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自适应网格大气输送模式：从研制到应用的深度探索

一、引言

1.1研究背景与意义

大气作为地球生态系统的关键组成部分，时刻发生着各种复杂的物理和化学过程。从污染物的扩散、温室气体的传输，到沙尘、水汽等物质的长距离输送，这些大气现象不仅深刻影响着全球气候变化、区域空气质量，还与人类的生产生活息息相关。例如，工业排放的二氧化硫等污染物，在大气输送过程中会形成酸雨，对土壤、水体和植被造成严重危害；而温室气体如二氧化碳、甲烷等的不均匀分布与传输，正推动着全球气候变暖，引发冰川融化、海平面上升等一系列环境问题。

大气输送模式作为研究大气现象的重要工具，通过数值求解大气基本的物理和化学方程组，能够模拟大气中各物质的浓度分布和时空变化，帮助我们深入理解大气过程的发生机制及其对气候环境的影响。它不仅可以量化众多物理化学过程的综合作用，还能给出大气化学物质细致的时空分布及不同物理化学过程贡献的相对大小。例如，通过大气输送模式，我们可以模拟出沙尘从源地的起沙、在大气中的传输路径以及最终的沉降区域，为防治沙尘危害提供科学依据；也能追踪污染物在城市间的扩散轨迹，为空气污染治理提供决策支持。

然而，传统的大气输送模式在面对复杂的大气现象时，往往存在一定的局限性。在模拟高梯度区域，如大气边界层、锋面、强对流区域以及污染物浓度变化剧烈的城市中心等，常规固定网格由于无法灵活调整分辨率，难以精确捕捉物理量的快速变化，导致模拟结果存在较大误差。以城市空气污染模拟为例，固定网格可能无法准确刻画城市中高楼大厦附近复杂的气流运动和污染物浓度的急剧变化，使得对城市空气质量的评估不够准确。同时，在模拟范围较大的区域时，若采用全局精细网格，虽能提高精度，但会极大增加计算量，对计算机硬件性能要求极高，计算成本高昂且效率低下；若采用全局粗网格，虽计算效率提高，但在关键区域的精度又难以保证。例如，在全球尺度的大气模拟中，若使用统一的高分辨率网格，计算量将呈指数级增长，目前的计算资源难以支撑。

自适应网格技术的出现，为解决上述问题提供了有效的途径。该技术允许网格在计算过程中根据流场的特性动态调整，在物理量变化剧烈、梯度较大的区域，如大气边界层、锋面、强对流区域以及污染物浓度变化显著的城市中心等，自动加密网格，从而提高局部精度，更准确地捕捉物理量的快速变化；而在流场变化平缓的区域，如广阔的海洋上空、沙漠地区等，网格可以自动粗化，减少网格数量，降低计算成本，提高计算效率。例如，在模拟山地地形附近的气流时，自适应网格能在山地周围自动加密，准确模拟气流在地形作用下的复杂变化，而在远离山地的平坦区域保持较粗网格，节省计算资源。

自适应网格技术在大气输送模式中的应用，不仅能够显著提升模式对复杂大气现象的模拟精度，更准确地反映大气中物质的传输和扩散规律，还能在保证精度的前提下，有效提高计算效率，降低计算成本，使得大规模、长时间的大气模拟成为可能。这对于深入研究全球气候变化、区域空气质量演变、大气污染传输与扩散等重要问题，以及为环境政策制定、气象灾害预警等提供科学依据，都具有至关重要的意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外在自适应网格大气输送模式的研究起步较早，取得了一系列具有影响力的成果。

在自适应网格技术的理论与方法研究方面，众多学者做出了重要贡献。例如，在网格细化与粗化算法上，通过误差估计和梯度信息判断网格调整区域，以实现网格密度的动态优化。如在某些高梯度区域，利用基于误差估计的方法，当局部误差超过预设阈值时，对该区域网格进行细化，有效提高了局部模拟精度；而在流场变化平缓区域，依据网格质量评价指标，将满足条件的网格单元合并粗化，减少计算量。在网格移动算法的研究中，使网格点能根据流场特性更合理地分布，进一步提升了网格对复杂流场的适应性。

在自适应网格大气输送模式的构建与应用上，国外开发了多个知名模式。如美国国家大气研究中心（NCAR）的相关研究，将自适应网格技术应用于大气环流模式中，在模拟大气中能量和物质的传输过程时，通过在关键区域（如大气边界层、锋面等）自动加密网格，成功捕捉到了更细致的物理过程，显著提高了模拟精度。欧洲的一些研究机构也致力于此，开发的模式在模拟污染物的长距离输送和扩散方面表现出色，能够准确追踪污染物从排放源到远距离受体的传输路径，为区域和全球环境治理提供了有力支持。

在与其他学科的交叉融合方面，自适应网格大气输送模式也有广泛应用。在大气化学领域，与化学过程模型耦合，模拟大气中复杂的化学反应和物质转化，考虑了不同化学物质在大气输送过程中的相互作用，为研究大气化学污染的形成机制提供了新的视角。在气候研究中，与气候模式相结合，更准确地模拟大气输送对气候变化的影响，如对温室气体传输和分布的模拟，有助于深入理解全球气候变暖的过程和机制。

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