CALPUFF

CALPUFF 模型介绍

基础介绍

CALPUFF 为非定常三维拉格朗日烟团输送模式。CALPUFF 采用烟团函数分割方法，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。污染物包括SO2、NOx、CmHn、O3、CO、NH3、PM10（TSP）、Black Carbon，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。CALPUFF 模型系统可以处理连续排放源、间断排放情况，能够追踪质点在空间与时间上随流场的变化规律。考虑了复杂地形动力学影响、斜坡流、FROUND 数影响及发散最小化处理。

CALPUFF 模拟系统，包括诊断风场模型CALMET、高斯烟团扩散模型CALPUFF和后处理软件CALPOST 三部分。CALPUFF 模式可运用于静风、复杂地形等非定常条件。其中CALMET 利用质量守衡原理对风场进行诊断，输出包括逐时风场、混合层高度、大气稳定度（PGT分类）、各种微气象参数等。

CALPOST 为计算结果后处理程序，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。

理论基础

CALPUFF（California Puff Model）是一种非稳态拉格朗日（Lagrangian）烟团扩散模型。与 AERMOD 的高斯羽流模型不同，CALPUFF 将污染物排放模拟为一系列随时间迁移的离散烟团（Puffs）。

烟团扩散基本方程

在拉格朗日框架下，单个烟团对受体点产生的瞬时浓度贡献由以下高斯烟团方程描述：

$$C(x, y, z) = \frac{Q}{(2\pi)^{3/2} \sigma_x \sigma_y \sigma_z} \exp\left[-\frac{d_a^2}{2\sigma_x^2}\right] \exp\left[-\frac{d_c^2}{2\sigma_y^2}\right] \cdot G(z)$$

其中：

• $C$：受体点处的污染物浓度 ($g/m^3$)。
• $Q$：烟团包含的污染物质量 ($g$)。
• $\sigma_x, \sigma_y, \sigma_z$：沿下风向、横风向和垂直方向的扩散参数 ($m$)。在 CALPUFF 中，通常假设 $\sigma_x = \sigma_y$。
• $d_a, d_c$：受体点与烟团中心在水平面上的下风向距离和横风向距离。
• $G(z)$：垂直项，考虑了地面反射、混合层顶反射及有效排气高度： $$G(z) = \sum_{n=-\infty}^{\infty} \left[ \exp\left(-\frac{(z_r - h_e + 2nH)^2}{2\sigma_z^2}\right) + \exp\left(-\frac{(z_r + h_e + 2nH)^2}{2\sigma_z^2}\right) \right]$$
  • $z_r$：受体高度。
  • $h_e$：有效排放高度。
  • $H$：混合层高度。

烟团轨迹迁移

烟团中心的位置随流场矢量进行积分计算：

$$\vec{P}(t + \Delta t) = \vec{P}(t) + \vec{V} \cdot \Delta t$$

其中 $\vec{V}$ 是由 CALMET 模型提供的三维风矢量场。由于风场在空间和时间上是变化的，烟团的路径呈现非线性的轨迹，能够捕捉到风向切变和环流。

化学转化

CALPUFF 支持伪一级动力学反应来模拟二级污染物的生成（如 $SO_2 \rightarrow SO_4^{2-}$, $NO_x \rightarrow NO_3^-$）。其基本形式为：

$$\frac{dC_i}{dt} = -k_i C_i + S_i$$

其中 $k_i$ 是转化速率常数，受湿度、温度、臭氧浓度和光照强度等环境因子的影响。模型内置了 MESOPUFF II 和 RIVAD/ARM3 两种成熟的化学转化方案。

沉降机制（Resistance Model）

CALPUFF 采用“阻力模型”计算干沉降速率 $v_d$：

$$v_d = \frac{1}{r_a + r_b + r_c} + v_g$$

• $r_a$：大气动力学阻力（与大气稳定度有关）。
• $r_b$：准层流边界层阻力（与分子扩散有关）。
• $r_c$：表面接触阻力（与地表植被、性质有关）。
• $v_g$：重力沉降速度（仅针对大颗粒物）。

复杂地形处理

对于地形的影响，CALPUFF 引入了分层流动的物理概念。当气流遇到地形阻挡时，会根据临界高度 $H_c$ 判断气流是“绕流”还是“爬越”，从而动态调整垂直扩散参数 $\sigma_z$ 和烟团轨迹。

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模型系统组成

CALPUFF 建模系统是一个庞大的套件，主要由以下三个核心程序及若干辅助工具组成：

1. CALMET：

   • 三维气象预处理器。
   • 将地面站、高空站、廓线站及数值预报（如 MM5/WRF）数据融合，生成网格化的三维气象文件（.met）。

2. CALPUFF：

   • 核心扩散主程序。
   • 读取气象场、源强、地形等数据，执行烟团轨迹计算，输出小时浓度和沉降率。

3. CALPOST：

   • 后处理程序。
   • 对 CALPUFF 输出的二进制文件进行统计分析，生成指定平均时段（1小时、24小时、年均等）的浓度分布表。

4. 辅助程序（Preprocessors）：

   • TERREL/CTGCOMP/MAKEGEO：处理地形（DEM）和土地利用数据。
   • SMERGE/SURFAD/READ62：处理各类气象原始格式数据。

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控制文件结构

CALPUFF 系统各组件的运行均依赖于参数控制文件（.inp）。文件结构通常分为多个"输入组"（Input Groups）。

** CALPUFF.INP 基本模块 **

输入组	名称	主要功能
Group 0	Input/Output File List	指定输入气象文件、输出二进制文件及报表文件的路径。
Group 1	General Run Control	设置模拟时间跨度、时间步长、坐标系等。
Group 2	Technical Options	选择扩散算法（如分散系数计算方法、化学转化开关）。
Group 3	Species List	定义参与计算的污染物及其化学/物理特性。
Group 4	Grid Control	定义模拟网格、气象网格和采样网格的范围及间距。
Group 13-15	Source Data	定义点源（Point）、面源（Area）、线源（Line）和体积源（Volume）。

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EPA-CALPUFF Modeling System

Overview

CALPUFF is a multi-layer, multi-species non-steady-state puff dispersion model that simulates the effects of time- and space-varying meteorological conditions on pollution transport, transformation, and removal. It is designed to be applied on scales from tens to hundreds of kilometers. The system includes algorithms for subgrid scale effects (such as terrain impingement) as well as longer-range effects (including wet scavenging, dry deposition, chemical transformation, and visibility impacts).

Regulatory Status and History

The regulatory status of CALPUFF within the U.S. EPA's Guideline on Air Quality Models (Appendix W to 40 CFR Part 51) has evolved through the following milestones:

• April 2003 – January 2017: CALPUFF was the EPA preferred model for long-range transport assessments (beyond 50 km) for the purposes of National Ambient Air Quality Standards (NAAQS) and Prevention of Significant Deterioration (PSD) increments.
• January 17, 2017: The EPA published revisions to Appendix W in the Federal Register (signed Dec 20, 2016). These revisions formally delisted CALPUFF as a preferred model.
• May 22, 2017: The 2017 revisions became effective. Since then, CALPUFF is established as a screening approach for long-range transport assessments.
• Alternative Model Status: For cumulative impact analyses beyond 50 km, CALPUFF is now considered an alternative model. Its use requires case-by-case justification and agreement with the appropriate reviewing authority and approval by the EPA Regional Office (per Appendix W, Section 3.2).

EPA-Approved Versions

The most recent EPA-approved version of the CALPUFF Modeling System (as of the latest SCRAM update) includes:

• CALPUFF: version 5.8.5, level 151214
• CALMET: version 5.8.5, level 151214
• CALPOST: version 6.221, level 080724

Every update to the "EPA-Approved" version undergoes a "consequence analysis" by the USEPA to identify model changes and their implications by comparing the base version with the proposed updated version.

Model Code and Documentation

All executables, source code, preprocessors, utilities, test cases, and documentation are hosted on the official developer site managed by Lakes Environmental:

• Download Site: CALPUFF.org (Click the "Download" link on the left-hand panel).
• Key Documents:
  • Previous SCRAM Website CALPUFF Modeling System Posting Reference
  • A Comparison of CALPUFF Modeling Results To Two Tracer Field Experiments
  • An Analysis of the CALMET/CALPUFF Modeling System In A Screening Mode
  • Technical Issues Related to CALPUFF Near-field Applications

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在国内的应用

法规规定

在我国大气环境影响评价领域，CALPUFF 被广泛应用于复杂环境下的进一步预测：

1. 《环境影响评价技术导则 大气环境》（HJ 2.2-2018）：

   • 明确 CALPUFF 为推荐的进一步预测模型。
   • 适用范围：主要用于评价范围 $\geq 50km$ 的一级、二级评价项目，或评价范围内具有复杂地形、复杂气象特征（如海岸线熏烟、山谷环流）的地区。

2. 应用要求：

   • 气象输入：要求使用基于 WRF/MM5 等数值模型的模拟气象数据作为背景场，结合当地实测气象站数据进行 CALMET 诊断。
   • 二级污染物预测：在酸沉降、PM2.5 二级组分评估及可见度影响分析中具有不可替代的作用。

运行建议

1. 数据质量：CALPUFF 对地形分辨率和气象场准确性极其敏感，建议地形分辨率与模型网格匹配（通常为 1km 或更细）。
2. 计算资源：由于是基于烟团的非稳态模拟，计算量远大于 AERMOD，对于大范围、长序列模拟建议使用高性能计算环境。

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参考文献

1. U.S. EPA. User's Guide for the CALPUFF Dispersion Model.
2. 生态环境部. 环境影响评价技术导则 大气环境 (HJ 2.2—2018).
3. Scire J S, et al. A User's Guide for the CALMET Meteorological Model.
4. 昕图科技. 昕图大气环境预测软件用户操作手册 (CALPUFF 模块).