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CALPUFF并行計算系統在大氣污染解析應用研究

【摘要】:

1、背景:

Ø CALPUFF模式系統主要包括:

Ø CALMET

Ø CALPUFF

Ø CALPOST

Ø 氣象、地理數據等預處理程序

CALMETCALPUFF模型的運算量較大,運行計算需耗費大量的時間,效率較低,不足以支撐對CALMETCALPUFF模型業務化應用的需求。

存在問題:

1、串行計算速度慢

2、無法調用超級計算機計算資源

例如,評審會后,要求短期內重新計算CALPUFF (一個周內) 。

一些模擬項目,CALPUFF計算需要半個月甚至更長。

2、研究方法:

1、CALPUFF模型并行計算的實現

CALPUFF模型的各個獨立處理步驟進行全面的分析、集成,開發操作方便、性能可靠、基于Linux命令行的CALPUFF并行計算系統,以提高大氣模擬業務的工作效率。

2、CALMET地面氣象數據轉換模塊集成

構建并集成CALMET地面氣象數據轉換在線服務系統,實現CALMET地面氣象數據自動標準化處理、輸出等功能,構建并集成CALMET地面氣象數據轉換模塊,實現CALMET地面氣象數據自動標準化處理、輸出等功能

3、CALPUFF計算在線業務系統構建

設計CALPUFF高效計算在線業務化運行方案,開發CALPUFF計算在線業務系統,包含完整用戶及系統權限管理、訂單服務、計算后臺、計算進度監控(如短信消息提醒等方式)等功能,實現CALPUFF模型多線程計算系統的業務化運行。

3.系統簡介

云計算:

云計算的邏輯:

1、海量CPU

2、海量存儲

4、案例分析

唐山市重點行業大氣模擬效果

Ø 建立適用于唐山的CALPUFF并行計算模型,突破CALPUFF計算量瓶頸;采用開發的3D.DAT數據、O3背景值、污染源清單數據

l   200→1400

Ø 采用天河一號計算資源開展大氣預測,有力的提高了CALPUFF模型計算速度(與普通PC相比,速度提高1000倍以上)

l 1個月→1

l 1CPU→1000CPU

結果分析

    現狀模擬結果顯示,2013年唐山鋼鐵行業排放大氣污染物對該市東北部地區影響較大,鋼鐵行業對唐山市各監測點SO2、NOx、PM10、PM2.5年均最大貢獻濃度比例為17.77%、47.05%、20.04%、16.91%

    本研究模擬結果與唐山城市已有解析結果較為一致。唐山市環保局:冶金行業是其PM2.5主要來源(貢獻率為20.67%

本研究分析了唐山市重點行業每一個大氣污染源(共1400個)對其空氣質量的貢獻,為下一步大氣污染預警、大氣污染治理提供了精確目標。

CALPUFF并行計算服務優點

1、提高運算速度,彌補了CALPUFF單線程運算方式效率較低的問題

2、基于全國高分辨率30米土地利用數據、地形數據,避免了低分辨數據對模擬效果干擾

3、同化氣象場來源于全國3km×3km高分辨率地面格點實況氣象數據集(融合全球的衛星、國內的174部雷達、國內5萬多個自動觀測站、探空觀測等實時數據源),可為模式提供更為精細客觀的模式初始場和邊界場,極大提高了模擬準確率

4、基于全國各城市臭氧背景濃度集,改善了模型化學反應模塊計算

5、精確分析每個大氣污染源對區域空氣質量的貢獻,為排污許可、污染源解析、三線一單、規劃環評等提供技術支撐

致謝

The work was carried out at National Supercomputer Center in Tianjin, and the calculations were performed on TianHe-1A.

此項工作是在國家超級計算天津中心的“天河一號超級計算機上完成,感謝天河一號的大力支持。