CMAQ-ISAM ：从 EmissCtrl 到 GRIDMASK

CMAQ-ISAM 是 CMAQ 中常用的源解析工具，可以追踪不同区域、不同部门或不同排放流对污染物浓度的贡献。

这篇记录一次使用 ISAM 的基本配置逻辑，重点放在几个关键文件：EmissCtrl.nml、GRIDMASK.nc、isam_control.txt 和 run_cctm.csh。

Summary

ISAM 配置可以理解成三个问题：

1. 追踪哪些区域？
2. 追踪哪些排放流？
3. 输出哪些物种的贡献？

2026 更新

这篇原文基于我当时使用的 CMAQ/ISAM 配置习惯整理，核心逻辑仍然适用：区域、排放流、物种标签要互相对上。但从 CMAQv5.5 文档和示例来看，区域注册更推荐放到 DESID 相关配置中，例如 CMAQ_Control_DESID.nml 的 &Desid_RegionDef，而不是只看旧版的 EmissCtrl_${MECH}.nml / RegionsRegistry 写法。

如果你使用的是 CMAQv5.5 或更新版本，建议同时对照官方 ISAM 教程和用户指南确认文件名、变量名和脚本变量。¹

1. EmissCtrl.nml：注册追踪区域

进入 CCTM 编译目录，例如：

cd CCTM/scripts/BLD_CCTM_v533_ISAM_intel
vi EmissCtrl_${MECH}.nml

在 RegionsRegistry 中设置区域标签：

&RegionsRegistry
    RGN_NML =
    ! | Region Label | File_Label    | Variable on File
      'ALL'          , 'ISAM_REGIONS', 'ALL',
/

字段含义：

字段	含义
Region Label	追踪区域标签
File_Label	区域定义文件标签，一般由 run_cctm.csh 指向
Variable on File	区域文件中的变量名，常用 ALL

Note

区域文件中可以有暂时不用的变量，但变量值必须在 0-1 范围内。

v5.5 补充：DESID 区域定义

在 CMAQv5.5 的 ISAM benchmark 教程中，区域文件注册示例放在 CMAQ_Control_DESID.nml 里，通过 &Desid_RegionDef 指定 Region Label、File_Label 和 Variable on File。它和上面这段旧写法解决的是同一个问题：告诉 CMAQ 区域标签对应哪个区域文件、哪个变量。

因此实际配置时可以这样理解：旧项目里如果看到 EmissCtrl_${MECH}.nml / RegionsRegistry，就按原项目结构处理；新版本或官方 benchmark 流程里如果看到 CMAQ_Control_DESID.nml / &Desid_RegionDef，就优先按新文档来。

2. GRIDMASK.nc：定义区域范围

GRIDMASK.nc 是 ISAM 区域追踪的核心文件。它告诉 CMAQ 哪些网格属于某个区域。

Warning

GRIDMASK.nc 不是普通 NetCDF 文件就可以。它必须符合 I/O API 文件结构，否则 CMAQ 可能读不到变量或识别不了维度。

常见制作方式有三种。

方法一：改写 GRIDCRO2D

思路是直接利用 MCIP 生成的 GRIDCRO2D 文件，因为它本来就是符合 I/O API 的网格文件。

大致步骤：

1. 复制一份 GRIDCRO2D；
2. 修改变量名为需要的追踪区域名称；
3. 根据 shp 或经纬度范围，把区域内网格设为 1，区域外设为 0；
4. 更新全局属性中的 VAR-LIST；
5. 保留 TSTEP，且时间维只保留 1。

Caution

VAR-LIST 中每个变量名需要占 16 个字符，不足的部分用空格补齐。这是很多人生成 GRIDMASK 后模式读不到变量的原因。

mask 值不一定只能是 0 或 1

对规则区域，直接用 0/1 表示“区域外/区域内”通常够用。但在官方 DESID 区域定义说明中，区域变量也可以表示网格被某个区域覆盖的比例，取值范围是 0.0-1.0。如果区域边界来自 shapefile，边界格点可能更适合保留面积占比，而不是强行二值化。

CMAQv5.5 发布说明还提到新增了 shp2cmaq，可用于把 shapefile 转成 CMAQ gridded mask 文件。已有 Python/M3Tools 流程可以继续用，但新项目也可以评估这个工具是否更省事。²

方法二：M3Tools

CMAQ/I/O API 自带的 M3Tools 提供了更规范的方式：

工具	用途
M3MASK	根据 ASCII/CSV 生成单个 mask 文件
M3MERGE	合并多个 mask 文件
ncap2	必要时转换变量类型

典型流程：

1. 用 Python 根据 shp 计算区域 mask，并输出 ASCII/CSV；
2. 用 M3MASK 生成单变量 I/O API 文件；
3. 多区域时用 M3MERGE 合并；
4. 如果变量类型是 int，再用 ncap2 转成 float/real。

方法三：Spatial Allocator

Spatial Allocator 也可以制作符合 I/O API 的区域文件，适合已有 SA 工作流的情况。

3. isam_control.txt：定义追踪标签

进入脚本目录：

cd CCTM/scripts
vi isam_control.txt

示例：

TAG CLASSES     |OZONE, PM25_IONs
 
TAG NAME        |AQP
REGION(S)       |Anqing
EMIS STREAM(S)  |MEIC_POW

字段含义：

字段	含义
TAG CLASSES	追踪物种类别
TAG NAME	自定义标签，通常不超过 3 个字符
REGION(S)	追踪区域，对应 GRIDMASK.nc 中的区域
EMIS STREAM(S)	追踪排放流，对应 run_cctm.csh 中的排放标签

Tip

如果要追踪不同部门来源，需要先把人为源排放拆成多个排放流，例如 MEIC_POW、MEIC_IND、MEIC_TRA 等。

物种类别也要看版本和机制

TAG CLASSES 可用哪些类别，和 CMAQ 版本、气溶胶方案、化学机制有关。CMAQv5.5 和后续 bugfix 分支对 ISAM 的 SOA、粗粒子、云过程、CRACMM2 相关处理都有过更新。如果要追踪 SOA、NOy、VOC 或 CRACMM2 下的贡献，建议先查当前版本的 ISAM species list 和 release/bugfix 说明。³

4. run_cctm.csh：打开 ISAM 并指向文件

在 run_cctm.csh 中需要确认：

setenv CTM_ISAM Y
setenv AISAM_BLEV_ELEV " 1 26"
setenv ISAM_REGIONS $INPDIR/GRIDMASK.nc

同时检查排放流标签，例如：

setenv GR_EMIS_LAB_001 MEIC_POW
setenv GR_EMIS_LAB_002 MEIC_IND
setenv GR_EMIS_LAB_003 MEIC_RES

这些标签要和 isam_control.txt 中的 EMIS STREAM(S) 保持一致。

v5.5 补充：还要检查 SA_IOLIST 和 ISAM 文件变量

在较新的 ISAM 运行脚本里，除了 CTM_ISAM、AISAM_BLEV_ELEV 和 ISAM_REGIONS，通常还会显式设置 SA_IOLIST，让 CCTM 找到 isam_control.txt：

setenv SA_IOLIST $INPDIR/isam_control.txt

同时注意 ISAM_NEW_START、ISAM_PREVDAY 以及 SA_ACONC_1、SA_CONC_1、SA_DD_1、SA_WD_1、SA_CGRID_1 等输出或重启相关变量。不同版本的 benchmark 脚本名字和路径会有差别，但排查时不要只盯着 ISAM_REGIONS，否则容易出现控制文件或前一天重启文件没有正确接上的问题。

5. 常见报错：Maximum number of files

如果追踪标签太多，可能遇到：

Could not open SA_CONC_1
Maximum number of files already have been opened.

这通常和 I/O API 版本限制有关。旧版本同时打开文件数上限较低，标签过多时会触发问题。

解决思路：

方法	说明
减少追踪标签	最直接，但会牺牲分析维度
升级 I/O API	推荐使用支持更多打开文件数的新版本
重新编译 CCTM 和 MCIP	保证 I/O API 版本一致

Warning

只重新编译 CCTM 不一定够。如果 MCIP 和 CCTM 使用的 I/O API 版本不一致，可能出现变量单位或文件兼容性问题。

新版本仍建议留意 I/O API 和 ISAM 修正

CMAQv5.5 之后的 bugfix 分支仍在修正少量 ISAM 相关问题，例如特定机制下的 post-processing、aerosol/cloud processing 和 species list。正式生产实验最好固定 CMAQ、MCIP、I/O API 版本，并在方法部分记录 commit 或 release tag，避免后续复现实验时出现“同样配置、不同版本”的差异。

总结

CMAQ-ISAM 的配置核心是让四类信息互相对上：

文件	作用	必须对应
EmissCtrl.nml	注册区域文件和区域标签	GRIDMASK.nc
GRIDMASK.nc	定义区域空间范围	Region Label
isam_control.txt	设置追踪标签	区域名和排放流
run_cctm.csh	打开 ISAM、指定路径和排放流	ISAM_REGIONS、GR_EMIS_LAB

对新版本可以这样扩展这张表

如果使用 CMAQv5.5 或更新版本，可以把 CMAQ_Control_DESID.nml / &Desid_RegionDef 也放进检查清单；把 SA_IOLIST 和 SA_* 输出/重启文件变量也加入 run_cctm.csh 检查项。这样既保留旧项目的配置思路，也能和新版本官方示例对上。

第一次配置时不要一口气追踪太多区域和部门。建议先做一个最小测试：一个区域、一个排放流、一个物种类别。跑通后再扩展到完整方案。

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Footnotes

1. https://github.com/USEPA/CMAQ/blob/main/DOCS/Users_Guide/Tutorials/CMAQ_UG_tutorial_ISAM.md、https://raw.githubusercontent.com/USEPA/CMAQ/main/DOCS/Users_Guide/CMAQ_UG_ch11_ISAM.md ↩

2. https://github.com/USEPA/CMAQ ↩

3. https://github.com/USEPA/CMAQ/wiki/CMAQ-Bugfix-Branch ↩