CN116264105A - 一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，包括S1、制作符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单；S2、以同位素排放源清单、气象场和初边界条件驱动大气化学传输模式，标记t时刻化学反应过程前后反应物以及生成物的浓度；S3、耦合同位素分馏模块，计算同位素分馏系数、t时刻剩余反应物和生成物的同位素比值和反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化等步骤。优点是：发展适用于在模型中表征不同核素物种的同位素化学分馏机制和同位素组成的算法，突破大气化学反应过程同位素分馏效应与大气传输模式的耦合等方面技术瓶颈，实现由单一核素向多核素大气化学传输模式的发展。

Description

一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法
技术领域
本发明涉及大气化学技术领域，尤其涉及一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法。
背景技术
准确识别并定量解析大气细颗粒物(PM2.5)的来源和污染过程，是建立行之有效的空气质量污染防控措施及改善空气质量的前提和关键。
大气污染物来源解析的技术方法主要有源清单法，源模型法和受体模型法(如化学质量平衡模型和正交矩阵因子分解法)等，但由于典型排放源谱的局限性以及不同研究在分析手段、源解析方法和示踪物种等存在差异，同一地区的源解析结果存在较大的差异。现有的源清单法无法对其进行高时间分辨率的大空间尺度源追踪以及受体模型法无法对颗粒物中化学组分的二次源进行精细解析。如硫酸盐等主要来自于SO2的二次转化过程，其浓度水平变化特征并不能作为其硫源的示踪剂，特别是其在大气中复杂的均相、液相和非均相氧化过程，大气颗粒物中硫酸盐浓度和SO2之间的非线性变化关系也为定量解析燃煤、工业等对硫酸盐的溯源增加了难度。虽然耦合源解析模块的大气化学传输模式(如CMAQ(社区多尺度空气质量模型，Community Multiscale Air Quality Modeling System)、CAMx(综合空气质量扩展模型，Comprehensive Air quality Model with extensions)、WRF-Chem(气相与污染耦合的天气预报与化学模式，Weather Research Forecasting/Chemistry)、NAQPMS(嵌套网格空气质量预报模式系统，Nested Air Quality PredictionModeling System)等)针对重污染过程频发地区开展了卓有成效的污染物来源和跨界输送定量研究，但由于现有模式中传统化学机制参数化方案对二次无机/有机污染物的低估，缺乏对现有化学机制和排放清单的约束和优化，极大程度上影响了源模型法在大气污染成因和溯源中的应用效果。
大气气溶胶的来源、化学过程及跨界传输研究是一个多学科交叉的研究难题。目前稳定同位素及放射性同位素分析技术可为研究这个难题提供一种新的研究思路和技术手段。其中，同位素的源指纹特征可作为一种示踪标记污染物质来源的手段，弥补标识性关键元素地球化学研究的某些不足，为环境系统污染物源解析提供了新的途径和反馈验证。贝叶斯稳定同位素混合模型现被广泛应用于大气化学领域中硫酸盐、硝酸盐和铵盐等组分的来源解析，虽然该模型中考虑了化学过程的同位素化学分馏，但其未考虑不同化学过程组合下分馏系数的变化，不能够及时反映大气状态(温度)瞬时性对化学过程同位素分馏系数的影响，无法做到对大气气团高时间分辨的地理追踪，并且其是基于小样本数据集的概率统计学算法，源解析结果过分依赖输入源的信息，具有较大的解析误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，包括如下步骤，
S1、基于物种的同位素指纹源谱库，制作符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单；
S2、以符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单结合气象场和初边界条件驱动大气化学传输模式，标记t时刻化学反应过程前后反应物以及生成物的浓度；
S3、在大气化学传输模式中耦合同位素化学分馏模块，利用步骤S2中获取的数据，计算不同化学反应过程的同位素分馏系数，根据瑞利分馏公式，分别计算得到标记的化学反应过程中t时刻反应物和生成物的同位素比值，同时由同位素物质平衡关系计算反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化，更新t时刻含不同核素的反应物和生成物的浓度和同位素比值。
优选的，步骤S1具体为，根据不同物种同位素指纹源谱库的特征，基于同位素比值的算法和同位素物质平衡原则，见公式(1)-(3)，对不同行业、不同地区关键元素的排放清单进行同位素指纹源谱库的多核素质量分配，制作符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单；
Figure SMS_1
Figure SMS_2
Figure SMS_3
其中，同位素比值标度δhX(‰)为样品中X元素特定同位素比值R(hX/lX)与标准样品同位素比值R(hX/lX)Ref之间的相对偏差；mX和
Figure SMS_4
分别是含元素X和不同核素iX的物种的质量，fi是不同核素iX的丰度分数；N(hX)和N(hX)分别为含X元素的重同位素hX与轻同位素lX的实体微粒数。
优选的，步骤S2具体为，以符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单结合气象场和初边界条件驱动大气化学传输模式，标记化学反应过程t-1时刻反应物的浓度和t时刻化学反应过程后反应物剩余浓度以及生成物的浓度，计算t时刻反应物剩余比例，见公式(4)，
frem＝CQ,t/CQ,t-1 (4)
其中，CQ,t和CQ,t-1分别为t和t-1时刻的反应物Q的浓度，frem为反应物的剩余比例。
优选的，步骤S3具体包括如下内容，
S31、将t-1时刻反应物和生成物同位素比值、t时刻化学反应过程后的反应物的剩余比例和温度，一同输入大气化学传输模式耦合的同位素化学分馏模块，计算同位素分馏系数，见公式(5)，
αhXP/Q＝α275K-C×T (5)
其中，αhXP/Q为生成物P和反应物Q中同一元素X特定同位素比值的同位素分馏系数,即生成物P和反应物Q中同一元素X特定同位素比值的分馏程度；α275K为275K条件下某化学过程特定同位素物种的同位素分馏系数；C为同位素分馏系数随温度变化的常数；T为摄氏温度；
S32、根据瑞利分馏公式，计算t时刻经标记气相化学反应同位素分馏过程后反应物和生成物的同位素比值，见公式(6)-(8)，
Figure SMS_5
Figure SMS_6
Figure SMS_7
其中，R(hX/lX)Q,t和R(hX/lX)Q,t-1分别为t和t-1时刻反应物Q中X元素的重同位素含量hX与轻同位素含量lX的瞬时比值，即分别为t和t-1时刻反应物Q的同位素比值；R(hX/lX)P,t为t时刻生成物P的同位素比值；
S33、由同位素物质平衡关系计算化学反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化，见公式(9)-(10)，更新t时刻同一网格内含不同核素的反应物和生成物的浓度，见公式(11)-(14)；反应物和生成物中某物种的同位素组成是表征多个排放源的同位素源谱库经过同位素化学分馏、输送扩散和沉降过程之后的混合结果，利用同位素比值标度表示；
ΔMC(lX)t＝(MC(hX)t-1-R(hX/lX)Q,t×MC(lX)t-1)/(R(hX/lX)P,t-R(hX/lX)Q,t) (9)
ΔMC(hX)t＝R(hX/lX)P,t×ΔMC(lX)t (10)
MC(hX)Q,t＝MC(hX)Q,t-1-ΔMC(hX)t (11)
MC(lX)Q,t＝MC(lX)Q,t-1-ΔMC(lX)t) (12)
MC(hX)P,t＝MC(hX)P,t-1+ΔMC(hX)t (13)
MC(lX)P,t＝MC(lX)P,t-1+ΔMC(lX)t (14)
其中，ΔMC(hX)t和ΔMC(lX)t分别为化学反应过程中t时刻含X元素的重同位素hX与轻同位素lX的物种物质的量浓度的变化值；MC(hX)Q,t和MC(hX)Q,t-1分别为反应物Q在t时刻和t-1时刻含X元素的重同位素hX的物种物质的量浓度；MC(lX)Q,t和MC(lX)Q,t-1分别为反应物Q在t时刻和t-1时刻含X元素的轻同位素lX的物种物质的量浓度；MC(hX)P,t和MC(hX)P,t-1分别为生成物P在t时刻和t-1时刻含X元素的重同位素hX的物种物质的量浓度；MC(lX)P,t和MC(lX)P,t-1分别为生成物P在t时刻和t-1时刻含X元素的轻同位素lX的物种物质的量浓度。
本发明的有益效果是：突破箱式模型对化学物种单元格之间输送模拟的局限，基于大气传输模式的框架，集成排放清单不同行业的同位素和元素指纹数据库数据，发展标记“同位素指纹谱库”的三维大气同位素化学传输模式。发展适用于在模型中合理表征不同核素物种的同位素化学分馏机制和同位素组成的算法，突破大气化学反应过程的同位素分馏效应与大气传输模式的耦合等方面技术瓶颈，实现由单一核素向多核素大气化学传输模式的发展，追踪标记不同同位素异数体的排放、输送(水平平流和垂直对流)、扩散(水平和垂直扩散)、化学转化(气、液、固相化学反应)、清除机制(干湿沉降)过程，完成对二次无机气溶胶在大气中生消演变过程的同位素示踪模拟。
附图说明
图1是同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法流程图；
图2是硫同位素化学分馏与大气化学传输模式GNAQPMS耦合的算法流程图；
图3是不同S(IV)氧化机制对同位素大气化学传输模式中硫同位素化学分馏结果的影响示意图；
图4是同位素大气化学传输模式中夏冬不同季节硫同位素分馏值Δδ34S的经向变化特征示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本实施例中，提供了一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，包括如下步骤，
S1、基于物种的同位素指纹源谱库，制作符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单；
S2、以符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单结合气象场和初边界条件驱动大气化学传输模式，标记t时刻化学反应过程前后反应物以及生成物的浓度；
S3、在大气化学传输模式中耦合同位素化学分馏模块，利用步骤S2中获取的数据，计算不同化学反应过程的同位素分馏系数，根据瑞利分馏公式，分别计算得到标记的化学反应过程中t时刻反应物和生成物的同位素比值，同时由同位素物质平衡关系计算反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化，更新t时刻含不同核素的反应物和生成物的浓度和同位素比值。
本发明将同位素化学分馏模块耦合到全球-区域多尺度嵌套网格空气质量预报模式系统GNAQPMS(Global Nested Air Quality Prediction Modeling System)中，发展的同位素大气化学传输模式可用于化学过程示踪及溯源的数值模拟。GNAQPMS是基于嵌套网格空气质量预报模式系统NAQPMS(Nested Air Quality Prediction Modeling System)和全球环境大气传输模式GEATM(Global Environmental Atmospheric Transport Model)发展起来的全球多尺度嵌套(全球-区域-城市)大气化学传输模式，GNAQPMS是一个多尺度三维欧拉大气化学传输模式，可模拟臭氧、氮氧化物、一氧化碳等痕量气体以及沙尘、海盐、硫酸盐、硝酸盐、黑碳、有机碳等气溶胶成分。
结合上述内容，本发明主要包括三部分内容，分别是制作取同位素排放源清单，标记气相和液相等化学反应过程前后反应物以及生成物的浓度、在大气化学传输模式中耦合同位素化学分馏模块，计算同位素分馏系数和反应物和生成物的同位素比值，下面分别针对这三部分内容进行详细解释。
一、制作同位素排放源清单
为了实现化学物种单一核素到其不同同位素异数体多核素三维模拟，须首先实现同位素指纹源谱库与排放源物种的整合和准模式接入。
步骤S1具体为，根据不同物种同位素指纹源谱库的特征，基于同位素比值的算法和同位素物质平衡原则(如公式1-3)，对不同行业、不同地区关键元素的排放清单进行同位素指纹源谱库(如32S,34S；14N,15N等)的多核素质量分配，制作符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单。
Figure SMS_8
Figure SMS_9
Figure SMS_10
其中，同位素比值标度δhX(‰)为样品中X元素特定同位素比值R(hX/lX)与标准样品同位素比值R(hX/lX)Ref之间的相对偏差；mX和
Figure SMS_11
分别是含元素X和不同核素iX的物种的质量，fi是不同核素iX的丰度分数；N(hX)和N(hX)分别为含X元素的重同位素hX与轻同位素lX的化合物的实体微粒数。
二、标记气相反应过程和液相反应过程
将物种进行核素多维化后(步骤S1)，以符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单结合气象场和初边界条件驱动全球-区域多尺度嵌套网格空气质量预报模式，标记不同的气相和液相化学反应过程。即对应步骤S2的内容，S2具体为：以符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单结合气象场和初边界条件驱动大气化学传输模式，标记化学反应过程t-1时刻反应物的浓度和t时刻化学反应过程后反应物剩余浓度以及生成物的浓度，计算t时刻反应物剩余比例，见公式(4)，
frem＝CQ,t/CQ,t-1 (4)
其中，CQ,t和CQ,t-1分别为t和t-1时刻的反应物Q的浓度，frem为反应物的剩余比例。
如图2所示，本实施例中，以SO2/SO4 2--硫同位素化学分馏机制与大气化学传输模式的耦合算法为例，具体说明标记气相化学反应和液相化学反应过程：
GNAQPMS模式中气相化学反应过程采用的是最新的CBM-Z气相化学机制，液相化学反应过程采用RADM2液相化学反应机制；气相化学反应过程利用气相模式提供的云水、雨水资料和网格内的气相要素，液相化学反应过程考虑了污染物的云雨吸收、溶解、电离等液相过程。液相反应主要包括云相S(IV)与不同氧化剂(如H2O2，O3，Fe/Mn催化下的O2氧化等)之间的反应，分别标记t-1时刻化学反应过程前反应物的浓度和t时刻化学反应后反应物剩余浓度以及生成物的浓度，计算t时刻反应物剩余比例。
三、同位素化学分馏模块与大气化学传输模式的耦合
在GNAQPMS中耦合硫同位素化学分馏模块时，充分保持其模块的独立性，气相化学、液相化学的同位素分馏过程采用单独模块计算，反应物浓度由模式原有的CBM-Z气相化学机制和RADM2液相化学机制计算输入。
该部分内容对应步骤S3，S3具体为：
S31、将t-1时刻反应物和生成物同位素比值、t时刻化学反应过程后的反应物的剩余比例和温度，一同输入大气化学传输模式耦合的同位素化学分馏模块，计算同位素分馏系数，见公式(5)，
αhXP/Q＝α275K-C×T (5)
其中，αhXP/Q为生成物P和反应物Q中同一元素X特定同位素比值的同位素分馏系数,即生成物P和反应物Q中同一元素X特定同位素比值的分馏程度；α275K为275K条件下某化学过程特定同位素物种的同位素分馏系数；C为同位素分馏系数随温度变化的常数；T为摄氏温度；
S32、根据瑞利分馏公式，计算t时刻经标记气相化学反应同位素分馏过程后反应物和生成物的同位素比值，见公式(6)-(8)，
Figure SMS_12
Figure SMS_13
Figure SMS_14
其中，R(hX/lX)Q,t和R(hX/lX)Q,t-1分别为t和t-1时刻反应物Q中X元素的重同位素含量hX与轻同位素含量lX的瞬时比值，即分别为t和t-1时刻反应物Q的同位素比值；R(hX/lX)P,t为t时刻生成物P的同位素比值；
S33、由同位素物质平衡关系计算气相和液相化学反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化，见公式(9)-(10)，更新t时刻同一网格内含不同核素的反应物和生成物的浓度，见公式(11)-(14)；反应物和生成物中某物种的同位素组成是表征多个排放源的同位素源谱库经过同位素化学分馏、输送扩散和沉降过程之后的混合结果，利用同位素比值标度表示；
ΔMC(lX)t＝(MC(hX)t-1-R(hX/lX)Q,t×MC(lX)t-1)/(R(hX/lX)P,t-R(hX/lX)Q,t) (9)
ΔMC(hX)t＝R(hX/lX)P,t×ΔMC(lX)t (10)
MC(hX)Q,t＝MC(hX)Q,t-1-ΔMC(hX)t (11)
MC(lX)Q,t＝MC(lX)Q,t-1-ΔMC(lX)t) (12)
MC(hX)P,t＝MC(hX)P,t-1+ΔMC(hX)t (13)
MC(lX)P,t＝MC(lX)P ，t-1+ΔMC(lX)t (14)
其中，ΔMC(hX)t和ΔMC(lX)t分别为化学反应过程中t时刻含X元素的重同位素hX与轻同位素lX的物种物质的量浓度的变化值；MC(hX)Q,t和MC(hX)Q,t-1分别为反应物Q在t时刻和t-1时刻含X元素的重同位素hX的物种物质的量浓度；MC(lX)Q,t和MC(lX)Q,t-1分别为反应物Q在t时刻和t-1时刻含X元素的轻同位素lX的物种物质的量浓度；MC(hX)P,t和MC(hX)P,t-1分别为生成物P在t时刻和t-1时刻含X元素的重同位素hX的物种物质的量浓度；MC(lX)P,t和MC(lX)P,t-1分别为生成物P在t时刻和t-1时刻含X元素的轻同位素lX的物种物质的量浓度。
本实施例中，如图2所示，以SO2/SO4 2--硫同位素化学分馏机制与大气化学传输模式的耦合算法为例，具体说明该部分内容。气/液相同位素化学分馏模块具体包括如下内容：
A1、分别将气相和液相等化学机制后的反应物的消耗量和生成物量以及温度、反应物和生成物同位素比值，一同输入全球-区域多尺度嵌套网格空气质量预报模式系统耦合同位素化学分馏模块，计算同位素分馏系数。二氧化硫不同氧化过程中34S的同位素分馏系数方案参考Harris等学者2012和2014年在实验室条件测定得到的结果，其中与OH自由基的气相氧化过程中，硫同位素分馏系数为α34SOH(‰)＝1.0106–0.004×T；液相反应过程中SO2分别与O3，H2O2和过渡性金属催化反应的同位素分馏系数为
Figure SMS_15
Figure SMS_16
和α34STMI(‰)＝0.9949–0.237×T。每一个积分步长，计算得到不同化学反应过程后不同核素的同位素化学分馏程度。
A2、根据瑞利分馏公式，计算t时刻经标记气相反应同位素分馏过程后反应物和生成物的同位素比值。
A3、由同位素物质平衡关系计算气相和液相等反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化，同步更新不同网格不同高度t时次的32SO2、32SO4 2-、34SO2、34SO4 2-浓度。同一物种不同核素物种的干湿沉降、垂直扩散和水平输送方案同SO2、SO4 2-一样。最终通过气相场和排放源的驱动，考虑物质的平流、扩散、对流、气相和液相化学、非均相、气溶胶化学和干湿沉降过程，对化学成分欧拉输送方程的求解，输出带有同位素标记的目标化学物种的三维浓度空间分布等。反应物和生成物中某物种的同位素组成是表征多个排放源的同位素源谱库经过化学过程的同位素分馏过程之后的混合结果，利用同位素比值标度表示。
本发明发展适用于在模型中表征元素化学分馏机制的算法，实现对不同核素在化学反应过程中的同位素分馏机制的参数化，实现硫同位素化学模块与三维大气化学传输模式的耦合。其他如氨/铵-氮同位素的化学模块耦合也可遵循这个原则和算法。
实施例二
本实施例中，本发明算法的优越性主要体现在两个方面：
1、合理表征不同氧化机制对硫同位素分馏过程的影响
为了验不同S(IV)不同氧化过程对硫同位素化学分馏结果的影响结果，以北京城区证(40°N,116°E)结果为例，如图3所示，H2O2和O3液相氧化过程对硫同位素的分馏过程影响最大，Δδ34S在0‰～11‰之间浮动，其次是OH自由基气相氧化过程，而过渡性金属(TMI)催化氧化过程产生相反的同位素分馏效果，相应化学过程生成的硫酸盐δ34SO4 2-小于反应物二氧化硫δ34SO2，即该过程产生了重硫同位素的亏损，并且TMI催化氧化过程的分馏系数可能对温度更敏感一些，随着温度的增大，同位素分馏程度增大。敏感性分析结果表明建立的同位素大气化学传输模式在新的维度上实现了对化学物种不同核素的反应过程示踪和约束，作为一个独立的耦合模块，可在原有的单一核素模拟的基础上，对多核素物种从排放源到大气过程中的迁移转化过程实现模拟，基于耦合的同位素化学分馏过程的参数化，有效地再现了不同化学机制对化学物种中不同同位素异数体反应过程的分馏过程。
2、合理再现硫同位素分馏特征的时空变化特征
不同于外场观测数据集和箱式模型的结果，同位素大气化学传输模式基于动态源排放、大气传输与沉降和大气化学转化过程的计算，可以再现高分辨率时空尺度上大气前体物及其颗粒物中不同化学物种同位素异数体的分布特征，探究关键同位素组成的季节变化、纬度变化以及地区差异。
以北京城区点(40°N,116°E)为参考,图4为同位素大气化学传输模式硫同位素分馏值Δδ34S在夏冬不同季节的经向变化特征，其中左图为夏季，右图为冬季。当大气化学传输模式GNAQPMS综合考虑不同氧化过程的分馏系数、实际大气温度对分馏系数的影响以及主控氧化机制的季节变化等情况对硫酸盐δ34SO4 2-的影响时，硫酸盐组成及其硫同位素组成呈现夏季硫同位素分馏程度小于冬季的季节变化特征，即夏季硫酸盐中易富集轻硫同位素而冬季易富集重硫同位素。同时在海洋区域(～150°E-180°E,～120°W-180°W)，过渡性金属催化氧化的作用增大，硫酸盐中重硫同位素亏损增大，因此在一定程度上海洋区域形成的二次硫酸盐的硫同位素分馏程度相对陆地区域的较小。在硫酸盐浓度高的区域，当以气相和H2O2/O3液相氧化过程占主导时，重硫同位素向硫酸盐中转移，而剩余的SO2库残存更多的轻硫同位素，SO2的同位素储库效应加强，也会导致颗粒物中硫酸盐δ34SO4 2-趋于降低，这说明同位素分馏过程中反应物SO2同位素储库的影响不可忽视，体现了同位素大气化学传输模式及时反馈化学系统同位素分馏过程中反应物同位素组成的优势。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明提供了一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，本算法突破箱式模型对化学物种单元格之间输送模拟的局限，基于GNAQPMS模式的框架，集成排放清单不同行业的同位素和元素指纹数据库数据，发展标记“同位素指纹谱库”的三维大气同位素化学传输模式。发展的新算法突破大气化学过程同位素分馏效应与大气化学传输模式的耦合等方面技术瓶颈，合理表征大气化学传输模式中同位素的组成和化学分馏特征。本算法通过对同位素化学分馏过程参数化，模拟和反馈同位素物种在反应相和生成相中的变化，对化学过程进行动态同位素示踪约束，将有利于减小不同化学反应参数化方案对化学物种模拟结果准确度的影响，为进一步为基于大气同位素化学传输模式对颗粒物主要化学组分的精细化模拟和溯源提供支撑。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、基于物种的同位素指纹源谱库，制作符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单；
S2、以符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单结合气象场和初边界条件驱动大气化学传输模式，标记t时刻化学反应过程前后反应物以及生成物的浓度；
S3、在大气化学传输模式中耦合同位素化学分馏模块，利用步骤S2中获取的数据，计算不同化学反应过程的同位素分馏系数，根据瑞利分馏公式，分别计算得到标记的化学反应过程中t时刻反应物和生成物的同位素比值，同时由同位素物质平衡关系计算反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化，更新t时刻含不同核素的反应物和生成物的浓度和同位素比值。
2.根据权利要求1所述的适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，其特征在于：步骤S1具体为，根据不同物种同位素指纹源谱库的特征，基于同位素比值的算法和同位素物质平衡原则，见公式(1)-(3)，对不同行业、不同地区关键元素的排放清单进行同位素指纹源谱库的多核素质量分配，制作符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单；
Figure FDA0004041507430000011
Figure FDA0004041507430000012
Figure FDA0004041507430000013
其中，同位素比值标度δhX(％o)为样品中X元素特定同位素比值R(hX/lX)与标准样品同位素比值R(hX/lX)Ref之间的相对偏差；mX和
Figure FDA0004041507430000014
分别是含元素X和不同核素iX的物种的质量，fi是不同核素iX的丰度分数；N(hX)和N(hX)分别为含X元素的重同位素hX与轻同位素lX的实体微粒数。
3.根据权利要求2所述的适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，其特征在于：步骤S2具体为，以符合模式驱动的多核素标记的同位素排放源清单结合气象场和初边界条件驱动大气化学传输模式，标记化学反应过程t-1时刻反应物的浓度和t时刻化学反应过程后反应物剩余浓度以及生成物的浓度，计算t时刻反应物剩余比例，见公式(4)，
frem＝CQ，t/CQ，t-1 (4)
其中，CQ,t和CQ，t-1分别为t和t-1时刻的反应物Q的浓度，frem为反应物的剩余比例。
4.根据权利要求3所述的适用于同位素化学分馏与大气化学传输模式耦合的算法，其特征在于：步骤S3具体包括如下内容，
S31、将t-1时刻反应物和生成物同位素比值、t时刻化学反应过程后的反应物的剩余比例和温度，一同输入大气化学传输模式耦合的同位素化学分馏模块，计算同位素分馏系数，见公式(5)，
αhXP/Q＝α275K-C×T (5)
其中，αhXP/Q为生成物P和反应物Q中同一元素X特定同位素比值的同位素分馏系数，即生成物P和反应物Q中同一元素X特定同位素比值的分馏程度；α275K为275K条件下某化学过程特定同位素物种的同位素分馏系数；C为同位素分馏系数随温度变化的常数；T为摄氏温度；
S32、根据瑞利分馏公式，计算t时刻经标记气相化学反应同位素分馏过程后反应物和生成物的同位素比值，见公式(6)-(8)，
Figure FDA0004041507430000021
Figure FDA0004041507430000022
Figure FDA0004041507430000023
其中，R(hX/lX)Q，t和R(hX/lX)Q，t-1分别为t和t-1时刻反应物Q中X元素的重同位素含量hX与轻同位素含量lX的瞬时比值，即分别为t和t-1时刻反应物Q的同位素比值；R(hX/lX)P，t为t时刻生成物P的同位素比值；
S33、由同位素物质平衡关系计算化学反应过程含不同核素物种物质的量浓度的变化，见公式(9)-(10)，更新t时刻同一网格内含不同核素的反应物和生成物的浓度，见公式(11)-(14)；反应物和生成物中某物种的同位素组成是表征多个排放源的同位素源谱库经过同位素化学分馏、输送扩散和沉降过程之后的混合结果，利用同位素比值标度表示；
ΔMC(lX)t＝(MC(hX)t-1-R(hX/lX)Q，t×MC(lX)t-1)/(R(hX/lX)P，t-R(hX/lX)Q，t) (9)
ΔMC(hX)t＝R(hX/lX)P，t×ΔMC(lX)t (10)
MC(hX)Q，t＝MC(hX)Q，t-1-ΔMC(hX)t (11)
MC(lX)Q，t＝MC(lX)Q，t-1-ΔMC(lX)t) (12)
MC(hX)P，t＝MC(hX)P，t-1+ΔMC(hX)t (13)
MC(lX)P，t＝MC(lX)P，t-1+ΔMC(lX)t (14)
其中，ΔMC(hX)t和ΔMC(lX)t分别为化学反应过程中t时刻含X元素的重同位素hX与轻同位素lX的物种物质的量浓度的变化值；MC(hX)Q，t和MC(hX)Q，t-1分别为反应物Q在t时刻和t-1时刻含X元素的重同位素hX的物种物质的量浓度；MC(lX)Q，t和MC(lX)Q，t-1分别为反应物Q在t时刻和t-1时刻含X元素的轻同位素lX的物种物质的量浓度；MC(hX)P，t和MC(hX)P，t-1分别为生成物P在t时刻和t-1时刻含X元素的重同位素hX的物种物质的量浓度；MC(lX)P，t和MC(lX)P，t-1分别为生成物P在t时刻和t-1时刻含X元素的轻同位素lX的物种物质的量浓度。
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