【WRF-Chem 数据准备】转化 CESM2 输出数据为 WRF-Chem 边界/初始数据

文档 “CESM-WRFchem_aerosols_20190822.pdf”-Mapping CAM-chem output to WRF-Chem chemistry schemes，是由美国国家大气研究中心（NCAR）的 ACOM 实验室（Louisa Emmons, Gabriele Pfister, Alma Hodzic 等人）编写的技术指南。

其主要目的是指导研究人员如何将 CESM2（全球气候模式，包含 CAM-chem 或 WACCM 化学模块）的输出数据，映射（Mapping）并转换为 WRF-Chem（区域天气与化学耦合模式）所需的初始条件（IC）和边界条件（BC）。

CESM2 输出数据转化为 WRF-Chem所需数据

为何需要进行映射转化？

核心原因在于尺度嵌套（Downscaling）和模型架构的差异

1、提供初始条件和边界条件 (IC/BC)

WRF-Chem 是区域模式：它只计算地球上一小块区域（例如中国区域或北美区域）。它无法自己产生从区域外部飘进来的污染物。
CESM 是全球模式：它计算整个地球的大气。

需求：为了让 WRF-Chem 模拟得准确，必须告诉它：

• 模拟开始时，空气里有什么？（初始条件 IC）。
• 模拟过程中，从边界（也就是地图边缘）吹进来的空气里有什么？（边界条件 BC）。

转化：我们使用 CESM 的全球数据来填补 WRF-Chem 的 IC 和 BC。

2、解决“语言不通”的问题（化学机制差异）

不同的模型对大气化学物质的分类和命名就像不同的语言：

• 命名差异：CESM 叫hcho，WRF-Chem 可能叫HCHO。这需要简单的翻译。
• 集总（Lumping）差异：大气中有成千上万种有机物，模型不可能全部计算。
  • CESM (MOZART) 可能把几种特定的烯烃合并为一个变量叫BIGENE。
  • WRF-Chem (CBMZ) 可能不按分子种类分，而是按化学键的类型分（如OLET,PAR）。
  • 转化原因：必须通过化学反应原理，将 CESM 的变量拆分或合并，才能对应上 WRF-Chem 的变量。

3、解决“物理描述”的差异（气溶胶表示法）

• CESM (MAM4) 使用“模态法”： 假设气溶胶的大小分布符合几个重叠的“山峰”（对数正态分布）。它存储的是每个山峰的总质量和粒子数。
• WRF-Chem (MOSAIC) 使用“分档法”： 像切蛋糕一样，把气溶胶按直径大小切成 4 块或 8 块（Bins）。它存储的是每一块里的质量。

转化原因：你不能直接把“山峰”塞进“切片”里。必须通过数学积分，计算出每个“山峰”有多少比例落在了第 1 个切片里，有多少落在第 2 个切片里……以此类推。文档中那些复杂的系数（如0.7510）正是这种数学运算的结果。

气相物种映射 (Gas Phase Mapping)

mozbc 是大气科学领域常用的一个预处理工具，它的作用是将全球模式（这里是 CESM2/WACCM6）的输出数据，映射并插值到区域模式（WRF-Chem）的网格上，作为初始条件（IC）和边界条件（BC）。

mozbc.inp 的配置文件示例-用于将来自 CESM2/CAM-chem 和 WACCM6 的输出映射（转换）为 WRF-Chem MOZART 模式所需的气相物种（gas phase species）：

1. 控制参数部分（&control 块）

&control do_bc = .true. ! 是否处理边界条件（boundary conditions） do_ic = .true. ! 是否处理初始条件（initial conditions） domain = 1 ! WRF-Chem 模式的域编号（通常为 1） dir_wrf = '/glade/scratch/pfister/WRFreal_WACCM/' ! WRF 输入文件路径 dir_moz = './' ! MOZART 模型输出文件路径 fn_moz = 'output_WACMM_0001.nc' ! 输入的 MOZART 文件名 moz_var_suffix = '' ! MOZART 变量名的后缀（如有） def_missing_var = .true. ! 如果找不到某些变量是否允许默认处理

2. 物种映射（spc_map）

spc_map = 'o3 -> O3', 'n2o -> N2O', 'no -> NO', ...

这是物种名映射列表，用于将 CESM2/CAM-chem/WACCM6 中的化学物种名与 WRF-Chem 所使用的物种名对应起来。

• 左侧是输入（MOZART）中的变量名。
• 右侧是输出（WRF-Chem）中使用的名称。

例如：

• 'o3 -> O3'表示将 MOZART 文件中的o3映射为 WRF-Chem 中的O3。
• 'no2 -> NO2'表示将no2映射为NO2。

这个列表确保了从 WACCM/CESM 模型输出的变量可以正确输入给 WRF-Chem 模型。

3. 特殊说明：MOZCART 模式下的替换

For MOZCART gas species replace: 'tol -> TOLUENE', 'benzene -> BENZENE', 'xylenes ->XYLENES', with 'tol -> TOLUENE+BENZENE+XYLENES',

如果你使用的是MOZCART（即 MOZART-CART 模式），那么对于芳香族化合物的处理要稍作更改：

• 原本是将tol、benzene、xylenes分别映射为TOLUENE、BENZENE、XYLENES。
• 现在应将它们合并映射为一个复合物种：

  'tol -> TOLUENE+BENZENE+XYLENES'

这表示在 WRF-Chem 中这三个物种将被合并处理，有助于更简洁地处理芳香族排放。

VOC（挥发性有机物）物种在不同化学机制中的映射关系

解释说明

1、该表格用于将MOZART-T1模型使用的挥发性有机化合物（VOC）物种映射到其他化学机制中：

• SAPRC-99
• RADM2
• CBMZ

2、不同化学机制使用不同的反应机理，因此对相同化学物种有不同的命名和处理方式。例如：

• C2H6（乙烷）在：
  • SAPRC-99 中为ALK1
  • RADM2 中为ETH
  • CBMZ 中仍为C2H6
• BIGALK（长链烷烃）在：
  • SAPRC-99 中为ALK3+ALK4+ALK5
  • RADM2 中为HC5
  • CBMZ 中为PAR（代表烷烃类）

3、表格中空白的格子表示该机制中没有显式处理该物种，可能是通过其他代理物种间接表示或完全忽略。

气溶胶物种映射 (Aerosol Mapping)

MAM4 模式下的气溶胶分类

Aerosol Mode（气溶胶模态）
MAM4（Modal Aerosol Model 4）将气溶胶划分为 4 个模态（粒径范围）：

1. Aitken 模态：微小颗粒，生长初期的核化粒子。
2. Accumulation 模态：由凝结或凝聚形成，影响气候和健康。
3. Coarse 模态：大颗粒，比如尘土和海盐。
4. Primary carbon 模态：主要表示黑碳（BC）和有机碳（POM）。

CESM label

• 每种模态在 CESM（Community Earth System Model）中都有对应的后缀（如_a1,_a2），用于识别变量。

Type（类型）
每种模态包含的物质类型，如：

• dst: 沙尘（dust）
• ncl: 海盐（NaCl）
• so4: 硫酸盐
• soa*: 二次有机气溶胶（secondary organic aerosol）
• bc: 黑碳（black carbon）
• pom: 初级有机物（primary organic matter）
• num: 该模态下的气溶胶数量（number concentration）

注：soa*说明：

• 在 VBS-SOA 机制中，soa1-soa5 表示不同挥发度的 SOA；
• 在 MAM-SOA 机制中，统一为soa。

σg（标准偏差）

• 表示对数正态分布的几何标准偏差，决定粒径分布的宽度。
• 值越大，分布越宽。

Size range（粒径范围，单位 µm）

• 每个模态对应的粒径范围。
• 如 Aitken 模态：0.015–0.053 µm，表示极小的粒子。

映射规则说明

格式：

'<WRF-Chem变量> -> <组合表达式> ; <单位因子>'

例如：

'oc_a01->0.0093*pom_a1+0.7510*soal_a2+0.0093*soal_a1+0.7510*soa2_a2+0.0093*soa2_a1+...;1.e9',

• oc_a01: 表示 WRF-Chem 中第 1 个 bin 的有机碳（OC）浓度。
• pom_a1: CESM 中 Accumulation 模态（_a1）的初级有机物。
• soal_a2,soa2_a2: CESM 中 Aitken 模态的二次有机气溶胶。
• 系数如0.0093,0.7510：表示这些变量在转换过程中所占的权重。
• ;1.e9：表示单位换算（通常用于体积浓度 → 质量浓度的转换，例如 ng/m³ → µg/m³）。

MAM4 → WRF-Chem MOSAIC 8-bin 映射列表

WRF-Chem 的 MOSAIC 8-bin 模型

• 将气溶胶按粒径划分为 8 个 bin（大小范围更精细）。
• 每个 bin 中的物种浓度需通过插值/加权组合从 MAM4 模式变量中推算出来。

1. 有机碳（OC）

变量名形式：oc_a0X

• 将 CESM 中的pom,soal,soa1-5按不同模态和比例映射到对应的 MOSAIC bin。
• 如oc_a01,oc_a02, …,oc_a08

'oc_a01->0.0093*pom_a1+0.7510*soal_a2+0.0093*soal_a1+0.7510*soa2_a2+0.0093*soa2_a1+0.7510*soa3_a2+0.0093*soa3_a1+0.7510*so4_a2+0.0093*so4_a1;1.e9', 'oc_a02->0.1123*pom_a1+0.2376*soal_a2+0.1123*soal_a1+0.2376*soa2_a2+0.1123*soa2_a1+0.2376*soa3_a2+0.1123*soa3_a1+0.2376*so4_a2+0.1123*so4_a1;1.e9', 'oc_a03->0.3835*pom_a1+0.0133*soal_a2+0.3835*soal_a1+0.0133*soa2_a2+0.3835*soa2_a1+0.0133*soa3_a2+0.3835*soa3_a1+0.0133*so4_a2+0.3835*so4_a1;1.e9', 'oc_a04->0.3783*pom_a1+0.0001*soal_a2+0.3783*soal_a1+0.0001*soa2_a2+0.3783*soa2_a1+0.0001*soa3_a2+0.3783*soa3_a1+0.0001*so4_a2+0.3783*so4_a1;1.e9', 'oc_a05->0.1077*pom_a1+0.0000*soal_a2+0.1077*soal_a1+0.0000*soa2_a2+0.1077*soa2_a1+0.0000*soa3_a2+0.1077*soa3_a1+0.0000*so4_a2+0.1077*so4_a1;1.e9', 'oc_a06->0.0087*pom_a1+0.0000*soal_a2+0.0087*soal_a1+0.0000*soa2_a2+0.0087*soa2_a1+0.0000*soa3_a2+0.0087*soa3_a1+0.0000*so4_a2+0.0087*so4_a1;1.e9', 'oc_a07->0.0002*pom_a1+0.0000*soal_a2+0.0002*soal_a1+0.0000*soa2_a2+0.0002*soa2_a1+0.0000*soa3_a2+0.0002*soa3_a1+0.0000*so4_a2+0.0002*so4_a1;1.e9', 'oc_a08->0.0000*pom_a1+0.0000*soal_a2+0.0000*soal_a1+0.0000*soa2_a2+0.0000*soa2_a1+0.0000*soa3_a2+0.0000*soa3_a1+0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1;1.e9',

2. 黑碳（BC）

变量名形式：bc_a0X

• 由 CESM 中bc_a1,bc_a4线性加权生成。

'bc_a01->0.0093*bc_a1+0.0093*bc_a4;1.e9', 'bc_a02->0.1123*bc_a1+0.1123*bc_a4;1.e9', 'bc_a03->0.3835*bc_a1+0.3835*bc_a4;1.e9', 'bc_a04->0.3783*bc_a1+0.3783*bc_a4;1.e9', 'bc_a05->0.1077*bc_a1+0.1077*bc_a4;1.e9', 'bc_a06->0.0087*bc_a1+0.0087*bc_a4;1.e9', 'bc_a07->0.0002*bc_a1+0.0002*bc_a4;1.e9', 'bc_a08->0.0000*bc_a1+0.0000*bc_a4;1.e9',

3. 硫酸盐（SO4）

变量名形式：so4_a0X

• 来源于so4_a1,so4_a2,so4_a3的组合。

'so4_a01->0.7510*so4_a2+0.0093*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'so4_a02->0.2376*so4_a2+0.1123*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'so4_a03->0.0113*so4_a2+0.3835*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'so4_a04->0.0001*so4_a2+0.3783*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'so4_a05->0.0000*so4_a2+0.1077*so4_a1+0.0061*so4_a3;1.e9', 'so4_a06->0.0000*so4_a2+0.0087*so4_a1+0.0934*so4_a3;1.e9', 'so4_a07->0.0000*so4_a2+0.0002*so4_a1+0.4020*so4_a3;1.e9', 'so4_a08->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.4983*so4_a3;1.e9',

4. 铵盐（NH4）

变量名形式：nh4_a0X

• 由so4_aX推导，通过硫酸盐中性化近似估算。

'nh4_a01->0.1410*so4_a2+0.0033*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'nh4_a02->0.0461*so4_a2+0.0210*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'nh4_a03->0.0021*so4_a2+0.0210*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'nh4_a04->0.0720*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0175*so4_a3;1.e9', 'nh4_a05->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0755*so4_a3;1.e9', 'nh4_a06->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0935*so4_a3;1.e9', 'nh4_a07->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.4402*so4_a3;1.e9', 'nh4_a08->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.4983*so4_a3;1.e9',

5. 硝酸盐（NO3）

变量名形式：no3_a0X

• 由ncl,so4等决定的中和反应产物。

'no3_a01->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'no3_a02->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'no3_a03->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'no3_a04->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0935*so4_a3;1.e9', 'no3_a05->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.4020*so4_a3;1.e9', 'no3_a06->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.4983*so4_a3;1.e9', 'no3_a07->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9', 'no3_a08->0.0000*so4_a2+0.0000*so4_a1+0.0000*so4_a3;1.e9',

6. 钠盐（NA） + 氯盐（CL）

变量名形式：na_a0X,cl_a0X

• 来源于ncl_a1,ncl_a2,ncl_a3，对应海盐中的阳离子和阴离子。

'na_a01->0.0594*ncl_a2+0.0037*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'na_a02->0.0935*ncl_a2+0.0442*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'na_a03->0.0045*ncl_a2+0.1509*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'na_a04->0.0000*ncl_a2+0.1488*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'na_a05->0.0000*ncl_a2+0.0424*ncl_a1+0.0024*ncl_a3;1.e9', 'na_a06->0.0000*ncl_a2+0.0034*ncl_a1+0.0367*ncl_a3;1.e9', 'na_a07->0.0000*ncl_a2+0.0000*ncl_a1+0.1582*ncl_a3;1.e9', 'na_a08->0.0000*ncl_a2+0.0000*ncl_a1+0.1960*ncl_a3;1.e9', 'cl_a01->0.4555*ncl_a2+0.0056*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'cl_a02->0.1441*ncl_a2+0.0681*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'cl_a03->0.0068*ncl_a2+0.2326*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'cl_a04->0.0000*ncl_a2+0.2295*ncl_a1+0.0000*ncl_a3;1.e9', 'cl_a05->0.0000*ncl_a2+0.0654*ncl_a1+0.0037*ncl_a3;1.e9', 'cl_a06->0.0000*ncl_a2+0.0055*ncl_a1+0.0567*ncl_a3;1.e9', 'cl_a07->0.0000*ncl_a2+0.0001*ncl_a1+0.2439*ncl_a3;1.e9', 'cl_a08->0.0000*ncl_a2+0.0000*ncl_a1+0.3223*ncl_a3;1.e9',

7. 矿尘（Dust）

变量名形式：oin_a0X

• 来源于dst_a1,dst_a2,dst_a3。
• oin表示不溶性无机（dust-like）成分。

'oin_a01->0.7510*dst_a2+0.0093*dst_a1+0.0000*dst_a3;1.e9', 'oin_a02->0.2376*dst_a2+0.1123*dst_a1+0.0000*dst_a3;1.e9', 'oin_a03->0.0113*dst_a2+0.3835*dst_a1+0.0000*dst_a3;1.e9', 'oin_a04->0.0001*dst_a2+0.3783*dst_a1+0.0002*dst_a3;1.e9', 'oin_a05->0.0000*dst_a2+0.1077*dst_a1+0.0061*dst_a3;1.e9', 'oin_a06->0.0000*dst_a2+0.0087*dst_a1+0.0934*dst_a3;1.e9', 'oin_a07->0.0000*dst_a2+0.0002*dst_a1+0.4020*dst_a3;1.e9', 'oin_a08->0.0000*dst_a2+0.0000*dst_a1+0.4983*dst_a3;1.e9',

8. 粒子数浓度（Number）

变量名形式：num_a0X

• 来源于num_a1,num_a2,num_a3。

'num_a01->0.9502*num_a2+0.2509*num_a1+0.0000*num_a3;1.0', 'num_a02->0.0494*num_a2+0.4626*num_a1+0.0000*num_a3;1.0', 'num_a03->0.0003*num_a2+0.2470*num_a1+0.0000*num_a3;1.0', 'num_a04->0.0000*num_a2+0.0772*num_a1+0.0232*num_a3;1.0', 'num_a05->0.0000*num_a2+0.0161*num_a1+0.1886*num_a3;1.0', 'num_a06->0.0000*num_a2+0.0000*num_a1+0.4372*num_a3;1.0', 'num_a07->0.0000*num_a2+0.0000*num_a1+0.2935*num_a3;1.0', 'num_a08->0.0000*num_a2+0.0000*num_a1+0.0566*num_a3;1.0',

CESM ➜ MOSAIC 4-bin 映射

背景

• MOSAIC 8-bin是一种精细分级的气溶胶粒径划分方式（粒径越小，bin 编号越小）。
• 有时为了减少计算或与其他数据源兼容，需要将其简化为MOSAIC 4-bin。

映射规则

将每两个相邻的 8-bin 汇总为一个 4-bin：

示例

如果你有：

so4_a01=...so4_a02=...

那么：

so4_4bin_a01=so4_a01+so4_a02

CESM/MAM4 ➜ GOCART 模型（WRF-Chem）变量映射

背景

• GOCART（Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport）是 WRF-Chem 中的另一个气溶胶模式。
• 它使用简化的物种分类（如 BC1, OC2, SEAS_1, DUST_3 等）。

映射规则结构

格式：

<WRF-Chem 变量> -> <加权组合表达式> ; <单位因子>

如：

'BC1 -> 1.0*bc_a4;1.e9'

表示：

• WRF-Chem 的BC1变量 = CESM 中bc_a4的值 × 1.0
• 单位乘以1.e9，通常是从 kg/m³ → µg/m³ 的转换

GOCART 映射表完整解释：

单位说明

• 所有映射都乘以1.e9
• 表示：从 CESM 的单位（kg/kg 或 kg/m³）转换为 WRF-Chem 所需的单位（μg/m³）

参考

1、官网教程-Mapping CAM-chem output to WRF-Chem chemistry schemes
详细介绍如何将 CESM2（全球气候模式，包含 CAM-chem 或 WACCM 化学模块）的输出数据，映射（Mapping）并转换为 WRF-Chem（区域天气与化学耦合模式）所需的初始条件（IC）和边界条件（BC）。