CN114330415A - 一种海洋盐雾近海空间分布预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋盐雾近海空间分布预测方法，包括，S1：获取待预测地点的环境特征数据；S2：根据环境特征数据，确定盐雾来源的海岸方位以及待预测地点与盐雾来源之间的距离；S3：获取盐雾来源处的特征数据，包括盐雾来源处的盐雾粒径大小和盐雾浓度的高度分布；S4：根据近海盐雾浓度预测模型代入所述环境特征数据计算待预测地点盐雾浓度和盐雾沉积率；盐雾浓度

盐雾沉积率S_salt＝8.644×10⁴·v_f·C_salt。本发明针对海洋环境下盐雾的形成机制，获取环境特征数据，可快速预测海域或海岸产生的海盐粒子量向内陆的输送与分布状况。

Description

一种海洋盐雾近海空间分布预测方法

技术领域

本发明涉及环境空气质量预测技术领域，具体涉及一种海洋盐雾近海空间分布预测方法。

背景技术

海盐粒子是从海面向空气中放出的微小液滴，并以液滴或盐核微粒的状态悬浮于空气中，通过气流广范围传播。沉积在设备、建筑表面的盐雾会潮解电离、诱发材料腐蚀与老化。海面产生的大量盐雾微粒使得近海与海上区域的大气具有腐蚀性，而空气中盐雾的浓度与沉降速率是大气腐蚀性分类和评估的重要环境因素之一。

悬浮盐雾在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对环境质量影响巨大。虽然气象站可以监测获得较为准确的盐雾数据，但目前气象站数量有限且空间分布不均，难以实现对盐雾浓度的全方位实时监测及预测。近年有专家学者在盐雾分布预测方面开展了大量研究工作，部分通过人工神经网络、统计预测等方法实现了对盐雾分布的广范围预测。但是这些方法简化了较多影响因子，对于盐雾与环境的关联性较弱。在实际情况中多数不同环境因素间存在相互作用，并对盐雾传播产生耦合效应，则不能建立准确的预测盐雾浓度的方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种海洋盐雾近海空间分布预测方法，针对海洋环境下盐雾的形成机制，获取环境特征数据，预测海域或海岸产生的海盐粒子量向内陆的输送与分布状况。

本发明的一种海洋盐雾近海空间分布预测方法，包括，

S1：获取待预测地点的环境特征数据；

S2：根据所述环境特征数据，确定盐雾来源的海岸方位以及所述待预测地点与所述盐雾来源之间的距离；

S3：获取所述盐雾来源处的特征数据，包括所述盐雾来源处的盐雾粒径大小和盐雾浓度的高度分布；

S4：根据近海盐雾浓度预测模型公式(1)、公式(2)，代入所述环境特征数据计算待预测地点盐雾浓度和盐雾沉积率；

盐雾浓度C_salt，单位为g·m^-3，

盐雾沉积率S_salt，单位为g·m^-3·day^-1，

S_salt＝8.644×10⁴·v_f·C_salt (2)，

其中a为所述盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数，单位为个·s·m^-3，v_wind为风速，单位为m·s^-1，m_salt为单个盐雾颗粒质量，单位为g，h为待预测地点的海拔高度，单位为m，v_f为盐雾粒子沉降速率，单位为m·s^-1，L为所述盐雾来源至所述待预测地点的盐雾传播距离，单位为m。

本发明中，所述待预测地点的环境特征数据包括区域地理信息和气象资料历史数据，所述区域地理信息包括待预测地点及其周边海岸的地理方位坐标和海拔高度，所述气象资料历史数据包括相对湿度RH、温度T、风速v_wind和风向。

根据所述环境特征数据中的风向和区域地理信息，获取所述风向上的海岸方位坐标，将所述海岸方位坐标确定为所述盐雾来源，获取所述盐雾来源与所述待预测地点的所述盐雾传播距离，其中，

所述盐雾来源与所述待预测地点间的平均风速和风向保持一致；根据气象资料历史数据确定的盐雾来源地点与待预测地点平均风速、风向一致时，可提高预测的准确性。并且所述平均风速和风向的持续时间满足：持续时间×平均风速≥所述盐雾传播距离。

所述盐雾来源处的盐雾粒径大小和盐雾浓度的高度分布通过现场监测获得，当无法测量所述盐雾来源处的盐雾粒径大小时，所述盐雾来源处的盐雾粒径按照以下公式(3)取值：

式中c₁、c₂、c₃、c₄为关联公式计算参数，c₁＝0.7674，c₂＝3.079，c₃＝2.573×10^-11，c₄＝-1.424，RH为相对湿度，以百分比表示，0％<RH<100％，r_d为干燥盐核颗粒粒径，单位为cm，r_d＝5×10^-5cm。

本发明所述盐雾来源处的盐雾浓度的高度分布符合公式(4)，

N(h′)_L＝0为高度h′处的盐雾颗粒浓度，单位为个·m^-3，盐雾传播距离L＝0指盐雾来源处，v_wind为风速，单位为m·s^-1，h′为所述盐雾来源处沿岸测量点高度，单位为m，通过公式(4)获得所述盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数a，单位为个·s·m^-3。

所述公式(1)、公式(2)求解的关联公式如下：

1)

v_f为盐雾粒子沉降速率，单位为m·s^-1，

2)g＝9.8，g为重力加速度，单位为m·s^-2，

3)

ρ_air为空气密度，单位为kg·m^-2，T为气温度，单位为℃，

4)(RH≥RH_sat)时，

(RH<RH_sat)时，ρ_salt＝3165，ρ_salt为盐雾粒子密度，单位为kg·m^-3，

5)RH_salt＝-0.0327·T+76.049，RH_sat为盐雾粒子的潮解湿度，以百分比表示，

6)(RH≥RH_sat)时，C_NaCl＝2.37×10^-4·T·RH-0.2237·RH-0.0237·T+22.37

(RH<RH_sat)时，C_NaCl＝ρ_salt/M(NaCl)，C_NaCl为盐雾粒子摩尔密度，单位为kmol·m^-3，

7)M(NaCl)＝58.5，盐雾粒子的摩尔质量，单位为g·mol^-1，

8)η＝-4×10^-17·T⁴+7×10^-14·T³-5×10^-11·T²+5×10^-8·T+2×10^-5，η为环境空气动力粘度，单位为Pa·s，

9)

单位为g，

10)C_salt(h′)_L＝0＝m_salt·N(h′)_L＝0，C_salt(h')_L＝0为盐雾来源处的盐雾浓度，单位为g·m^-3。

通过相对湿度RH、温度T、风速v_wind、盐雾传播距离L、盐雾粒径大小r、盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数a建立近海盐雾浓度预测模型，快速预测海域或海岸产生的海盐粒子量向内陆的输送与分布状况，本发明适用于所述待预测地点与所述盐雾来源之间的距离≤50Km的海洋盐雾近海空间分布的预测。

本发明具有以下有益效果：

1.本发明的环境盐雾浓度预测针对海洋环境下盐雾的形成机制，根据海盐粒子的发生区域的关键环境特征数据，利用粒径分布，传播距离、高度空间分布，温度、相对湿度、风速风向以及临近海岸特征进行数值解析，建立专业的预测模型，推测海域或海岸产生的海盐粒子量与向内陆的输送与分布状况，提高预测的准确性。

2.本发明的海洋盐雾近海空间分布预测方法，在近海与海上的工程建设、设备的盐雾环境腐蚀性等级防控、大气腐蚀预测，以及绘制腐蚀地图，作为经济建设的参考依据等方面，都具有重要意义。

附图说明

图1是本发明一种海洋盐雾近海空间分布预测方法的流程示意图；

图2是实施例中海洋盐雾近海二维空间分布示意图；

图3是实施例中海洋盐雾空间分布特性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细说明本发明的技术方案，以便本领域普通技术人员更好地理解和实施本发明的技术方案。

图1反映了以空气温度、相对湿度、风速风向以及临近海岸特征为主要环境影响因素，根据现场测量的沿海区域盐雾分布状态，建立的近海盐雾浓度预测模型对范围区域空间盐雾浓度进行预测的流程。

海盐粒子是从海面向空气中放出的微小液滴，并以液滴或盐核粒子的状态悬浮于空气中。盐雾含量受环境因素影响，大气温湿度变化改变空气中悬浮盐雾颗粒的性状。同时不同天气状况下空气中海盐粒子含量不同，雨、雾等天气环境下空气中盐含量较高，盐雾浓度与环境湿度密切相关。空气中的悬浮海水微液滴与纯水水滴不同，含盐液滴表面平衡水蒸汽压(相对湿度)与溶液浓度呈线性关系，当周围相对湿度低于悬浮液滴表面相对湿度时，水滴蒸发并变小，而溶液盐浓度变大。反之，则发生吸湿，液滴直径变大，溶液浓度降低，饱和盐(氯化钠)溶液的平衡(潮解)相对湿度受温度影响，约为RH＝75％。当风速一定时，干燥的空气环境有利于盐雾水分蒸发成干盐核，这有利于海盐粒子的长距离传播。

悬浮盐雾胶体粒子产生于海洋活动，盐雾以海岸线为基准从海岸向内陆迁移过程中，受环境变化影响盐雾颗粒伴随个体状态变化，数量随沉降逐渐减少，其迁移期间不会产生新增盐雾加入。通过针对盐雾沉降量作过仔细的实地测量发现，飘浮于大气环境中的盐雾的含盐量和盐雾沉降量，都与该测量点到海岸的距离成反比；如图2所示，离海越远的地方，大气中盐雾含盐量和盐雾沉降量越小。预测盐雾可以将海岸线视为原点，由此盐雾的预测可分为：生成过程(海岸零点盐雾浓度预测)——迁移过程(内陆传播·沉积过程预测)。

通过以上研究，本发明根据海盐粒子的发生区域的关键影响环境条件，例如气温度、相对湿度、风速风向以及临近海岸特征等环境特征数据进行数值解析，推测海域或海岸产生的海盐粒子量与向内陆的输送与分布状况。得到一种海洋盐雾近海空间分布预测方法，包括，

S1：获取待预测地点的环境特征数据，本实施例中，待预测地点的环境特征数据包括区域地理信息和气象资料历史数据，所述区域地理信息包括待预测地点及其周边海岸的地理方位坐标和海拔高度，所述气象资料历史数据包括相对湿度RH、温度T、风速v_wind和风向；

S2：根据所述环境特征数据，确定盐雾来源的海岸方位以及所述待预测地点与所述盐雾来源之间的距离L；

S3：获取所述盐雾来源处的特征数据，包括所述盐雾来源处的盐雾粒径大小和盐雾浓度的高度分布；

S4：根据近海盐雾浓度预测模型公式(1)、公式(2)，代入所述环境特征数据计算待预测地点盐雾浓度和盐雾沉积率；

盐雾浓度C_salt，单位为g·m^-3，

盐雾沉积率S_salt，单位为g·m^-3·day^-1，

S_salt＝8.644×10⁴·v_f·C_salt (2)，

其中a为所述盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数，单位为个·s·m^-3，v_wind为风速，单位为m·s^-1，m_salt为单个盐雾颗粒质量，单位为g，h为待预测地点的海拔高度，单位为m，v_f为盐雾粒子沉降速率，单位为m·s^-1，L为所述盐雾来源至所述待预测地点的盐雾传播距离，单位为m。

本实施例中根据所述环境特征数据中的风向和区域地理信息，获取所述风向上的海岸方位坐标，将所述海岸方位坐标确定为所述盐雾来源，获取所述盐雾来源与所述待预测地点的所述盐雾传播距离，其中，

所述盐雾来源与所述待预测地点间的平均风速和风向保持一致；根据气象资料历史数据确定的盐雾来源地点与待预测地点平均风速、风向一致时，可提高预测的准确性。并且所述平均风速和风向的持续时间满足：持续时间×平均风速≥所述盐雾传播距离。

所述盐雾来源处的盐雾粒径大小和盐雾浓度的高度分布通过现场监测获得，当无法测量所述盐雾来源处的盐雾粒径大小时，所述盐雾来源处的盐雾粒径按照以下公式(3)取值：

式中c₁、c₂、c₃、c₄为关联公式计算参数，c₁＝0.7674，c₂＝3.079，c₃＝2.573×10^-11，c₄＝-1.424，c₁、c₂、c₃、c₄可作经验参数使用，减少工作步骤，RH为相对湿度，以百分比表示，0％<RH<100％，r_d为干燥盐核颗粒粒径，单位为cm，r_d＝5×10^-5cm。

所述盐雾来源处的盐雾浓度的高度分布符合公式(4)，

N(h′)_L＝0为高度h′处的盐雾颗粒浓度，单位为个·m^-3，盐雾传播距离L＝0指盐雾来源处，v_wind为风速，单位为m·s^-1，h′为所述盐雾来源处沿岸测量点高度，单位为m，通过公式(4)获得所述盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数a，单位为个·s·m^-3。

作为本实施例的一种求解方法，所述公式(1)、公式(2)求解的关联公式如下：

1)

v_f为盐雾粒子沉降速率，单位为m·s^-1，

2)g＝9.8，g为重力加速度，单位为m·s^-2，

3)

ρ_air为空气密度，单位为kg·m^-2，T为气温度，单位为℃，

4)(RH≥RH_sat)时，

(RH<RH_sat)时，ρ_salt＝3165，ρ_salt为盐雾粒子密度，单位为kg·m^-3，

5)RH_salt＝-0.0327·T+76.049，RH_sat为盐雾粒子的潮解湿度，以百分比表示，

6)(RH≥RH_sat)时，C_NaCl＝2.37×10^-4·T·RH-0.2237·RH-0.0237·T+22.37

(RH<RH_sat)时，C_NaCl＝ρ_salt/M(NaCl)，C_NaCl为盐雾粒子摩尔密度，单位为kmol·m^-3，

7)M(NaCl)＝58.5，盐雾粒子的摩尔质量，单位为g·mol^-1，

8)η＝-4×10^-17·T⁴+7×10^-14·T³-5×10^-11·T²+5×10^-8·T+2×10^-5，η为环境空气动力粘度，单位为Pa·s，

9)

单位为g，

10)C_salt(h′)_L＝0＝m_salt·N(h′)_L＝0，C_salt(h')_L＝0为盐雾来源处的盐雾浓度，单位为g·m^-3。

关联公式4)、5)、6)给予了有关盐雾(氯化钠)潮解特性的状态描述公式，根据公式可以通过环境温湿度计算盐的潮解湿度RH_salt、潮解或干燥状态下盐雾粒子密度ρ_salt、盐雾粒子摩尔密度C_NaCl。

根据热力学定律，盐类水解产生的电解液浓度及液膜厚度会在温湿度的影响下发生改变并具有以下特征：

(1)盐类物质在湿润的大气环境中会吸湿潮解形成电解质溶液，潮解湿度与盐种类、环境温度有关；

(2)潮解形成的微液滴以盐结晶为起点，潮解形成的电解质溶液浓度随相对湿度升高而降低，成线性关系；

(3)盐在水中的溶解度随温度的上升而上升，同时饱和溶液的密度或浓度及平衡相对湿度降低。基于以上盐的热力学特性，盐雾(氯化钠)潮解相对湿度RH_sat与温度T的关系满足关联公式5)，盐雾粒子密度ρ_salt、盐雾粒子摩尔密度C_NaCl与温湿度的关系符合关联公式4)、6)中(RH≥RH_sat)的描述。当环境相对湿度低于潮解湿度时(RH<RH_sat)，以固体盐的盐雾粒子密度ρ_salt、盐雾粒子摩尔密度C_NaCl进行计算。

本发明的创新之处在于，通过相对湿度RH、温度T、风速v_wind、盐雾传播距离L、盐雾粒径大小r、盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数a建立近海盐雾浓度预测模型，快速预测海域或海岸产生的海盐粒子量向内陆的输送与分布状况，本发明适用于所述待预测地点与所述盐雾来源之间的距离≤50Km的海洋盐雾近海空间分布的预测。

上述实施例仅是本发明较优实施例，但并不能作为对发明的限制，任何基于本发明构思基础上作出的变型和改进，均应落入到本发明保护范围之内，具体保护范围以权利要求书记载为准。

Claims (7)

1.一种海洋盐雾近海空间分布预测方法，其特征在于：包括，

S1：获取待预测地点的环境特征数据；

S2：根据所述环境特征数据，确定盐雾来源的海岸方位以及所述待预测地点与所述盐雾来源之间的距离；

S3：获取所述盐雾来源处的特征数据，包括所述盐雾来源处的盐雾粒径大小和盐雾浓度的高度分布；

S4：根据近海盐雾浓度预测模型公式(1)、公式(2)，代入所述环境特征数据计算待预测地点盐雾浓度和盐雾沉积率；

盐雾浓度C_salt，单位为g·m^-3，

盐雾沉积率S_salt，单位为g·m^-3·day^-1，

S_salt＝8.644×10⁴·v_f·C_salt (2)，

其中a为所述盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数，单位为个·s·m^-3，v_wind为风速，单位为m·s^-1，m_salt为单个盐雾颗粒质量，单位为g，h为待预测地点的海拔高度，单位为m，v_f为盐雾粒子沉降速率，单位为m·s^-1，L为所述盐雾来源至所述待预测地点的盐雾传播距离，单位为m。

2.根据权利要求1所述海洋盐雾近海空间分布预测方法，其特征在于：所述待预测地点的环境特征数据包括区域地理信息和气象资料历史数据，所述区域地理信息包括待预测地点及其周边海岸的地理方位坐标和海拔高度，所述气象资料历史数据包括相对湿度RH、温度T、风速v_wind和风向。

3.根据权利要求2所述海洋盐雾近海空间分布预测方法，其特征在于：根据所述环境特征数据中的风向和所述区域地理信息，获取所述风向上的海岸方位坐标，将所述海岸方位坐标确定为所述盐雾来源，获取所述盐雾来源与所述待预测地点的所述盐雾传播距离，其中，

所述盐雾来源与所述待预测地点间的平均风速和风向保持一致；

所述平均风速和风向的持续时间满足：持续时间×平均风速≥所述盐雾传播距离。

4.根据权利要求3所述海洋盐雾近海空间分布预测方法，其特征在于：所述盐雾来源处的盐雾粒径大小和盐雾浓度的高度分布通过现场监测获得，当无法测量所述盐雾来源处的盐雾粒径大小时，所述盐雾来源处的盐雾粒径按照以下公式(3)取值：

式中c₁、c₂、c₃、c₄为关联公式计算参数或经验参数，c₁＝0.7674，c₂＝3.079，c₃＝2.573×10^-11，c₄＝-1.424，RH为相对湿度，以百分比表示，0％<RH<100％，r_d为干燥盐核颗粒粒径，单位为cm，r_d＝5×10^-5cm。

5.根据权利要求4所述海洋盐雾近海空间分布预测方法，其特征在于：所述盐雾来源处的盐雾浓度的高度分布符合公式(4)，

N(h′)_L＝0为高度h′处的盐雾颗粒浓度，单位为个·m^-3，L＝0指盐雾来源处，v_wind为风速，单位为m·s^-1，h′为所述盐雾来源处沿岸测量点高度，单位为m，通过公式(4)获得所述盐雾来源处海岸盐雾浓度分布系数a，单位为个·s·m^-3。

6.根据权利要求5所述海洋盐雾近海空间分布预测方法，其特征在于：所述公式(1)、公式(2)求解的关联公式如下：

1)

v_f为盐雾粒子沉降速率，单位为m·s^-1，

2)g＝9.8，g为重力加速度，单位为m·s^-2，

3)

ρ_air为空气密度，单位为kg·m^-2，T为气温度，单位为℃，

4)(RH≥RH_sat)时，

(RH<RH_sat)时，ρ_salt＝3165，ρ_salt为盐雾粒子密度，单位为kg·m^-3，

5)RH_salt＝-0.0327·T+76.049，RH_sat为盐雾粒子的潮解湿度，以百分比表示，

6)(RH≥RH_sat)时，C_NaCl＝2.37×10^-4·T·RH-0.2237·RH-0.0237·T+22.37

(RH<RH_sat)时，C_NaCl＝ρ_salt/M(NaCl)，C_NaCl为盐雾粒子摩尔密度，单位为kmol·m^-3，

7)M(NaCl)＝58.5，盐雾粒子的摩尔质量，单位为g·mol^-1，

8)η＝-4×10^-17·T⁴+7×10^-14·T³-5×10^-11·T²+5×10^-8·T+2×10^-5，η为环境空气动力粘度，单位为Pa·s，

9)

单位为g，

10)C_salt(h′)_L＝0＝m_salt·N(h′)_L＝0，C_salt(h')_L＝0为盐雾来源处的盐雾浓度，单位为g·m^-3。

7.根据权利要求1至6任意一项所述海洋盐雾近海空间分布预测方法，其特征在于：所述待预测地点与所述盐雾来源之间的距离≤50Km。

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