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【WRF-Chem教程第七期】闪电-NOx 参数化方案详解

闪电-NOx 参数化

  • 闪电-NOx 参数化(Lightning-NOx Parameterization)概述
    • 输出变量参考(在 wrfout 文件中)
  • 在 namelist.input 中启用闪电参数化
    • 总结:如何启用 LNOx 参数化
  • 闪电-NOx 参数化的详细 namelist 控制选项设置
    • 物理过程部分的 namelist 控制项(Physics Section)
    • 化学过程部分的 namelist 控制项(Chemistry Section)
      • ① 选择 LNOx 排放方案
      • ② 控制每次闪电释放的 NO 数量
      • ③ 其他化学 namelist 控制项
    • 示例配置参考
  • 参考

本博客参考 WRF-Chem 用户手册附录 C:闪电-NOx 参数化(Lightning-NOx Parameterization),对WRF-Chem 中启用和配置闪电生成氮氧化物(LNOx)的参数化方案进行详细介绍。

闪电-NOx 参数化(Lightning-NOx Parameterization)概述

LNOx(Lightning-Generated NOx)是指由闪电活动生成的氮氧化物(NOx,主要是 NO)。这种机制对于高层大气中的臭氧和氧化性有重要影响。

WRF-Chem 提供了一套物理参数化方案,用于估算:

  • 闪电频率(闪电发生率)
  • 空间分布(水平和垂直)
  • 每次闪电生成的 NO 数量

参数化方案的来源与模块

  • 参数化基于 Price and Rind (1992)(简称 PR92)方案,并结合:
    • Barth et al., 2012
    • Wong et al., 2013 的改进

模块调用结构:

功能模块名调用路径
闪电频率估算module_lightning_driver.Fdyn_em/solve_em.F 调用
每次闪电产生 NO 的估算module_lightning_nox_driver.Femissions_driver.F 调用

输出变量参考(在 wrfout 文件中)

变量名描述
ic_flashrate云内闪电速率
cg_flashrate地闪速率
ic_flashcount累计云内闪电次数
cg_flashcount累计地闪次数
no_emiss_flash(可能)每次闪电产生的 NO 排放强度

在 namelist.input 中启用闪电参数化

① 设置 physics 部分的 lightning_option 参数

该选项控制闪电发生率的估算方法,支持以下几种:

lightning_option描述
1PR92 基于最大垂直速度 w;适用于对流分辨模拟(显式对流)
2PR92 基于 20 dBZ 云顶高度;适用于对流分辨模拟
11PR92 基于对流参数化方案中的浮力层高度(LNB);适用于对流参数化模拟(隐式对流),例如 GD 或 G3 cu 方案,适用网格尺度 10 km < dx < 50 km

② 模型输出的 4 个新变量

启用闪电参数化后,WRF-Chem 会输出以下四个新二维变量:

变量名单位含义
ic_flashrate闪电数/秒云内闪电强度(瞬时)
cg_flashrate闪电数/秒地闪强度(瞬时)
ic_flashcount闪电次数云内闪电累计数
cg_flashcount闪电次数地闪累计数

✅ 若要计算某时间段内的闪电次数:
用当前 flashcount 减去前一时间步的值,再除以时间间隔 dt


⚙️ 设置 IC:CG 比例(Intra-cloud : Cloud-to-ground)

雷电分为 IC(云内)和 CG(云对地),它们产生的 NOx 不同,需区分处理。


③ 设置 iccg_method 控制 IC:CG 比率的来源:

iccg_method描述
0默认方法(视 lightning_option 而定,当前默认使用 2)
1常数比值,由 namelist 中 iccg_prescribed_numiccg_prescribed_den 指定
2使用 1995–1999 年 NLDN/OTD 氯气气候资料(Boccippio et al. 2001)
3PR93 基于冷云深度的参数化方法
4从输入文件(如 wrfinput)中读取格点化的比值(数组:iccg_in_num, iccg_in_den

总结:如何启用 LNOx 参数化

参数示例设置说明
lightning_option1 / 2 / 11控制闪电发生率估算方法
iccg_method0 ~ 4控制 IC:CG 比率的计算方式
iccg_prescribed_num, iccg_prescribed_den3, 1(例如)iccg_method=1 时设定
emiss_opt必须支持 LNOx 排放需配合化学模块使用
chem_opt包括 NOx 机制化学机制应支持 NO 反应链

应用建议

使用场景建议设置
高分辨率显式对流模拟 (dx < 10 km)lightning_option = 1 or 2
对流参数化模拟(dx ≈ 12~36 km)lightning_option = 11
需要地区性闪电统计数据iccg_method = 2 or 4
对 NOx 敏感的臭氧或氧化性模拟强烈推荐启用 LNOx 参数化

闪电-NOx 参数化的详细 namelist 控制选项设置

物理过程部分的 namelist 控制项(Physics Section)

这些参数位于 namelist.input 文件的 &physics 区块中,用于控制闪电发生率和 IC:CG(云内:云对地)闪电比率的细节。

namelist 选项说明
iccg_prescribed_numIC:CG 比率的分子部分。用于 iccg_method=1 或 4。默认值 = 0
iccg_prescribed_denIC:CG 比率的分母部分。用于 iccg_method=1 或 4。默认值 = 1
iccg_in_numwrfinput 文件中读取的格点化 IC:CG 比率的分子。每个格点有值
iccg_in_denwrfinput 读取的格点化 IC:CG 比率的分母。若某格点 iccg_in_num=0 且 iccg_in_den=0,则使用 iccg_prescribed_num/den
lightning_dt闪电参数化调用时间间隔(单位:秒),默认为模型时间步长
lightning_start_seconds闪电参数化开始时间(单位:秒),建议至少设置为 600 秒(10 分钟)用于 spin-up
flashrate_factor用于调整预测闪电频率的因子。lightning_option=11 时 dx=10~50 km 建议设为 1.0,其他需手动调优
cellcount_method闪电源统计方法(用于 lightning_option=1,2):
0 = 模型自动选择
1 = tile 范围(适合大区域)
2 = 整个 domain 范围(适合单个风暴)
cldtop_adjustment用于 lightning_option=11 的 LNB(浮力层顶)高度调整(单位 km),默认 0,推荐 2 km

IC:CG 比率数据说明

  • iccg_in_numiccg_in_den 是二维数组(格点数据),需由用户提供并插值到 WRF 网格
  • 写入 wrfinput 的方式需通过前处理工具实现
  • 若某格点数据为 0,则回退使用 iccg_prescribed_num/den

化学过程部分的 namelist 控制项(Chemistry Section)

这些参数位于 namelist.input 文件的 &chem 区块中,控制 NO 的排放方式、数量和垂直分布。

① 选择 LNOx 排放方案

lnox_opt描述
1IC+CG 共用一个垂直分布(Ott et al., 2010);生成 NO 和被动示踪物(tracer)
2IC 和 CG 分别使用不同的垂直分布(DeCaria et al., 2000);输出两个 tracer:lnox_ic, lnox_cg

② 控制每次闪电释放的 NO 数量

namelist 选项说明
N_IC每次 IC 闪电释放的 NO 摩尔数(默认 500)
N_CG每次 CG 闪电释放的 NO 摩尔数(默认 500)

对于 lnox_opt=1,NO 总量为根据 IC:CG 比率加权平均的结果。

③ 其他化学 namelist 控制项

namelist 选项说明
lnox_passive是否只输出被动 tracer:
.true. 只输出 tracer,不排放 NO
.false. 输出 NO 和 tracer(默认)
ltng_temp_upperlnox_opt=2 中,IC 垂直分布的上峰温度(单位:°C)
ltng_temp_lowerlnox_opt=2 中,IC 与 CG 垂直分布的下峰温度(单位:°C)

示例配置参考

示例配置参考如下:

&physicslightning_option       = 11,iccg_method            = 1,iccg_prescribed_num    = 3,iccg_prescribed_den    = 1,flashrate_factor       = 1.0,lightning_dt           = 60,lightning_start_seconds= 600,cellcount_method       = 2,cldtop_adjustment      = 2,
/&chemlnox_opt               = 2,N_IC                   = 500,N_CG                   = 500,lnox_passive           = .false.,ltng_temp_upper        = -40,ltng_temp_lower        = -5,
/

参考

http://www.xdnf.cn/news/1204183.html

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