CN109085296B - 判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法、装置、存储介质、终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法、装置、存储介质、终端，方法包括：计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值；使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化；根据R_t计算结果的正负及取值判别t时刻的臭氧光化学反应敏感性；根据分该城市臭氧污染待控制时段内的VOCs‑limited、NOx‑limited的R_t值统计数T_{VOCs‑limited}和T_{NOx‑limited}，计算该城市在该臭氧污染控制时段内臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例。本发明无需高精度大气污染源排放清单、气象数据、非常规监测的空气组分数据等，数据输入门槛极低。

Description

判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法、装置、存储介质、 终端

技术领域

本发明涉及判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法、装置、存储介质、终端。

背景技术

近年来，我国大气臭氧污染呈加剧态势，已成为继PM_2.5后困扰城市空气质量改善和达标管理的另一重要污染物。近地面的臭氧是光化学反应后二次生成的空气污染物，尤为频发在夏、秋季节，我国各城市以臭氧为首要污染物的超标天主要集中在5～10月。臭氧作为强氧化剂，臭氧在对流层的分布和变化直接影响其它化学物质、自由基等的浓度和寿命，还可以通过吸收太阳辐射的紫外光改变对流层温度结构，从而影响大气化学的循环和平衡，成为影响大气动力、热力、辐射、化学等过程的关键成分。

如果近地面对流层中的臭氧浓度超标，则会刺激和损害眼睛、呼吸系统等黏膜组织，对人体健康产生负面作用。国内外典型的研究结果是，当人体暴露在臭氧浓度为0.32mg/m³的环境里时，会出现咳嗽、头疼及呼吸器官局部麻痹等症；更高浓度时，会引起胸痛、肺功能损伤，甚至会引起永久性心脏障碍。人在1小时内可接受臭氧的极限浓度仅为0.26mg/m³。将植物暴露于较高浓度的空气环境中，也能使损害植物生长，甚至造成植物死亡。同时，臭氧化的空气几乎对所有的金属(金和铂除外)都有腐蚀作用；铝、锌、铅等与臭氧接触会被强烈氧化，臭氧也能使橡胶疏松、开裂、穿孔等等。因此，臭氧研究必然是逐步解决大气颗粒物PM₁₀、PM_2.5污染问题之后必须面对、且需要紧迫解决的问题之一。

臭氧日变化一般呈现单峰型分布，其浓度与气压、湿度、能见度、风速和温度均有一定的相关性；同时，大气臭氧浓度还受不利气象条件、长距离传输、污染物排放等多重影响。因此，近地面臭氧反应生成的敏感性判断以及其前体物的控制策略对制定科学、有效的光化学污染控制策略、降低臭氧对人体的伤害、降低大气污染水平、提升空气质量优良率等有着重要意义。

对于臭氧污染问题的解决，首要问题是解决臭氧光化学反应的敏感性问题，也就是根据臭氧光化学反应过程中参与的主要组分，如挥发性有机物(VOCs)、氮氧化物(NOx)等臭氧前体物，这些物质在所研究的城市对臭氧生成更为敏感、更容易形成臭氧光化学污染的问题；其次要解决的是究竟怎样控制这些臭氧前体物，以使得在付出最为科学的人力、物力、财力下臭氧污染能够按照预定目标减轻，如这些臭氧前体物排放的削减比例问题。经国内外学者多年的研究，臭氧生成在很大程度上取决于VOCs和NOx比值，也就是将城市臭氧污染区划分为NOx控制区和VOC控制区。在NOx控制区，单纯消减VOC的臭氧污染治理策略会随着NOx的减排变得毫无意义，甚至会加重臭氧污染水平，这种地区应当以消减NOx排放为主，消减VOC排放为辅；同样，在VOC控制区，单纯消减NOx排放也会造成臭氧浓度的不降反升，这种地区应当以消减VOC排放为主，消减NOx排放为辅。至于VOC、NOx的消减比例，需根据VOC和NOx比值以及当地的具体情况进行确定。

目前，解决这些问题的方法大致分为基于观测的研究方法和基于源排放的研究方法。

基于观测的研究方法，主要使用大量基于观测的数据资料来评价NOx排放和VOCs排放对臭氧污染减排的效果。这一方法可避免排放清单不确定性带来的误差，但不能预测能够使臭氧浓度达标的NOx排放和VOCs排放的具体削减量。这类方法的典型代表为OBM(observation-based model)模式方法，但该方法需要输入大量VOCs组分数据和气象场数据，且模式处理门槛很高，需要对VOCs组分、气象以及OBM输入代码十分熟练；同时，对输入的数据如VOCs组分、气象数据等质量要求很高。

基于源排放的研究方法则是利用更改排放清单的方式如按某一特定比例减少臭氧前体物VOCs、NOx等模拟出臭氧浓度的生成响应情况从而判断臭氧生成更容易受哪个物种控制。这一类方法的典型代表是运用WRF-Models-3/CMAQ(third-GenerationAirQuality Modeling System，其核心是Community Multiscale Air Quality模式系统)第三代空气质量模型中的Brute-Force法、直接去耦法、3D-DDM等工具对臭氧生成敏感性和控制比例进行模拟计算。但是，这类方法需要研究区域及其周边的高分辨率污染源排放清单作为最基础的输入参数，而这也是目前我国各大城市最为困难的待解决问题之一。同时，WRF-Models-3/CMAQ使用方法非常复杂，门槛极高，且臭氧生成敏感性及其前体物控制比例的计算需要耗费大量计算机资源和计算时间，仅少数科研机构能够运算。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法、装置、存储介质、终端，以常规空气质量整编数据为数据输入，通过挖掘潜在的工作日和非工作日的大气污染物排放变化所引起臭氧浓度的差异而形成的臭氧生成光化学反应敏感性表征技术和臭氧前体物VOCs、NOx排放控制比例的计算方法、装置、存储介质、终端，充分运用常规空气质量监测站点数据实现对臭氧生成敏感性的判定，并对臭氧前体物的排放削减控制比例进行计算，对制定科学有效的光化学污染控制策略、降低臭氧对人体的伤害、降低大气污染水平、提升空气质量优良率等有着重要意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法，包括：

根据t时刻O₃小时浓度和NOx小时浓度，计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值：

式中，W表示提取工作日的最大有效天数，N表示提取的非工作日最大有效天数；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天；

使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化：

根据R_t计算结果的正负及取值判别t时刻的臭氧光化学反应敏感性：

式中，R_t＜0，表征臭氧的生成处于VOCs敏感控制区VOCs-limited；R_t＞0，表征臭氧的生成处于NOx敏感控制区NOx-limited；R_t＝0，表征臭氧的生成由VOCs、NOx交替控制或者处于臭氧稳态区；

根据分该城市臭氧污染待控制时段内的VOCs-limited、NOx-limited的R_t值统计数T_VOCs-limited和T_NOx-limited，计算该城市在该臭氧污染控制时段内臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例：

η＝T_VOCs-limited/T_NOx-limited。

进一步地，在计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值时，以周为单位进行分组和计算，t表示时刻，从0时开始，至23时结束；W表示提取工作日的最大有效天数，取值范围为1～5；N表示提取的非工作日最大有效天数，取值范围为1～2；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天，i为周一至周五，j为周六、周日。

进一步地，按照国家节假日对i、j进行修正。

进一步地，所述的方法还包括：

根据削减控制比例选取最佳控制比例：

η_Average≤η≤η_Maximum

式中，η_Averege和η_Maximum分别为参数η平均值、以及最大值运用进一法取整后的取值。

本发明还提供一种判断臭氧生成敏感性与前体物控制装置，包括：

光化学反应敏感性参数计算模块，适用于根据t时刻O₃小时浓度和NOx小时浓度，计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值：

式中，W表示提取工作日的最大有效天数，N表示提取的非工作日最大有效天数；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天；

数值归一化模块，适用于使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化：

臭氧光化学反应敏感性判断模块模块，适用于根据R_t计算结果的正负及取值判别t时刻的臭氧光化学反应敏感性：

式中，R_t＜0，表征臭氧的生成处于VOCs敏感控制区VOCs-limited；R_t＞0，表征臭氧的生成处于NOx敏感控制区NOx-limited；R_t＝0，表征臭氧的生成由VOCs、NOx交替控制或者处于臭氧稳态区；

削减控制比例计算模块，适用于根据分该城市臭氧污染待控制时段内的VOCs-limited、NOx-limited的R_t值统计数T_VOCs-limited和T_NOx-limited，计算该城市在该臭氧污染控制时段内臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例：

η＝T_VOCs-limited/T_NOx-limited。

进一步地，在光化学反应敏感性参数计算模块计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值时，以周为单位进行分组和计算，t表示时刻，从0时开始，至23时结束；W表示提取工作日的最大有效天数，取值范围为1～5；N表示提取的非工作日最大有效天数，取值范围为1～2；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天，i为周一至周五，j为周六、周日。

进一步地，按照国家节假日对i、j进行修正。

进一步地，所述的装置还包括：

最佳控制比例计算模块，适用于根据削减控制比例选取最佳控制比例：

η_Average≤η≤η_Maximum

式中，η_Averege和η_Maximum分别为参数η平均值、以及最大值运用进一法取整后的取值。

本发明还提供一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法的步骤。

本发明还提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法的步骤。

本发明的有益效果是：

(1)本发明开发了一种臭氧生成光化学反应敏感性表征技术和臭氧前体物VOCs、NOx排放控制比例的计算方法、装置、存储介质及终端，无需高精度大气污染源排放清单、气象数据、非常规监测的空气组分数据等，数据输入门槛极低。且所需输入数据仅为国家和各城市公开发布的空气质量监测国控点、省控点或市控点的常规大气监测数据，主要是臭氧和氮氧化物，数据获取渠道成熟、数据质量可靠。

(2)本发明开发的技术方法计算简单、方便、快捷，计算时间短，便于城市空气质量监管平台集成，使用门槛极低。

附图说明

图1为本发明实施例1的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

本实施例提供了一种判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法，对流层底层臭氧浓度的周循环效应认知的基础上进行理论创新，即相对于工作日，在非工作日，虽然一些臭氧前体物(如VOCs，CO和NOx)浓度水平降低，但臭氧浓度值却有明显增加的现象，不仅通过比较工作日与周末源排放的变化，对模式源排放的敏感性研究提供实际观测依据，还能一定程度上可以得到城市臭氧产生的影响因子，给臭氧控制政策的制定提供科学依据，并克服代表性遴选差异性问题并适用于大样本数据。具体地，如图1所示，该方法包括：

根据t时刻O₃小时浓度和NOx小时浓度，计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值：

式中，W表示提取工作日的最大有效天数，N表示提取的非工作日最大有效天数；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天；

并且，在本实施例中，优选地，以周为单位进行分组和计算，t表示时刻，从0时开始，至23时结束；W表示提取工作日的最大有效天数，取值范围为1～5；N表示提取的非工作日最大有效天数，取值范围为1～2；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天，i为周一至周五，j为周六、周日。

另外，为了使得计算更为准确，按照国家节假日对i、j进行修正。

为了便于分析比较，使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化：

即使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化，则R_t的取值范围为-1～1。

根据R_t计算结果的正负及取值判别t时刻的臭氧光化学反应敏感性：

式中，R_t＜0，表征臭氧的生成处于VOCs敏感控制区VOCs-limited；R_t＞0，表征臭氧的生成处于NOx敏感控制区NOx-limited；R_t＝0，表征臭氧的生成由VOCs、NOx交替控制或者处于臭氧稳态区。

以上计算解决了臭氧光化学反应的敏感性问题，基于常规空气质量的时空分布数据可实现对研究城市的NOx控制区和VOCs控制区的时空分布进行表征。近地面臭氧作为一种光化学产物，其产生与臭氧前体物的排放情况，局地的气象条件以及光化学反应有关，其浓度变化由一系列复杂的物理化学过程控制。对于该城市臭氧前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例，可运用敏感性参数计算结果的统计值进行简单计算。

根据分该城市臭氧污染待控制时段内的VOCs-limited、NOx-limited的R_t值统计数T_VOCs-limited和T_NOx-limited，计算该城市在该臭氧污染控制时段内臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例：

η＝T_VOCs-limited/T_NOx-limited。

由于臭氧污染控制往往是在一段时段内，因此臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例参数η的计算结果也是一个范围。

更优地，在本实施例中，所述的方法还包括：

根据削减控制比例选取最佳控制比例：

η_Average≤η≤η_Maximum

式中，η_Averege和η_Maximum分别为参数η平均值、以及最大值运用进一法取整后的取值。

实施例2

基于与实施例1中同样的思路，本实施例还提供一种判断臭氧生成敏感性与前体物控制装置，包括：

光化学反应敏感性参数计算模块，适用于根据t时刻O₃小时浓度和NOx小时浓度，计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值：

式中，W表示提取工作日的最大有效天数，N表示提取的非工作日最大有效天数；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天；

数值归一化模块，适用于使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化：

臭氧光化学反应敏感性判断模块模块，适用于根据R_t计算结果的正负及取值判别t时刻的臭氧光化学反应敏感性：

式中，R_t＜0，表征臭氧的生成处于VOCs敏感控制区VOCs-limited；R_t＞0，表征臭氧的生成处于NOx敏感控制区NOx-limited；R_t＝0，表征臭氧的生成由VOCs、NOx交替控制或者处于臭氧稳态区；

削减控制比例计算模块，适用于根据分该城市臭氧污染待控制时段内的VOCs-limited、NOx-limited的R_t值统计数T_VOCs-limited和T_NOx-limited，计算该城市在该臭氧污染控制时段内臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例：

η＝T_VOCs-limited/T_NOx-limited。

更优地，在本实施例中，在光化学反应敏感性参数计算模块计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值时，以周为单位进行分组和计算，t表示时刻，从0时开始，至23时结束；W表示提取工作日的最大有效天数，取值范围为1～5；N表示提取的非工作日最大有效天数，取值范围为1～2；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天，i为周一至周五，j为周六、周日。

更优地，在本实施例中，按照国家节假日对i、j进行修正。

更优地，在本实施例中，所述的装置还包括：

最佳控制比例计算模块，适用于根据削减控制比例选取最佳控制比例：

η_Average≤η≤η_Maximum

式中，η_Averege和η_Maximum分别为参数η平均值、以及最大值运用进一法取整后的取值。

实施例3

基于实施例1的实现，本实施例还提供一种存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行实施例1中所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法的步骤。

基于这样的理解，本实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccessMemory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

实施例4

基于实施例1的实现，本实施例还提供一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行实施例1中所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法的步骤。

在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

在本发明所提供的所有实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元/模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或模块可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法，其特征在于：包括：

根据t时刻O₃小时浓度和NOx小时浓度，计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值：

式中，W表示提取工作日的最大有效天数，N表示提取的非工作日最大有效天数；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天；

使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化：

根据R_t计算结果的正负及取值判别t时刻的臭氧光化学反应敏感性：

式中，R_t＜0，表征臭氧的生成处于VOCs敏感控制区VOCs-limited；R_t＞0，表征臭氧的生成处于NOx敏感控制区NOx-limited；R_t＝0，表征臭氧的生成由VOCs、NOx交替控制或者处于臭氧稳态区；

根据城市臭氧污染待控制时段内的VOCs-limited的R_t值统计数T_VOCs-limited、NOx-limited的R_t值统计数T_NOx-limited，计算城市在该臭氧污染控制时段内臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例：

η＝T_VOCs-limited/T_NOx-limited。

2.根据权利要求1所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法，其特征在于：在计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值时，以周为单位进行分组和计算，t表示时刻，从0时开始，至23时结束；W表示提取工作日的最大有效天数，取值范围为1～5；N表示提取的非工作日最大有效天数，取值范围为1～2；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天，i为周一至周五，j为周六、周日。

3.根据权利要求1或2所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法，其特征在于：按照国家节假日对i、j进行修正。

4.根据权利要求1所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法，其特征在于：所述的方法还包括：

根据削减控制比例选取最佳控制比例：

η_Average≤η≤η_Maximum

式中，η_Averege和η_Maximum分别为参数η平均值、以及最大值运用进一法取整后的取值。

5.判断臭氧生成敏感性与前体物控制装置，其特征在于：包括：

光化学反应敏感性参数计算模块，适用于根据t时刻O₃小时浓度和NOx小时浓度，计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值：

式中，W表示提取工作日的最大有效天数，N表示提取的非工作日最大有效天数；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天；

数值归一化模块，适用于使用R'_t绝对值的最大值对R'_t进行数值归一化：

臭氧光化学反应敏感性判断模块模块，适用于根据R_t计算结果的正负及取值判别t时刻的臭氧光化学反应敏感性：

式中，R_t＜0，表征臭氧的生成处于VOCs敏感控制区VOCs-limited；R_t＞0，表征臭氧的生成处于NOx敏感控制区NOx-limited；R_t＝0，表征臭氧的生成由VOCs、NOx交替控制或者处于臭氧稳态区；

削减控制比例计算模块，适用于根据城市臭氧污染待控制时段内的VOCs-limited的R_t值统计数T_VOCs-limited、NOx-limited的R_t值统计数T_NOx-limited，计算城市在该臭氧污染控制时段内臭氧的前体物VOCs、NOx排放的削减控制比例：

η＝T_VOCs-limited/T_NOx-limited。

6.根据权利要求5所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制装置，其特征在于：在光化学反应敏感性参数计算模块计算表征t时刻光化学反应敏感性的参数R'_t的值时，以周为单位进行分组和计算，t表示时刻，从0时开始，至23时结束；W表示提取工作日的最大有效天数，取值范围为1～5；N表示提取的非工作日最大有效天数，取值范围为1～2；i、j分别表示工作日计算的当天以及非工作日计算的当天，i为周一至周五，j为周六、周日。

7.根据权利要求5或6所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制装置，其特征在于：按照国家节假日对i、j进行修正。

8.根据权利要求5所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制装置，其特征在于：所述的装置还包括：

最佳控制比例计算模块，适用于根据削减控制比例选取最佳控制比例：

η_Average≤η≤η_Maximum

式中，η_Averege和η_Maximum分别为参数η平均值、以及最大值运用进一法取整后的取值。

9.一种存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令运行时执行权利要求1至4中任一项所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法的步骤。

10.一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令，其特征在于，所述处理器运行所述计算机指令时执行权利要求1至4中任一项所述的判断臭氧生成敏感性与前体物控制方法的步骤。