【WRF-Chem工具】grid_finn_fire_emis_v2020 工具官方用户指南解析

目录1. 工具概述 (General Introduction)2. 针对 WRF 用户的特别说明 (SPECIAL NOTES FOR WRF)A. 输出文件与烟羽抬升 (Plume Rise)B. 变量、单位与植被类型C. 运行前提条件非常重要D. 时间分辨率与日变化E. WRF namelist.input 配置要求3. fire_emis 编译与运行编译源代码 (Compiling the fire_emis source code)运行程序 (Running fire_emis)4. 配置文件 fire_emis.inp 详解文件与目录设置时间与模型设置网格与属性设置物种映射设置 (Mapping)WRF 专属及调试选项 (Optional)CESM2 模型使用 MOZART-T1 化学机制和 MAM4 气溶胶模型时特殊变量计算方法一、 气溶胶粒子数变量 (Aerosol Particle Number Variables) 的单位转换二、 IVOC 和 SVOCVBS-SOA 前体物的计算公式WRF-GHGs模型需要 FINN数据为什么需要 Speciation模拟温室气体CO2, CH4需要复杂的 Speciation 吗参考fire_emis 工具可在官网下载链接-Fire Emission Factors and Emission Inventories下载本博客结合官方提供教程总结 fire_emis工具的功能、输入输出要求以及针对 WRF-Chem 用户的特殊注意事项。fire_emis 工具也可根据此链接下载GitHub-NCAR/WRF-Chem-Preprocessing-Tools1. 工具概述 (General Introduction)功能这是一个 Fortran 程序主要用于将 NCAR 提供的 FINN 火源排放数据文本格式支持 FINNv1.5 或 FINNv2进行网格化处理。输出格式它可以生成供 WRF-Chem 使用的 NetCDF 格式文件也可以生成供全球模型如 CAM-Chem使用的经纬度网格或非结构化网格文件。版本差异注意指南特别提醒FINNv1.5 和 FINNv2 在包含的化学物种和数据列数上有所不同使用前务必阅读官网提供的 FINN2 README 文件。相关疑问可查询论坛-wrf-chem-fire_emiss2. 针对 WRF 用户的特别说明 (SPECIAL NOTES FOR WRF)这部分是核心内容规定了在 WRF-Chem 中使用该工具生成的数据时必须遵守的规则A. 输出文件与烟羽抬升 (Plume Rise)文件命名生成的 NetCDF 文件命名格式为wrffirechemi_dnn_date_time例如wrffirechemi_d01_2022-08-15_00:00:00。燃烧类型这些数据集是专门为开启了烟羽抬升 (plume rise)选项的 WRF-Chem 模拟设计的。如果使用的是提供的 “base”基础火源排放数据生成的文件中将同时包含阴燃 (smoldering) 和明火 (flaming) 的排放量。B. 变量、单位与植被类型生成的文件中包含三类主要变量物种排放量 (ebu_in_species_name)例如 CO 的排放变量名为ebu_in_co。气相 (gas phase) 物种的单位是moles/km^2/hr气溶胶 (aerosol) 物种的单位是ug/m^2/s植被覆盖率 (MEAN_FCT_type)代表 WRF 每个水平网格内特定植被类型的平均面积比例。火灾面积 (FIRESIZE_type)代表 WRF 每个水平网格内特定植被类型的火灾面积单位为 km²目前程序限制最大值为 2 km²。四种type植被类型代码AGTF 热带森林 (tropical forest)AGEF 温带/热带外森林 (extra tropical forest)AGSV 稀树草原 (savanna)AGGR 草地 (grassland)C. 运行前提条件非常重要需要 wrfinput 文件在运行fire_emis之前必须已经为每个模拟区域生成了 WRF 的初始条件文件即wrfinput_d01,wrfinput_d02等。程序需要读取这些文件来获取网格信息。需要植被地图 (Vegetation maps)程序在进行网格化时需要用到植被地图数据。这些数据可以在指南提供的链接中下载。关键要求下载的植被地图文件必须与原始的 FINN 文本文件放在同一个文件夹中。D. 时间分辨率与日变化FINN 原始数据通常是日均排放量。fire_emis程序会应用一个日变化因子 (diurnal factor)目前使用的是 “WRAP” 日变化曲线将日排放量分配到各个小时从而输出逐小时 (hourly)的 WRF 排放文件。E. WRF namelist.input 配置要求因为生成的文件同时包含了阴燃和明火排放为了让 WRF-Chem 正确处理这些数据用户必须在 WRF 的namelist.input文件中设置scale_fire_emiss .true.同时选择的化学方案chemistry option必须是支持这种排放量缩放的方案。3. fire_emis 编译与运行编译源代码 (Compiling the fire_emis source code)在运行程序之前需要先将 Fortran 源代码编译成可执行文件。基本编译命令进入源代码所在的目录通常是./src/然后执行提供的编译脚本./make_fire_emis选择编译器 (Compiler)默认情况下该脚本被设置为在 Linux/Unix 系统上使用 PGI Fortran90 编译器 (pgf90)。更改编译器如果想使用其他编译器比如常用的 Intel 编译器或 GNU 编译器需要在运行编译脚本之前设置环境变量FC。在sh, bash, 或 ksh终端中exportFCifort在csh 或 tcsh终端中setenv FC ifort目前支持的编译器pgf90(PGI),gfortran(GNU),ifort(Intel)。配置 NetCDF 库路径该程序依赖于 NetCDF 库具体需要libnetcdf.a文件。编译脚本会尝试自动寻找这个库。但自动寻找并不总是可靠的。手动设置路径如果编译报错找不到 NetCDF您需要手动设置NETCDF_DIR环境变量指向 NetCDF 安装目录。例如在 ksh/bash 中exportNETCDF_DIR/usr/local/netcdf-3.6.2注意脚本会自动在提供的路径后面加上/lib。所以按照上面的例子脚本会去/usr/local/netcdf-3.6.2/lib目录下寻找libnetcdf.a文件。请确保路径设置正确。运行程序 (Running fire_emis)编译成功后会生成一个名为fire_emis的可执行文件。基本运行命令fire_emisfire_emis.inpfire_emis.out输入与输出重定向说明 fire_emis.inp这是必须的 (Required)。程序需要通过重定向输入来读取配置文件namelist 文件。fire_emis.inp只是一个示例文件名可以将其命名为任何有效的名字例如my_config.inp。 fire_emis.out这是可选的 (Optional)。这会将程序运行时的日志信息保存到fire_emis.out文件中方便检查运行状态或排查错误。如果不加这一段日志会直接打印在屏幕上。输出文件的保存位置最佳实践建议重要提示程序生成的 NetCDF 排放文件会直接保存在当前执行命令所在的目录下而不是程序所在的目录。官方建议的操作方式为了保持文件整洁建议新建一个专门用于存放输出文件的文件夹在那个文件夹里执行命令。创建并进入一个新的工作目录。将配置文件如fire_emis.inp复制到这个新目录中。使用绝对路径或相对路径调用可执行文件来运行。示例/home/FINN/src/fire_emisfire_emis.inpfire_emis.out这样生成的wrffirechemi_d...文件就会整齐地保存在当前的工作目录中。4. 配置文件 fire_emis.inp 详解这部分内容详细介绍了运行fire_emis程序所必需的输入配置文件通常命名为fire_emis.inp中的各项参数Namelist variables。程序会根据这些参数来决定如何读取原始数据、如何处理以及如何输出。文件与目录设置fire_directory: 存放原始 FINN 数据文件*.txt的目录路径。注意路径末尾必须包含斜杠/例如/myhome/FIRE_data/。fire_filename(1): 原始 FINN 数据的文件名必须是.txt格式。进阶用法可以通过添加fire_filename(2)等最多指定 5 个文件。如果指定了多个文件这些文件中的时间必须是连续的不能有间断。wrf_directory: 仅当 Model 为 WRF 时使用指定 WRF 输入文件wrfinput_dnn所在的目录。注意路径末尾必须包含斜杠/。mdlDir: 仅限 CAMSE 模型存放网格数据文件的目录。默认值为当前工作目录./。mdlFilenm: 仅限 CAMSE 模型描述网格结构的文件名必须是.nc格式。时间与模型设置start_date: 输出排放数据的开始日期格式必须为YYYY-MM-DD。end_date: 输出排放数据的结束日期格式必须为YYYY-MM-DD。output_timing: 输出的时间分辨率可选值为daily每日或monthly每月。Model: 目标气象/化学模型可选值为WRF、CAMFV或CAMSE。此选项非常重要它决定了后续参数的使用方式以及输出网格的格式。网格与属性设置resol: 输出网格的分辨率。CAMFV: 需要指定具体分辨率如0.5x0.5,1x1,1.9x2.5等。CAMSE: 仅用作输出文件命名时的标签。WRF: 不使用此参数。EmisType: 排放类型标签如bb_surface仅用于生成输出文件的文件名。FinnVers: FINN 数据版本标签如1.5,2.2MOD仅用于生成输出文件的文件名。defaultUnits: 默认单位通常为molecules/cm^2/s。这仅用于给输出文件添加单位属性标签。如果需要进行实际的数值单位转换必须在下面的映射参数glb2fire_map中通过缩放因子来实现。物种映射设置 (Mapping)glb2fire_map: 适用于 CAMFV 或 CAMSE定义全局模型变量与 FINN 排放变量之间的映射关系。最多支持 500 个变量。气体格式:输出物种名 - 缩放因子*输入物种名。FINN 中的气体单位默认为 moles/day代码会自动将其转换为 molecules/cm^2/s。气溶胶格式:输出物种名 - 缩放因子*输入物种名;aerosol。FINN 中的气溶胶单位为 kg/day必须在末尾加上;aerosol代码才会正确地将其转换为 molecules/cm^2/s。wrf2fire_map: 适用于 WRF定义 WRF 变量与 FINN 排放变量的映射关系。示例 1:co - CO将 FINN 的 CO 映射给 WRF 的 co。示例 2:hc3 - alk2 1.11 * alk3 0.4 * meoh支持组合与缩放。WRF 专属及调试选项 (Optional)domains: 仅限 WRF可选嵌套网格的数量默认值为1。如果设置为2程序会在wrf_directory中同时寻找wrfinput_d01和wrfinput_d02文件。max_fire_size: 仅限 WRF可选最大火灾面积默认值为2平方公里。diag_level: 诊断日志的输出级别。默认值为100输出最少的诊断信息。如果程序运行报错可以将其设置为400此时会输出最详细的诊断信息有助于排查错误。CESM2 模型使用 MOZART-T1 化学机制和 MAM4 气溶胶模型时特殊变量计算方法因为不同的气溶胶和挥发性有机物在模型中需要的单位或物质形态不同这里提供了一系列缩放因子Scaling Factors和转换公式供在编写namelist特别是glb2fire_map时使用。一、 气溶胶粒子数变量 (Aerosol Particle Number Variables) 的单位转换在 MAM4 气溶胶模型中黑碳BC和初级有机物POM的粒子数变量num_bc_a4和num_pom_a4使用了特殊的复合单位((particles/cm2/s)(molecules/mole)(g/kg))。为了将基础的摩尔排放量emis_mol转换为模型需要的粒子数排放量emis_num官方提供了一个通用物理公式通用公式:emis_num emis_mol * mw / (rho * (PI/6) * (diam)^3)mw: 分子量 (Molecular Weight)rho: 密度 (Density)diam: 粒子直径 (Diameter)基于上述通用公式图片给出了两种具体物质的最终换算系数1. 黑碳粒子数 (num_bc_a4)物理参数代入: 分子量12, 密度1700, 直径0.134e-6最终缩放因子:5.60298303e18应用: 在 namelist 中你需要将 BC 排放量乘以这个巨大的系数。2. 初级有机物粒子数 (num_pom_a4)物理参数代入: 包含了一个 1.4 的有机碳(OC)到有机物(OM)的转换系数分子量12, 密度1000, 直径0.134e-6最终缩放因子:1.33350996e19应用: 在 namelist 中你需要将 OC 排放量乘以这个系数。二、 IVOC 和 SVOCVBS-SOA 前体物的计算公式这部分说明了如何利用 FINN 排放清单中已有的基础挥发性有机化合物VOCs通过线性组合来计算出模型需要的中等挥发性有机化合物 (IVOC)和半挥发性有机化合物 (SVOC)。1. IVOC 的计算 (区分 FINN 版本)IVOC 是由多种基础 VOCs 按特定比例累加而成的。由于不同版本的 FINN 清单对芳香族化合物Aromatics的分类细致程度不同计算公式也有所区别针对 FINN v1.5 版本:特点: 在 v1.5 中TOLUENE甲苯是一个集总变量它代表了苯(benzene) 甲苯(toluene) 二甲苯(xylenes) 的总和。公式: 使用图片中给出的第一长串系数。注意最后一项直接是 0.1*TOLUENE因为此时的 TOLUENE 已经包含了所有芳香烃。针对 FINN v2 版本:特点: 在 v2 中BENZENE苯、TOLUENE甲苯和XYLENES二甲苯是独立提供的变量。公式: 前面的非芳香烃系数与 v1.5 相同但末尾的芳香烃部分被拆分成了三项 0.0848*BENZENE 0.1*TOLUENE 0.1152*XYLENE。2. SVOC 的计算 (需特别注意气溶胶标签)SVOC 是基于有机碳OC计算得出的。基础公式:SVOC 0.6 * 12. / 310. * 1.4 * OC最终缩放因子:0.03251613⚠️ Namelist 填写规范:正如图片最后一行所示在填写glb2fire_map时格式必须为SVOC 0.03251613*OC;aerosol(注这里印证了之前提到的规则因为基础变量 OC 属于气溶胶单位是 kg/day所以映射规则末尾必须加上;aerosol程序才能正确进行单位换算。)WRF-GHGs模型需要 FINN数据FINNFire INventory from NCAR是生物质燃烧野火、农业秸秆焚烧等的排放清单。CO2 的主要来源除了人类化石燃料燃烧森林大火和草原火灾是全球 CO2 排放的巨大来源。CH4 的主要来源生物质在不完全燃烧时会释放大量的甲烷CH4。如果模拟的区域或时间段内存在野火或农业火灾例如春季的农业焚烧、夏季的森林大火如果不加入 FINN 数据模型输入就会缺失这部分巨大的排放源导致模拟出的 CO2 和 CH4 浓度偏低。为什么需要 Speciation大气化学模型如 WRF-Chem 或 CESM有多种不同的“化学机制”如 MOZART, RADM2, SAPRC 等。自然界燃烧释放的挥发性有机物VOCs成百上千种模型无法逐一计算。因此不同的化学机制会将这些复杂的物质“打包”Lumping成不同的代表性变量。例如某种机制将所有大分子烷烃打包叫BIGALK而另一种机制可能把它叫做ALK4。Speciation 的作用就是提供一个“翻译字典”把 FINN 原始数据中的基础物质按照特定化学机制的要求按比例拆分或组合成模型认识的变量就像您在上一张图里看到的 IVOC 和 SVOC 的复杂计算公式。模拟温室气体CO2, CH4需要复杂的 Speciation 吗不需要复杂的分配但需要进行基础的“映射Mapping”。原因CO2 和 CH4 是结构非常简单且明确的分子。在几乎所有的化学机制中它们都不会被和其他物质“打包”混在一起它们的名字通常就直接叫CO2和CH4。实际操作在模拟温室气体时不需要像处理 VOCs 或气溶胶那样去查阅复杂的转换系数。只需要在namelist如wrf2fire_map或glb2fire_map中写下最简单的1:1 映射即可。例如co2 - CO2和ch4 - CH4。总结虽然温室气体不需要复杂的化学物种拆分Speciation但依然需要使用这个工具的“映射功能”告诉程序“请把 FINN 原始文本里的 CO2 和 CH4 数据提取出来原封不动地放进我的网格文件里”。参考