气象模型

论文结构
氡的基本性质，危害与应用
了解室外大气中氡及其子体所致剂量
氡的连续测量与结果分析 模型基本原理
大气弥散性放射性物质的运移与扩散 其他类似污染物的输运信息
气象模式MM5
氡扩散模型的数值解 两个模块的耦合 Nhomakorabea模型基本原理
计算结果与测值的比较分析 论文结构示意图
1. 模型结构 2. 基本方程 3. 氡扩散模型
氡扩散模型
模型的网格方案
氡扩散模型数值解的网格定义(Zhang,2005)
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 17
氡扩散模型
主方程离散
∂C ∂ ⎛ ∂C ⎞ = ⎜K ⎟ − λC ∂t ∂z ⎝ ∂z ⎠
a
=0
l +1 kk +1 k +1
氡的危害
– 氡和其子体所致的辐射照射是肺癌的重要诱因之一
氡的应用
– 重要的室内环境指标 – 地震监测，污染物输运
222 86
Rn
3
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
氡的连续测量和结果分析
测量仪器ERM－B1
– – – 静电式氡监测仪 LLD：0.48Bq/m3 测点：技物楼放化实验室
________
∂ ρ ∂ρ u ∂ρ v ∂ ρ w ∂ ⎛ ∂ρ ⎞ ∂ ⎛ ∂ ρ ⎞ ∂ ⎛ ∂ρ ⎞ + + + − ⎜ Kx − ⎜ Ky ⎟ − ⎜ Kz ⎟ ⎟=0 ∂t ∂x ∂y ∂z ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠
ρ ⇔C
∂C ∂uC ∂vC ∂wC =− − − ∂t ∂x ∂y ∂z ∂ ⎛ ∂C ⎞ ∂ ⎛ ∂C ⎞ ∂ ⎛ ∂C ⎞ + ⎜ Kx ⎟ + ⎜ Kz ⎟ + ⎜ Ky ⎟ ∂x ⎝ ∂x ⎠ ∂y ⎝ ∂y ⎠ ∂z ⎝ ∂z ⎠ + S − λC
FDDA (四维数据同化)
– 分析逼近（Analysis or Grid Nudging）
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 14
MM5的数据I/O
输入
TERRAIN
– USGS： 25种植被分类 全球 2’
输出
湍流热交换系数
REGRID
– NCEP Final Analysis ds083.2 全球 1o×1o 6小时
气象模式MM5 氡扩散模型的数值解 两个模块的耦合
气象模式MM5
计算结果与测值的比较分析
氡扩散模型的数值解 氡的基本性质,危害与应用 两个模块的耦合 氡的连续测量与结果分析
1. 测量仪器 2. 统计结果 论文结构示意图 计算结果与测值的比较分析 3. 日变化，年变化 论文结构示意图 4. 与气象参数的关系
7
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
模型结构
地形数据
气象分析数据 观测数据
气象模式MM5
风场数据 湍流扩散系数
氡的输运模型
室外氡浓度
氡析出率数据 模型的结构图
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 8
系数
akk +1 =
∂C =E ∂z z = 0
τ Kk +1/ 2
( zk +1 − zk −1 )( zk +1 − zk )
akk −1 =
τ Kk +1/ 2
( zk +1 − zk −1 )( zk − zk −1 )
akk = −1− akk +1 − akk−1 −
λτ
2
γ k = − akk +1Ckl +1 − ( akk + 2)Ckl − akk −1Ckl −1
两个模块间的耦合
hj Hi
地 形 高 度
H i −1
h j −1
K j K i −1
Ki
K j −1
MM5输出最底层
Ki =
(1−αHi )
κu*Hi
φh
− 1/2
Ki =
κu*Hi 1+ βHi
z L
空间插值方法示意图
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
ERM原理 (T. Iida, 1996)
测量结果分析（03年）
– 年均值14.1±5.5 Bq/m3； – Max:40.4Bq/m3 Min：2.7Bq/m3 – 月均值9.9±4.1Bq/m3 (5月) ～ 18.5±5.0Bq/m3 (11月)
测量系统实物
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 4
析出率E (S项)
{
– 边条件, 0.03Bq/(m2.s)
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
10
论文结构
氡的基本性质，危害与应用 氡的连续测量与结果分析 模型基本原理
气象模式MM5
氡扩散模型的数值解 两个模块的耦合
气象模式MM5
1. 2. 3. 4. 三个概念 分立代码 物理过程 数据I/O
氡的连续测量和结果分析
与气象因素的关系
–
氡浓度序列与相应各参量序列的相关性
序列 五月 十月 温 度 -0.38 -0.19 气 压 0.19 -0.47 相对湿度 0.34 0.45 风 速 -0.30 -0.36
– 氡浓度随风向的分布
2003年5月
2006-4-7
2003年10月
6
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 9
+ S − λC
2006-4-7
氡扩散模型
垂直扩散模型 ∂C ∂ ⎛ ∂C ⎞ = ⎜ Kz ⎟ + S − λC
∂t ∂z ⎝ ∂z ⎠
– 湍流扩散系数
MM5输出最底层以上，线性内插 MM5输出最底层内 稳定： φh = 1 + β z κu z * K = h φ −1/ 2 h 不稳定：φh = (1 − α z )
15
论文结构
氡的基本性质，危害与应用 氡的连续测量与结果分析 模型基本原理
气象模式MM5
氡扩散模型的数值解 两个模块的耦合
氡扩散模型的数值解
1. 网格定义 2. 方程离散 3. 程序设计
16
计算结果与测值的比较分析 论文结构示意图
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
描述室外大气中氡行为的模型初探
02硕：张立国 导师：郭秋菊
北京大学 物理学院技术物理系
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
1
论文结构
氡的基本性质，危害与应用 氡的连续测量与结果分析
氡的基本性质，危害与应用 氡的连续测量与结果分析
模型基本原理
模型基本原理
C
+ akk C + a
l +1 k
l +1 kk −1 k
C
= γk
边条件
–上 –下
C z=z
−K
max
a k max k max = 1; a k max , k = 0 ( k < k max )
a00 = 1, a01 = −1, a0 k = 0 (k > 1), γ 0 = ( z0 − z1 ) E 2 K1/ 2
21
两个模块间的耦合
MM5的模拟区域
– (39.59N,116.19E), 600km×600km,51×51,12km
时间属性设定
– 0000UTC 1st Oct. 2003-0000UTC 31st Oct.2003 – MM5, FDDA, 10天，共3次，半小时 – 氡扩散模型，30秒，1小时
– yyyy－mm－dd_hhmmss: xxxx – 1200UTC 01 Oct. 2003:格林威治时间2003年10月1日12时整
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 12
2006-4-7
MM5的分立代码
1 2 3 4 5
MM5各分立代码 (/mm5/ 上的MM5文档)
t − p
p RA ⎛ 0 ⎜ ln z = − p 2g ⎜ 00 ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
2 −
RT
⎛ p s o ⎜ ln 0 p 2g ⎜ 00 ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
变量定义
MM5的垂直坐标 MM5网格中的变量 (http://www.mmm.uca 时间坐标 /mm5 上的MM5 – UTC: Universal Time Coordinate，格林威治时间 文档)
19
论文结构
氡的基本性质，危害与应用 氡的连续测量与结果分析 模型基本原理
气象模式MM5
氡扩散模型的数值解 两个模块的耦合
两个模块的耦合
1. 空间和时间插值 2. 运行时的匹配
计算结果与测值的比较分析 论文结构示意图
计算结果与测值比较
1. 全时段比较 2. 区段比较
20
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
LITTLE_R
– NCEP ADP Global Upper Air Observations ds354.4 全球 6小时 – NCEP ADP Surface Observations ds464.4 全球 3小时
2006-4-7
MM5输出的热交换系数
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
k不大于顶层编号？ n 求解线性方程组AC＝γ， 求解线性方程组 按设定输出C，修改当前时间点， k置为底层 计算结束
y
设定底层边条件k＝k+1 设定底层边条件
y K是顶层？ n
设定顶层边条件k=k+1
求解中间层矩阵元，和相应增广列向量，k＝k+1
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
氡的连续测量和结果分析
日变化：
– 最大值出现在6-8时，最小值在16-17时; 傅立叶分析: 日波,半日波
氡浓度日变化(Zhang,2004)
氡浓度序列的傅立叶分析
年季变化
– 最大值多出现在秋季 – 最小值出现在春季
氡浓度年季变化(Zhang,2004)
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 5
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 2
2006-4-7
氡的基本性质,危害和应用
氡的基本性质
– 氡 ,86号元素,零族第六周期,惰性气体,放射性 –
226Ra α 222Rn α 218Po α 214Pb β214Bi β214Po α210Pb 1622y 3.82d 21y 3.05m 26.8m 19.7m 164μs
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 13
MM5中物理过程选项
MM5中的物理过程
– 积云参数化方案：Grell – 边界层方案PBL： MRF PBL – 显示水汽方案：Simple Ice – 辐射方案：Cloud-Radiation-Scheme – 土壤层化方案：Five Soil Layer
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 18
开始
氡扩散模型
程序流程
各参量的初始化(空间网格，模 各参量的初始化( 拟时间，步长，辅助变量等) 拟时间，步长，辅助变量等) 从文件中提取湍流交换系数 getOriginalEDC(…) getOriginalEDC( getOriginalMEDC(…) getOriginalMEDC( n 当前时间点不大于模拟时间？ y 按当前时间点对MM5输出的扩散系数进 按当前时间点对 行时间空间插值 y K是底层？ n
比对地点
– 10米高处的模型输出
2006-4-7 Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU 22
11
计算结果与测值的比较分析 论文结构示意图
2006-4-7
Dept. of Tech.Phy. School of Phy. PKU
MM5中的三个概念
垂直坐标
σ =
p0 − p p
00
t – 方程 – R＝287.04J/(kg-K),g＝9.81m/s2,A＝50K,p00＝105Pa,Ts0＝275K.
氡输运模型基本原理
基本方程
∂ρ ∂ρu ∂ρv ∂ρ w + + + =0 ∂t ∂x ∂y ∂z
u = u + u '...; ρ ' u ' = − K x
______
∂ρ ... ∂x
___
∂ρ ' u ' ∂ ρ ' u ' u ' = 0...; = ...; ∂x ∂x
__________