【WRF-Chem】气溶胶模拟方案对比概览-171主机测评

1 Introduction
- 气溶胶的生命周期与过程 (Aerosol life cycle and processes)
- 气溶胶的模型处理 (Model treatment of aerosol)
- WRF/Chem 气溶胶方案 (WRF/Chem aerosol schemes)
2 气溶胶模拟方案类型总览
- 体相气溶胶方案 (Bulk aerosol schemes)
- 模态气溶胶方案 (Modal aerosol schemes)
- 分档气溶胶方案 (Sectional aerosol schemes)
3 气溶胶模拟方案
- 3.1 GOCART 模型方案 (An efficient aerosol scheme from the GOCART model)
- 3.2 MADE (Modal Aerosol Dynamics Model for Europe)
- 3.3 MOSAIC (Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry)
- 3.4 MAM (Modal Aerosol Model from CAM5)
- 3.5 火山灰方案 (Simple sectional scheme for volcanic ash)
4 WRF-Chem 配置文件说明
参考

本博客结合PPT2015-Aerosol modeling with WRF-Chem，对气溶胶模拟方案进行对比概览。

1 Introduction

气溶胶的生命周期与过程 (Aerosol life cycle and processes)

在这里插入图片描述

左侧：前体物与成核 (Precursors & Nucleation)

太阳辐射 (UV radiation) 与 OH 自由基：太阳光（紫外线）驱动光化学反应，产生羟基自由基 (OH)。OH 是大气中最重要的氧化剂。
二氧化硫氧化 ( $SO_2 \\rightarrow H_2SO_4 OH+SO2→H2SO4)：工业排放或火山喷发的二氧化硫 ( S O 2 SO_2 SO2) 被 OH 氧化，最终形成硫酸 ( H 2 S O 4 H_2SO_4 H2SO4)。硫酸是气溶胶形成的关键前体物。$
成核 (Nucleation)：图中展示了硫酸分子、水分子 ( $H_2O H2O)、有机分子、胺类、氨气 ( N H 3 NH_3 NH3) 和离子聚在一起，形成最初的微小颗粒（约 1 nm 大小）。这是气溶胶“出生”的过程，即从气态转变为固态/液态颗粒。$

中间：生长过程 (Growth Processes)

粒径谱 (Particle diameter)：顶部的时间轴实际上是粒径轴，显示颗粒从 ~0.3 nm 生长到 >50 nm 的过程。
凝结 (Condensation)：气态分子（如更多的硫酸或挥发性有机物）撞击并附着在现有的颗粒表面，使颗粒变大。
碰并 (Coagulation)：两个或多个小颗粒碰撞并合并成一个大颗粒。这是减少颗粒数量浓度但增加平均粒径的重要过程。
表面排放 (Surface emissions)：除了在大气中通过化学反应生成（二次气溶胶），许多颗粒是直接从地表排放的（一次气溶胶），如灰尘、海盐、黑碳等。图中下方的箭头指向中间的大颗粒，表示这些排放直接贡献了较大的颗粒。

右侧：老化与清除 (Aging & Removal)

活化 (Activation)：当气溶胶颗粒吸湿长大到一定程度（通常 >50 nm），在过饱和水汽环境中，它们可以作为云凝结核 (CCN)，形成云滴。这就是图中蓝色大圆圈（代表云滴）包裹着中间气溶胶颗粒的意思。
液相化学 (Aqueous chemistry)：在云滴内部，化学反应速率往往比气相中快得多（例如 $SO_2 SO2 转化为硫酸盐），这会进一步改变气溶胶的质量和成分。$
湿清除 (Wet scavenging)：图右下角的雨滴表示降水过程。云滴变成雨滴落下，或者雨滴在下落过程中冲刷掉空气中的气溶胶颗粒。这是大气清洁自身的主要方式。
干沉降 (Dry deposition)：图左下角的半圆表示颗粒物直接沉降到地表（被植被、土壤或建筑物吸附）。

气溶胶的模型处理 (Model treatment of aerosol)

WRF-Chem 的内部逻辑结构：以气溶胶微物理为核心，通过数据交换接口，将化学、排放、云物理和辐射等多个子系统紧密耦合在一起在这里插入图片描述

模块化设计 (Modules/Schemes)：

左上角的灰色框指出，模型不是把所有东西混在一起算，而是将不同的物理化学过程划分为独立的“模块”或“方案”来处理。

核心模块：气溶胶微物理 (Aerosol microphysics – 绿色大框)：

这是气溶胶模拟的中心枢纽。它负责计算颗粒的大小分布变化（如凝结、碰并）。
它直接连接了气溶胶化学 (Aerosol chemistry) 和气溶胶成核 (Aerosol nucleation) 模块。

与其他大气过程的交互：

气相化学 (Gas phase chemistry – 青色框)：气溶胶的形成需要气体前体物（如 $SO_2 SO2, VOCs）。气相化学模块计算这些气体的浓度，并将其传递给气溶胶模块；反之，气溶胶表面也会发生非均相反应影响气体浓度。$
排放 (Emissions – 橙色框)：提供一次气溶胶和前体气体的来源。
干沉降 (Dry deposition – 橙色框)：计算气溶胶和气体接触地表后的损失。
云微物理与湿沉降 (Cloud microphysics, wet deposition – 深蓝框)：气溶胶微物理模块告诉云模块有多少颗粒可以变成云滴（活化）；云模块反过来计算湿清除对气溶胶浓度的减少。
液相化学 (Aqueous phase chemistry – 深蓝框)：处理云滴内部发生的化学反应。
辐射传输 (Radiative transfer – 黄色框)：气溶胶会散射和吸收太阳光（直接效应），也会改变云的性质（间接效应）。气溶胶微物理模块需要提供颗粒的大小和光学性质给辐射模块，以计算其对气温和光照的影响。

WRF/Chem 气溶胶方案 (WRF/Chem aerosol schemes)

主要方案介绍：

GOCART 模型方案 (An efficient aerosol scheme from the GOCART model)：

特点：高效、计算速度快。
局限：对于硫酸盐、黑碳 (BC)、有机碳 (OC) 没有粒径大小信息（只算总质量，假设大小不变）。只有沙尘 (dust) 和海盐 (sea salt) 分了不同的粒径档。通常不包含二次有机气溶胶 (SOA) 的形成。
适用场景：长时间尺度的气候模拟，或者对计算资源有限制，且主要关注沙尘或气溶胶光学厚度（AOD）而非微物理过程的研究。

MADE (Modal Aerosol Dynamics Model for Europe)：

方法：模态法 (Modal approach)。它假设气溶胶粒径分布遵循 3 个对数正态分布（爱根核模态、积聚模态、粗模态）。
内容：包含无机物、有机气溶胶和二次有机气溶胶 (SOA)。
适用场景：需要通过较少的计算量来获取气溶胶粒径分布信息的研究。

MOSAIC (Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry)：

方法：分档法 (Sectional/Bin approach)。它将粒径谱切分为 4 个或 8 个固定的“档” (bins)。
内容：包含无机物、有机气溶胶和 SOA。
特点：精度通常比模态法高，特别是对于模拟复杂的粒径变化，但计算成本也更高（8 bins 比 4 bins 慢）。
适用场景：对气溶胶化学成分和粒径分布精度要求较高的空气质量研究。

MAM (Modal Aerosol Model from CAM5)：

方法：模态法（源自气候模型 CAM5）。
选项： 3 个模态 (MAM3) 或 7 个模态 (MAM7)。
内容：非常全面，包含无机物、有机物、SOA、海盐、黑碳和矿物粉尘。
适用场景：适合关注气溶胶-云-气候相互作用的研究，特别是当需要与全球气候模型结果进行对比时。

火山灰方案 (Simple sectional scheme for volcanic ash)：

这是一个专门用于处理火山爆发产生的火山灰气溶胶的简单分档方案。

2 气溶胶模拟方案类型总览

气溶胶模拟方案总结如下：

特性体相法 (Bulk)模态法 (Modal)分档法 (Sectional)

核心原理	“一锅端”只计算气溶胶的总质量，不追踪颗粒数量或具体大小。	“曲线拟合”假设粒径分布符合数学曲线（对数正态分布），用几个参数（如数量、平均直径、宽度）来描述波峰。	“直方图/切片”将粒径范围切分成若干个固定的区间（档），分别计算每个区间内的颗粒数量和质量。
如何处理粒径	完全忽略但在计算云和辐射时，会强行假设一个固定的粒径分布。	动态拟合通常分为3-7个模态（如爱根核、积聚、粗模态），每个模态的大小可以随时间变化。	离散分档颗粒长大时，会从“小档”跳进“大档”，不假设分布的形状。
计算成本	极低（最快）	中等（平衡）	高（最慢，取决于分多少档）
精度	低无法准确反映气溶胶的生长、凝结和微物理过程。	中高能很好地捕捉主要特征，但受限于预设的数学函数形状。	极高最接近真实物理过程，能描述任意形状的分布。
代表模型	GOCART(注：GOCART 对沙尘和海盐会特殊处理，分大小档)	MADE, MAM(常用于 WRF-Chem, CESM 等气候模型)	MOSAIC(常用于精细化的空气质量研究)
主要优缺点	优点：极快，适合关注气体化学或需长年模拟的场景。缺点：对气溶胶气候效应（云、辐射）的估算较粗糙。	优点：性价比高，在速度和精度之间取得了很好的平衡。缺点：数学处理复杂，且假设分布必须是光滑的“钟形曲线”。	优点：科学上最严谨，不需要假设分布形状。缺点：变量太多，计算量巨大，跑大规模模拟很费钱/费时。

总结对比：

体相法 (Bulk/GOCART)：只有一个桶，不管大小，算得最快，精度最低。
模态法 (Modal/MADE/MAM)：用几条光滑曲线去拟合，算得较快，精度不错，适合气候模拟。
分档法 (Sectional/MOSAIC)：用直方图去统计，算得最慢，精度最高，适合精细的空气质量研究。

体相气溶胶方案 (Bulk aerosol schemes)

最简单的一类方案，代表模型是 GOCART 模型方案 (An efficient aerosol scheme from the GOCART model)

只知道气溶胶化合物的总质量，不知道具体信息，如Particle number（颗粒数量）、Aerosol size distribution（气溶胶粒径分布）。在这里插入图片描述虽然模型内部不计算粒径，但在计算辐射传输（气溶胶挡多少光）和云微物理（有多少颗粒能变成云滴）时，必须知道颗粒大小。因此，模型会根据经验公式强行假设一个固定的粒径分布（例如，假设所有硫酸盐颗粒平均直径都是 0.1 微米），即便实际情况可能并非如此。

优缺点总结：

Numerically efficient（计算效率高）：因为变量少（只算质量），计算速度非常快。
Useful when focus is on complex gas phase chemistry（适用于关注复杂气相化学的场景）：如果你的研究重点是气体反应，而气溶胶只是配角，这个方案很合适。

结论：这种方案最简单粗暴，代表模型是 GOCART（注：GOCART 对沙尘和海盐做了特殊处理，分了几个大小档，所以这里括号里写了 + size resolved dust and sea salt）。

模态气溶胶方案 (Modal aerosol schemes)

中等复杂度的方案，代表模型是 MADE 和 MAM。

在这里插入图片描述

模态法不直接记录那个锯齿状的黑线，而是试图用几条光滑的曲线去“套”这个形状。

图中展示了三条彩色的曲线：在这里插入图片描述

蓝色曲线：代表小颗粒（爱根核模态，Aitken mode）。绿色曲线：代表中等颗粒（积聚模态，Accumulation mode）。黄色曲线：代表大颗粒（粗模态，Coarse mode）。

对数正态分布公式：

右上角的公式 $ \\frac{dN}{dD} = \\dots $ 是对数正态分布函数。
对于每一个模态（比如蓝色那条），模型只需要记录三个数字就能画出这条线：
- $\\mu μ (Geometric Mean Diameter)：平均直径（曲线的峰值位置）。$
- $\\sigma σ (Standard Deviation)：标准差（曲线的胖瘦/宽度）。$

在这里插入图片描述

红色粗线 (

dN/dD

$d N / d D$ )：是这三条曲线叠加后的总和，它非常接近实测的黑色折线。

在这里插入图片描述蓝色圆圈代表不同模态的颗粒。模型假设同一模态内的颗粒混合均匀（内部混合），通常假设所有颗粒都有相同的化学成分比例。

结论：模态法通过假设气溶胶由几个（通常是3个或7个）“波峰”组成，用少量的变量（每个模态的

N, \\mu, \\sigma

$N, μ, σ$ ）就能很好地描述复杂的粒径分布。这是一种在精度和计算成本之间取得很好平衡的方法。

分档气溶胶方案 (Sectional aerosol schemes)

最精确但也最昂贵的方案，代表模型是 MOSAIC。

在这里插入图片描述

直方图逼近 (Histogram Approach)：

还是那张黑色折线的实测数据图。
分档法不搞复杂的数学曲线拟合，而是直接把粒径轴切成若干个区间 (Bins/Sections)。
图中展示了红色的柱状图。每个红色框框代表一个粒径范围（例如 10-20 nm, 20-40 nm 等）。

数字含义：

红色数字（500, 350, 200…）代表在这个特定的粒径区间内，颗粒的数量（或质量）。
模型独立计算每一个区间内的化学和物理过程。例如，如果颗粒吸湿长大了，它就会从第 1 档“跳”到第 2 档。

右侧示意图：

右边的圆圈展示了不同大小的颗粒被严格区分开来。
这种方法不假设粒径分布的形状（不需要它是正态分布），因此对于描述形状怪异的分布（例如刚刚发生过成核爆发，或者有两种不同来源的气溶胶混合）非常准确。

代表模型：

MOSAIC：最典型的分档方案（通常用 4 档或 8 档）。
Volcanic ash：火山灰通常也用这种简单的分档法。
(GOCART)：这里括号里的 GOCART 指的是它对沙尘和海盐部分其实也用了类似分档的处理（分了几个大小级别），尽管它对其他气溶胶是体相法。

3 气溶胶模拟方案

3.1 GOCART 模型方案 (An efficient aerosol scheme from the GOCART model)

GOCART 是大气科学中非常经典且广泛使用的一种混合型气溶胶方案。它的设计理念是：在保证计算效率（速度快）的同时，尽可能涵盖主要的气溶胶类型及其物理化学过程。

1. 气溶胶种类的处理方式 GOCART 并不对所有气溶胶一视同仁，而是根据气溶胶的物理特性，采用了 “体相法 (Bulk)” 和 “分档法 (Sectional)” 相结合的混合策略：

A. 采用“体相法 (Bulk)”处理的气溶胶对于这些气溶胶，模型只计算它们的总质量，不计算具体的颗粒数量或复杂的粒径分布变化。

黑碳 (Black Carbon, BC):
- 疏水性 (Hydrophobic): 刚排放出来的“新鲜”烟尘，不吸水。
- 亲水性 (Hydrophilic): 在大气中老化（aged）或被其他物质包裹后的烟尘，容易吸水并成为云凝结核。
有机碳 (Organic Carbon, OC):
- 疏水性: 刚燃烧生物质排放的。
- 亲水性: 老化后的。
- 转化机制: 模型设定了一个固定的转化时间（2.5天），即新鲜的疏水性碳气溶胶在2.5天后会自动转化为亲水性。这是一个简化的参数化处理。
硫酸盐 (Sulfate):
- 作为唯一的二次气溶胶（由气体转化而来）进行处理。
其他 PM2.5 和 PM10:
- 用于追踪未明确分类的其他一次排放颗粒物。

B. 采用“分档法 (Sectional)”处理的气溶胶对于沙尘和海盐，粒径大小对沉降和辐射影响巨大，因此 GOCART 采用了分档处理（即把它们切分成不同大小的“桶”）：

沙尘 (Dust): 分为 5 个档位（有效半径分别为 0.5, 1.4, 2.4, 4.5, 8.0 µm）。这允许模型模拟粗颗粒沙尘快速沉降，而细颗粒沙尘传输到远处的现象。
海盐 (Sea Salt): 分为 4 个档位（有效半径分别为 0.3, 1.0, 3.2, 7.5 µm）。

2. 气相化学机制气溶胶不是孤立存在的，它们往往由气体转化而来（尤其是硫酸盐）。GOCART 自带了一套简化的硫化学机制，同时也支持连接更复杂的外部化学机制。

A. 自带的硫化学 (Sulfur Gas Phase Chemistry) GOCART 核心关注硫循环，主要模拟从二甲基硫 (DMS) 到硫酸盐的转化路径：

DMS 的氧化: 海洋排放的 DMS 被 OH 自由基或 NO3 自由基氧化，生成二氧化硫 (

SO_2 SO2​) 或甲磺酸 (MSA)。

SO_2 SO2​ 的氧化: S O 2 SO_2 SO2​ 在气相中被 OH 自由基氧化，生成硫酸根离子 ( S O 4 = SO_4^= SO4=​)，即硫酸盐气溶胶。

B. 扩展化学接口如果研究需要更复杂的化学反应（例如臭氧光化学），GOCART 可以与以下复杂的全气相化学机制耦合：

MOZART: 经典的全球化学传输模型机制。
RACM / RADM: 区域大气化学机制。
(注：KPP 是指动力学预处理程序，用于求解化学反应方程的工具)

3. 与辐射和云的相互作用尽管 GOCART 是一个相对简化的方案，但它仍然包含了气溶胶对气候系统的关键反馈。

A. 与辐射的相互作用 (Interaction with Radiation)

直接效应 (Direct Effect): 气溶胶直接散射或吸收太阳光（例如黑碳吸光增温，硫酸盐散射降温）。GOCART 在某些模型设置下可以开启此功能。
光化学影响: 气溶胶通过散射和吸收紫外线，改变光解速率（Photolysis rates），从而影响大气光化学反应的快慢。

B. 与云的相互作用 (Interaction with Clouds) GOCART 主要关注液相化学 (Aqueous Chemistry)，即在云滴内部发生的化学反应：

$SO_2 SO2 的液相氧化: 当 S O 2 SO_2 SO2 溶解在云滴水中时，会迅速被过氧化氢 ( H 2 O 2 H_2O_2 H2O2) 或臭氧 ( O 3 O_3 O3) 氧化成硫酸盐 ( S O 4 = SO_4^= SO4=)。$
这是大气中硫酸盐生成的最主要途径（比气相氧化快得多）。

C. 局限性说明 PPT 特别指出：No secondary organic aerosol (SOA)。

这意味着标准的 GOCART 方案不包含二次有机气溶胶的生成机制。它只计算直接排放的一次有机碳 (OC)。这是一个为了节省计算资源而做的重大简化，但在现代高精度模拟中通常被视为一个缺点。

3.2 MADE (Modal Aerosol Dynamics Model for Europe)

在这里插入图片描述

3.3 MOSAIC (Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry)

在这里插入图片描述

3.4 MAM (Modal Aerosol Model from CAM5)

MAM3：在这里插入图片描述

MAM7：在这里插入图片描述

3.5 火山灰方案 (Simple sectional scheme for volcanic ash)

4 WRF-Chem 配置文件说明

在这里插入图片描述

photdt = 0.25：光解速率的更新时间步长（单位通常是分钟）。这意味着模型每隔 0.25 分钟（或根据具体版本定义的时间间隔）重新计算一次阳光对化学物质的分解速率。
chemdt = 0：化学过程的时间步长。设置为 0 通常意味着让化学步长自动匹配气象模型的时间步长（meteorology time step）。

A. chem_opt = 43 (化学选项)：这是最重要的一个参数，被称为“主开关”。

含义：它决定了模型使用哪一套具体的气相化学机制和气溶胶机制的组合。
数字 43 代表的组合：
- 气溶胶方案： MADE/SORGAM (Modal Aerosol Dynamics Model for Europe / Secondary Organic Aerosol Model)。这是一种模态法气溶胶方案，包含二次有机气溶胶。
- 气相化学方案： RACM-ESRL (Regional Atmospheric Chemistry Mechanism – NOAA Earth System Research Laboratory version)。这是一个适用于区域尺度的气相化学机制。
- 液相化学：包含了 CMAQ aqueous chemistry（CMAQ 模型的液相化学方案）。

B. aerchem_onoff = 1 (气溶胶化学开关) 这是一个逻辑开关。

含义：控制是否开启气溶胶的物理化学过程。
设置：
- 1 (ON): 开启。模型会计算气溶胶的成核、凝结、碰并、沉降等过程。
- 0 (OFF): 关闭。即使你在 chem_opt 里选了气溶胶机制，如果这里设为 0，气溶胶也只是像被动示踪物一样随风飘动，不会发生演变。

C. conv_tr_aqchem = 1 (积云对流中的液相化学) 这个参数处理的是“次网格尺度”的过程。

背景：在粗分辨率模拟中，小的积云（Cumulus, 简写为 Cu）比网格还要小，模型无法直接解析，只能通过参数化方案来估算。
含义：这个开关决定了是否在这些参数化的积云内部计算化学反应（特别是液相化学）和垂直输送。
设置：
- 1 (ON): 开启。PPT 说明这里使用的是 CMAQ aqueous chemistry 方案。这意味着污染物进入积云后，会发生液相氧化（如 SO2 变硫酸盐）并被云水清除。
- 0 (OFF): 关闭。积云只输送空气，不处理云内的化学反应。

参考

1、PPT2015-Aerosol modeling with WRF-Chem

【WRF-Chem】气溶胶模拟方案对比概览

目录

1 Introduction