CN113514606B - 利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法及装置。该方法包括：获取地面第一预设高度处气温，并获取扩散指数和总云量；根据所获取的地面第一预设高度处气温、扩散指数和总云量计算臭氧潜势指数；根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。该装置包括数据获取单元、臭氧潜势指数计算单元和臭氧浓度预报单元。这种方法和装置利用地面第一预设高度处的气温、扩散指数和总云量三个气象要素构建了新的臭氧潜势指数，既综合考虑了大气扩散条件的影响，又考虑了臭氧光化学生成过程中相关气象因子的影响。
Description
技术领域
本发明涉及大气物理和污染监控技术，更为具体来说，本发明涉及一种利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法及装置。
背景技术
近地面臭氧是一种损害人体健康的污染气体，随着城市化和工业化的不断发展，臭氧成为首要污染物的频率越来越高，大量研究围绕臭氧污染展开。臭氧浓度高低除了与局地光化学反应有关，还与天气系统和气象条件有着密切联系。在短期内排放源大致不变的情况下，众多学者认为气象条件是影响臭氧污染最重要的因素。
臭氧是二次污染物，由氮氧化物(NOx)和挥发性有机化合物(VOCs)在太阳辐射的作用下进行光化学反应产生，强辐射下的二次光化学反应相应增强，二次生成的臭氧浓度也随之增高。气温往往伴随着太阳辐射的增强而升高，所以温度是光化学反应生成臭氧的一个高敏感的气象因子。
臭氧浓度的高低与气象条件有着密切联系。由于近地面臭氧的形成与太阳辐射所引起的光化学反应关系密切，云天状况、辐射条件对臭氧浓度均有影响。相对湿度、总云量与臭氧小时浓度呈显著负相关，而气温、能见度、日照小时数、总辐射辐照度等要素与近地面臭氧浓度呈显著正相关。
多数高浓度的臭氧集中出现于较为稳定小风的情况下。当风速较小时，垂直输送和混合作用占主导地位，臭氧和其前体物在近地面不断的累积；当风速较大时，水平扩散作用逐渐占主导，对局地生成的臭氧有扩散作用，臭氧质量浓度将出现下降趋势。
现有技术通过“温度×辐射通量/水平风速”构建了简单的臭氧指数，用以表征气象条件变化对臭氧浓度的影响，该指数考虑了与臭氧密切相关的三个气象因子，计算公式简便，既体现了气象条件对臭氧光化学生成过程的影响，也部分考虑了大气扩散条件对臭氧浓度的影响，其计算方法值得借鉴。但该指数也存在明显不足，一是水平风速并不能很好反映大气扩散条件对臭氧浓度的影响，忽略了水平风向、垂直扩散条件对臭氧浓度的影响；二是辐射通量数据来源较少，如果能用模式常规数据来替代辐射通量，该指数的计算会更加便利。
发明内容
本发明创新地提供了一种利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法及装置，利用地面第一预设高度处的气温、扩散指数和总云量三个气象要素来构建新的臭氧潜势指数。
为实现上述的技术目的，一方面，本发明公开了一种利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法。所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法包括：获取地面第一预设高度处气温，并获取扩散指数和总云量；根据所获取的地面第一预设高度处气温、扩散指数和总云量计算臭氧潜势指数；根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。
进一步地，对于所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，根据所获取的地面第一预设高度处气温、扩散指数和总云量计算臭氧潜势指数，包括通过以下公式计算臭氧潜势指数：
OPI＝DI*T第一预设高度*(1-TCC)
式中，OPI为臭氧潜势指数，DI为扩散指数，T第一预设高度为地面第一预设高度处气温，TCC为总云量。
进一步地，对于所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，所述获取扩散指数包括：获取滞留指数和通风指数；根据所获取的滞留指数和通风指数，计算扩散指数。
进一步地，对于所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，所述获取滞留指数包括：根据地面第二预设高度处风场的风速数据、风速数据的采样时间间隔、风速数据的采样起始时间和终止时间，计算滞留指数。
进一步地，对于所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，所述获取通风指数包括：通过计算在边界层高度以下的相邻层高度差与该层风速乘积之和得到通风指数；所述根据所获取的滞留指数和通风指数计算扩散指数包括：对所得到的通风指数进行归一化处理后计算扩散指数。
进一步地，对于所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，所述获取总云量包括：通过各高度层上的相对湿度计算各高度层上的云量；对计算得到的各高度层上的云量进行比较得到各高度层上的云量中的最大值，作为总云量。
为实现上述的技术目的，另一方面，本发明公开了一种利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的装置。所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的装置包括：数据获取单元，用于获取地面第一预设高度处气温，并获取扩散指数和总云量；臭氧潜势指数计算单元，用于根据所获取的地面第一预设高度处气温、扩散指数和总云量计算臭氧潜势指数；臭氧浓度预报单元，用于根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。
进一步地，对于所述利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的装置，臭氧潜势指数计算单元进一步用于通过以下公式计算臭氧潜势指数：
OPI＝DI*T第一预设高度*(1-TCC)
式中，OPI为臭氧潜势指数，DI为扩散指数，T第一预设高度为地面第一预设高度处气温，TCC为总云量。
为实现上述的技术目的，又一方面，本发明公开了一种计算设备。所述计算设备包括：一个或多个处理器，以及与所述一个或多个处理器耦合的存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行上述方法。
为实现上述的技术目的，再一方面，本发明公开了一种机器可读存储介质。所述机器可读存储介质存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行上述方法。
本发明的有益效果为：
本发明实施例提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法及装置基于以上问题，利用地面第一预设高度处的气温、扩散指数和总云量三个气象要素构建了新的臭氧潜势指数，既综合考虑了大气扩散条件的影响，又考虑了臭氧光化学生成过程中相关气象因子的影响。用综合反映大气水平扩散条件和垂直扩散条件的扩散指数代替水平风速，更全面地考虑了大气扩散条件对臭氧浓度的影响，并利用易得的各高度层的相对湿度来计算总云量代替辐射通量，使新的臭氧潜势指数更容易计算，新的臭氧潜势指数能够更好地表征臭氧浓度变化。
附图说明
图中，
图1为本发明一个实施例提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法的流程图；
图2为本发明另一个示例提供的臭氧潜势指数构建过程示意图；
图3a-3e分别为2019年京津冀、长三角、珠三角、西南、以及西北地区区域平均的臭氧日最大浓度观测值(虚线)和利用臭氧潜势指数算得的拟合预报值(实线)的时间变化曲线；
图4为本发明另一个实施例提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的装置的结构示意图；
图5为根据本发明实施例的用于利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的计算设备的结构框图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法及装置进行详细的解释和说明。
图1为本发明一个实施例提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法的流程图。图2为本发明另一个示例提供的臭氧潜势指数构建过程示意图。
如图1和图2所示，在步骤S110，获取地面第一预设高度处气温，并获取扩散指数(DI，diffusion index)和总云量。其中，第一预设高度例如为2米。
步骤S110中获取扩散指数可以包括以下步骤：获取滞留指数和通风指数；根据所获取的滞留指数和通风指数，计算扩散指数。作为一个具体例子，扩散指数为滞留指数和通风指数的线性加权，该指数同时包含了对水平扩散能力和垂直扩散能力的描述，扩散指数值可以在0～1之间，其值越小表示大气综合扩散条件越强，计算方法可以为：
DI＝x×VInorm+(1-x)×RF (1)
式中，DI为扩散指数，VInorm为归一化以后的通风指数，RF为滞留指数，x为通风系数所占权重，1-x则为滞留指数的权重，对于权重的具体取值，权重x可以取值0.15。
其中，滞留指数(RF，recirculation factor)也叫局地环流指数，通过局地风场的时间变化间接反映大气污染物的水平扩散能力。获取滞留指数可以包括以下步骤：根据地面第二预设高度处风场的风速数据、风速数据的采样时间间隔、风速数据的采样起始时间和终止时间，计算滞留指数。其中，第二预设高度例如为10米。具体来说，滞留指数的计算公式可以如下：
式中，u和v为地面第二预设高度处风场的纬向风分量和经向风分量，单位为m·s－1；is为风速数据的采样起始时间；ie为风速数据的采样终止时间；ΔT为风速数据的采样时间间隔。当滞留指数(RF)值(数值范围为0～1)趋于0时，表示一段时间内风向趋于一致，水平扩散条件较好，不利于本地污染物的堆积；当RF值趋于1时，表示一段时间内风向变化较大，风力较小，水平扩散条件较差，污染物容易滞留。
通风指数(VI)为在边界层高度以下的相邻层高度差与该层风速乘积之和，反映了大气的垂直扩散能力，通风指数值越大表示大气垂直扩散条件越好。具体来说，通风指数的计算公式可以为：
式中，VI为通风指数，单位为m2/s；i为水平风场高度层；PBL为低于边界层高度的最大水平风场高度层；hi为i层水平风场位势高度，单位为m；vi为i层水平风场风速，单位为m/s。
由于通风指数的数值较大，而滞留指数的取值范围在0～1之间，故需要将通风指数作归一化处理，处理过程如下：
式中，VInorm即为归一化以后的通风指数，Mid为样本的中位数，例如不同地理位置网格处的样本中数值大小处于中位的通风指数。
步骤S110中获取总云量可以包括以下步骤：通过各高度层上的相对湿度计算各高度层上的云量；对计算得到的各高度层上的云量进行比较得到各高度层上的云量中的最大值，作为总云量。具体来说，总云量(TCC，total cloud cover)可以通过第三预设高度和第四预设高度之间各高度层上的相对湿度计算得到，第三预设高度例如为1000百帕(hPa)等压面所在高度，第四预设高度例如为50百帕(hPa)等压面所在高度，其计算方法可以为：
TCC＝max(CCh) (6)
式中，CCh为各高度层上的云量，RHh为各高度层上的相对湿度，总云量TCC为各高度层上云量的最大值。例如，各高度层可以为每间隔50百帕的等压面所在的高度层。
在步骤S120，根据所获取的地面第一预设高度处气温、扩散指数和总云量计算臭氧潜势指数(OPI，ozone potential index)。臭氧潜势指数值越大越有利于臭氧污染的发生。
作为一种可选实施方式，可以通过以下公式计算臭氧潜势指数：
OPI＝DI*T第一预设高度*(1-TCC) (7)
式中，OPI为臭氧潜势指数，DI为扩散指数，T第一预设高度为地面第一预设高度处气温，TCC为总云量。
在步骤S130，根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。
作为一个具体例子，首先计算出2020年的臭氧潜势指数，将计算得到的臭氧潜势指数样本与2020年观测的臭氧浓度做拟合，得到一个拟合公式：例如，臭氧浓度＝a*臭氧潜势指数+b，式中，a和b为常数。然后，将利用未来的扩散指数、温度和总云量计算得到的新的臭氧潜势指数代入这个拟合公式，就可以预报未来的臭氧浓度。
作为一个具体例子，根据中国各区域内所有格点污染物观测平均值和拟合预报的平均值作图，图3a-图3e分别为2019年京津冀、长三角、珠三角、西南、以及西北地区区域平均的臭氧日最大浓度观测值和利用臭氧潜势指数算得的拟合预报值的时间变化曲线。如图3a-图3e所示，观测值和预报值呈显著的正相关，西北和西南地区的相关系数达0.8以上。
图4为本发明另一个实施例提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的装置的结构示意图。如图4所示，该实施例提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的装置400包括数据获取单元410、臭氧潜势指数计算单元420、以及臭氧浓度预报单元430。
数据获取单元410用于获取地面第一预设高度处气温，获取扩散指数和总云量。数据获取单元410的操作可以参照上面参考图1描述的步骤S110的操作。
臭氧潜势指数计算单元420用于根据所获取的地面第一预设高度处气温、扩散指数和总云量计算臭氧潜势指数。臭氧潜势指数计算单元420的操作可以参照上面参考图1描述的步骤S120的操作。
臭氧浓度预报单元430用于根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。臭氧浓度预报单元430的操作可以参照上面参考图1描述的步骤S130的操作。
作为一种可选实施方式，臭氧潜势指数计算单元420可以进一步用于通过以下公式计算臭氧潜势指数：
OPI＝DI*T第一预设高度*(1-TCC) (7)
式中，OPI为臭氧潜势指数，DI为扩散指数，T第一预设高度为地面第一预设高度处气温，TCC为总云量。
进一步来说，数据获取单元410可以包括扩散指数计算模块，用于获取滞留指数和通风指数，并根据所获取的滞留指数和通风指数计算扩散指数。一方面，扩散指数计算模块可以进一步用于根据地面第二预设高度处风场的风速数据、风速数据的采样时间间隔、风速数据的采样起始时间和终止时间，计算滞留指数。另一方面，扩散指数计算模块可以进一步用于通过计算在边界层高度以下的相邻层高度差与该层风速乘积之和得到通风指数，并对所得到的通风指数进行归一化处理后计算扩散指数。
进一步来说，数据获取单元410可以包括总云量计算模块，用于通过各高度层上的相对湿度计算各高度层上的云量，并对计算得到的各高度层上的云量进行比较得到各高度层上的云量中的最大值，作为总云量。
本发明实施例提供的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法及装置利用地面第一预设高度处的气温、扩散指数和总云量三个气象要素构建了新的臭氧潜势指数，既综合考虑了大气扩散条件的影响，又考虑了臭氧光化学生成过程中相关气象因子的影响。用综合反映大气水平扩散条件和垂直扩散条件的扩散指数代替水平风速，更全面地考虑了大气扩散条件对臭氧浓度的影响，并利用易得的各高度层的相对湿度来计算总云量代替辐射通量，使新的臭氧潜势指数更容易计算，新的臭氧潜势指数能够更好地表征臭氧浓度变化。
图5为根据本发明实施例的用于利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的计算设备的结构框图。
如图5所示，计算设备500可以包括至少一个处理器510、存储器520、内存530、通信接口540以及内部总线550，并且至少一个处理器510、存储器520、内存530和通信接口540经由总线550连接在一起。该至少一个处理器510执行在计算机可读存储介质(即，存储器520)中存储或编码的至少一个计算机可读指令(即，上述以软件形式实现的元素)。
在一个实施例中，在存储器520中存储有计算机可执行指令，当其执行时使得至少一个处理器510执行：获取地面第一预设高度处气温，并获取扩散指数和总云量；根据所获取的地面第一预设高度处气温、扩散指数和总云量计算臭氧潜势指数；根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。
应该理解的是，在存储器520中存储的计算机可执行指令当执行时使得至少一个处理器510进行本公开的各个实施例中以上结合图1-4描述的各种操作和功能。
在本公开中，计算设备500可以包括但不限于：个人计算机、服务器计算机、工作站、桌面型计算机、膝上型计算机、笔记本计算机、移动计算设备、智能电话、平板计算机、蜂窝电话、个人数字助理(PDA)、手持装置、消息收发设备、可佩戴计算设备、消费电子设备等等。
根据一个实施例，提供了一种例如非暂时性机器可读介质的程序产品。非暂时性机器可读介质可以具有指令(即，上述以软件形式实现的元素)，该指令当被机器执行时，使得机器执行本公开的各个实施例中以上结合图1-4描述的各种操作和功能。
具体地，可以提供配有可读存储介质的系统或者装置，在该可读存储介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该可读存储介质中的指令。
在这种情况下，从可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的可读存储介质构成了本发明的一部分。
可读存储介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD-RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的权利要求保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (6)
1.一种利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，其特征在于，包括：
获取地面第一预设高度处气温，并获取扩散指数和总云量；其中，获取扩散指数包括：获取滞留指数和通风指数；根据所获取的滞留指数和通风指数，计算扩散指数；获取总云量包括：通过各高度层上的相对湿度计算各高度层上的云量；对计算得到的各高度层上的云量进行比较得到各高度层上的云量中的最大值，作为总云量；
通过以下公式计算臭氧潜势指数：OPI＝DI*T第一预设高度*(1-TCC)；式中，OPI为臭氧潜势指数，DI为扩散指数，T第一预设高度为地面第一预设高度处气温，TCC为总云量；
根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。
2.根据权利要求1所述的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，其特征在于，所述获取滞留指数包括：
根据地面第二预设高度处风场的风速数据、风速数据的采样时间间隔、风速数据的采样起始时间和终止时间，计算滞留指数。
3.根据权利要求1所述的利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的方法，其特征在于，所述获取通风指数包括：通过计算在边界层高度以下的相邻层高度差与该层风速乘积之和得到通风指数；
所述根据所获取的滞留指数和通风指数计算扩散指数包括：对所得到的通风指数进行归一化处理后计算扩散指数。
4.一种利用臭氧潜势指数预报臭氧浓度的装置，其特征在于，包括：
数据获取单元，用于获取地面第一预设高度处气温，并获取扩散指数和总云量；其中，获取扩散指数包括：获取 滞留指数和通风指数；根据所获取的滞留指数和通风指数，计算扩散指数；获取总云量包括：通过各高度层上的相对湿度计算各高度层上的云量；对计算得到的各高度层上的云量进行比较得到各高度层上的云量中的最大值，作为总云量；
臭氧潜势指数计算单元，用于通过以下公式计算臭氧潜势指数：OPI＝DI*T第一预设高度*(1-TCC)；式中，OPI为臭氧潜势指数，DI为扩散指数，T第一预设高度为地面第一预设高度处气温，TCC为总云量；
臭氧浓度预报单元，用于根据计算得到的臭氧潜势指数与同时期同区域的历史臭氧浓度数据进行拟合，得到利用臭氧潜势指数计算臭氧浓度数据的拟合公式，用于通过预报臭氧潜势指数来预报臭氧浓度。
5.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器，以及
与所述一个或多个处理器耦合的存储器，所述存储器存储指令，当所述指令被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1到3中任一项所述的方法。
6.一种机器可读存储介质，其特征在于，所述机器可读存储介质存储有可执行指令，所述指令当被执行时使得所述机器执行如权利要求1到3中任一项所述的方法。
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