、功能强大等特点。Surfer支持自动化(Automation)技术，Auroration是指一个应用程序通过某个对象去“操纵”另一个应用程序的机制，它支持VB编程语占的开发，从而实现VB和Suffer之间的嵌入式编程方法。Suffer自动绘图过程在VB调用的后台过程中完成，用户无需了解它的后台运行过程。因此在Surfer中进行的大量手动人工操作，可以用VB程序中的一段代码来代替，从而实现了Suffer自动绘图功能，虽终达到CALPUFF系统输出数据的可视化。

要实现CALPUFF系统输入数据动态可视化，首先要有评价区域内的典型开逐时的浓度文件以及相应的风场文件，其次要有区域的地形数据文件。通常通过VB与Suffa进行嵌入式编程，自动批量生成逐时的浓度场和风场图片，最终通过JavaScfipt编程实现逐时变化的动态效果，以网页的形式发布演示。

CALMET 气象预处理模块: 其核心部分包括诊断风场以及微气象场模式，气象数据包括探空数据、降水数据和地面数据。地面气象数据采用辽宁省 35 个地面观测站2004 年全年的逐时气象数据，其中包括风向、风速、温度、湿度、气压、云量（低云和总云）、降水等；运行CALMET 模块，可以获得上述研究区域的时变10 层模拟气象场，用以分析高空以及地面的气象场对污染物的传输和扩散的影响。CALMET 模块所必需的地理资料包括土地类型，海拔高度，地表参数(表面粗糙度，距离，反照率，波文比率，土壤热传导系数和植被区域分类)和人为热传导系数。土地类型和海拔有关的数据需要按网格输入，地表参数和人为热传导系数可以按网格输入，也可根据各网格点土地类型数据通过查表得到，模式已经提供了与土地信息相关的这些参数的缺省值。

相关扩散模型的优缺点：

拉格朗日模型相对于高斯模型和欧拉模型有以下几个优点: 它不需要考虑风切变和不均匀的湍流场，就可以得到K 理论中的恒定扩散。它们不需要人为扩散，也不需要欧拉模型中的对流传输。可以在任意复杂的污染区域，通过分析分散的点源的集合来估算污染源，也可以通过传感器的接受信息和随时间传播过程来测定污染源的位置。因为计算浓度需要计算大量颗粒物的在一定空间体积内的停留时间，有许多颗粒物的浓度需要得到更精确的估算。
拉格朗日模型的缺点是它们需要许多计算时间，得到的数据要比高斯模型和欧拉模型大出几个数量级。此外，如果传感器的体积增加到可以获得更多的颗粒物，浓度所展示的就是在一定体积内的平均值。

高斯模型的优势是简单而且高效，缺点是在一定区域内不是很准确，没有复杂模型那样普遍适用，也不能随风向的改变而立即变化。由于高斯烟羽公式假设均匀风场，此模型不建议用于远距离的模拟，因为气象条件随距离改变而改变。准确性在10 ～ 20km 之后准确性迅速降低。这类模型的例子是SCＲEEN3 和ISC3。此外，高斯烟羽模型假定在烟羽之间没有相互作用。为了能计算城市地区的污染物浓度，会采用多个排放烟羽模型。采用不同的公式是由排放源以及排放源和接收点的高度有关。烟团模型在低风速下是准确的，可用于低风速的风场。