【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.F | 从 dyn_em/solve_em.F 调用 |
每次闪电产生 NO 的估算 | module_lightning_nox_driver.F | 从 emissions_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 |
---|---|
1 | PR92 基于最大垂直速度 w;适用于对流分辨模拟(显式对流) |
2 | PR92 基于 20 dBZ 云顶高度;适用于对流分辨模拟 |
11 | PR92 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_num 和 iccg_prescribed_den 指定 |
2 | 使用 1995–1999 年 NLDN/OTD 氯气气候资料(Boccippio et al. 2001) |
3 | PR93 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_option | 1 / 2 / 11 | 控制闪电发生率估算方法 |
iccg_method | 0 ~ 4 | 控制 IC:CG 比率的计算方式 |
iccg_prescribed_num , iccg_prescribed_den | 3, 1(例如) | 当 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_num | IC:CG 比率的分子部分。用于 iccg_method=1 或 4 。默认值 = 0 |
iccg_prescribed_den | IC:CG 比率的分母部分。用于 iccg_method=1 或 4 。默认值 = 1 |
iccg_in_num | 从 wrfinput 文件中读取的格点化 IC:CG 比率的分子。每个格点有值 |
iccg_in_den | 从 wrfinput 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_num
和iccg_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 |
---|---|
1 | IC+CG 共用一个垂直分布(Ott et al., 2010);生成 NO 和被动示踪物(tracer) |
2 | IC 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_upper | 在 lnox_opt=2 中,IC 垂直分布的上峰温度(单位:°C) |
ltng_temp_lower | 在 lnox_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,
/