自适应网格大气化学输送模式关键算法与检验研究

The air quality model is commonly used in the structured (regular) mesh. With the restriction of computational resources, there are great limits to characterize meticulously the decentralized local strong emission of China (such as industrial and power plant point sources). Only in the way of grid nesting can the structured mesh model improve the simulation accuracy of the specified regions, which is difficult to achieve the multi-scale atmospheric compound pollution simulation. Therefore, based on the adaptive mesh computational fluid dynamic model (Fluidity) of Imperial College of London and the air quality model prototype, NAQPMS developed by the Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, we focus on designing several key algorithms of adaptive mesh atmospheric chemistry transport model: 1) To optimize the adaptive mesh generation algorithm for the emission and transportation of air pollution in China, which can be used for the adaptive encryption of 3D unstructured meshes based on the point source location, the critical transport path and the boundary layer height; 2) To design a conservative interpolation algorithm under adaptive mesh adjustment; 3) To construct an efficient algorithm for adaptive mesh transport module. Based on the above algorithms, we will design and implement experiments to test the simulation effect by coupling atmospheric chemistry module and adaptive transport module.

目前空气质量模式普遍采用的是结构（规则）网格，在计算资源约束下，在精细刻画我国污染源的分散式局地强排放特征（如工业、电厂点源）方面有很大的局限性。这些规则网格模式只能通过网格嵌套的方式，来提高对特定区域的模拟精度，无法实现真正意义上的多尺度大气复合污染模拟。为此，本项目拟基于英国帝国理工学院的自适应网格流体模式Fluidity开发平台，以中国科学院大气物理研究所自主研发的NAQPMS模式作为空气质量模式原型，重点解决自适应网格大气化学输送模式的几个关键算法：1）适合中国大气污染排放与输送特征的自适应最优网格的生成算法，能够根据点源位置、关键输送路径和边界层高度进行三维非结构网格的自适应加密。2）网格自适应调整后的守恒插值算法；3）自适应网格输送模块的高效算法。本研究在上述算法基础上，通过实现大气化学模块与自适应输送模块的耦合，设计和实施对模拟效果和效率的检验。

如何精细刻画我国污染源的分散式局地强排放特征（尤其是对工业、电厂点源），是提高空气质量模式预报水平的关键。本项目基于英国帝国理工学院应用计算与建模小组（AMCG）的自适应网格流体模式Fluidity开发平台，探讨自适应网格技术在实际大气污染模拟应用中的优势及存在问题。本项目通过优化自适应网格生成算法，设计基于超级网格Galerkin投影的守恒插值方案，构造出基于污染源强的自适应最优网格，结合高效的准Crank-Nicolson隐式格式设计，可实现对各城市的高效率高精度同步模拟。通过自适应输送模块与大气化学模块的耦合，将单物种的自适应输送模拟拓展到多物种的复合污染模拟，为今后实现真正意义上的跨（多）尺度大气复合污染模拟奠定基础。利用动态自适应网格追踪技术，实现对工业、电厂点源的跨尺度大气复合污染模拟，突破现有模式的模拟能力范围，为传统大气污染模拟研究提供新的思路和方法，为进一步研发适合我国大气污染状况的自适应网格大气化学输送模式提供重要的技术支持。