[CM2015] Chapter 8 - Chemistry Transport Model

Chapter 8

Chemistry Transport Model化学传输模式

中国 上海2013年5月23日Photograph: © Tom Yulsman

Outline

• 基本框架

• 化学反应系统

• 平流过程

基本框架

对于某一种化学物质浓度yi (比如O3浓度)

源-汇项

化学传输模式的动力框架就是有源-汇项的平流方程浓度yi可以是质量浓度，也可以是数浓度

基本框架的维度

• 0D：Box Model相当于封闭体系中的化学反应系统，常用来与Chamber的观测相比较，或用于矫正反应方程组的系数用

• 1D：Column Model早期用于研究大气各化学物种浓度的垂直廓线

• 2D：Meridional Circulation Model用变形欧拉方程组(TEM)进行经向环流的研究，特别是Brewer-Dobson环流

• 3D：现代大气化学传输模式独立、或耦合进气候模式中，研究化学物质长程传输

0D Demo

三种反应物的闭合反应系统

Chamber

化学烟雾箱用于定量测量封闭反应体系的各种化学过程

1D Demo

2D Demo

TEM方程组描述的B-D环流

甲烷 随BD环流的分布

Ox 随BD环流的分布

化学反应系统

排放项Emission

光化学项Photolysis

分子化学项Chemical Reaction

光化学可由一组反应(j)

构成

分子化学可由一组反应

(k)构成

Demo

考虑O-NOx反应体系如下：

则O、O2、NO、NO2四种物质的反应方程可写为：

Numerical Solution

常见的化学反应体系

通常的gas-phase

mechanism包含5-

20个光化学反应、10-100个化学物种

平流过程

• 传统的FTCS (Forward in Time & Centered in Space) 由于计算不稳定，不采用

• Semi-Lagrangian (SL)是CTM最常用的平流方案

• Lax-Wendroff Scheme

• Flux-Corrected Transport Scheme

• Finite Volume FamilyTVD, ENO, WENO …

Semi-Lagrangian 平流方案

2011年日本Fukushima核泄漏的点源传输

Outline

• 基本框架

• 化学反应系统

• 平流过程

• 阅读作业：Chapter 15Chemistry Transport ModelsGuy P. Brasseur & Sasha Madronich