CN117709208B - 一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，涉及大气环境科学技术领域，本发明通过融合气象数据、风廓线数据、激光雷达数据和地面监测站的污染物浓度、组分等数据，基于污染物的物理和化学性质，结合随机森林模型，提出了一种快速、合理计算大气环境容量的方法，本方法不仅可以直接计算大气环境容量，还可以采用预报数据对大气环境容量进行计算，便于尽早进行污染管控。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境科学技术领域，具体涉及一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法。
背景技术
环境质量底线是指标控制线，规定了区域环境管控、污染物排放控制等指标要求，常基于环境容量来进行指标管控。
针对大气环境容量预测，当前主流的分析手段主要包括：AP值法、线性规划法和模式模拟法。AP值法是最早的容量核算方法，适合大空间尺度上进行总量核算，原理在于将研究区视为箱体，同时假设箱体内污染物含量不受箱外污染排放影响，箱中某一污染物的环境容量与自然扩散能力、区域面积成正比。
线性规划法基于污染物排放总量和实际含量之间为显著性线性关系，利用线性规划理论，以管控限定浓度做为约束条件，得出排放源的最大学科排放量；该方法可得到区域的最佳环境容量。
模式模拟法是指利用空气质量模式，确定了管控浓度后，从空间尺度和时间尺度上模拟污染物的物理化学变化，反推污染物的来源，进而核算出环境容量。
但AP值法未考虑时空变化，仅适用于大空间尺度，同时无法预测环境容量；线性规划法可能需要大量数据且无法考虑非线性因素，适用面窄；而模式模拟法则对模式准确性和数据精度有更高要求。因此，以上方法均难以进行任意时空尺度环境容量快速预测计算。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法解决了现有方法难以进行任意时空尺度环境容量快速计算的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其包括以下步骤：
S1、获取目标区域激光雷达消光系数廓线数据、风廓线雷达风场数据和地理数据；
S2、基于目标区域地理数据，通过国标法计算混合层高度；
S3、获取目标区域地面处的目标污染物管控限制浓度，并根据消光系数廓线数据获取混合层高度内任一位置处的目标污染物管控限制浓度；
S4、基于混合层高度内任一位置处的目标污染物管控限制浓度、东西方向不同高度的风速和南北方向不同高度的风速获取目标区域中目标污染物的水平输送分量；
S5、根据目标区域中不同观测站点处的目标污染物浓度值获取目标区域中目标污染物的干沉降速率；
S6、基于目标区域中目标污染物的干沉降速率、目标区域中地面处的目标污染物管控限制浓度和目标区域投影面积获取目标区域中目标污染物的干沉降量；
S7、根据目标区域的降水数据和降水过程中不同时间点的目标污染物浓度，获取目标区域中目标污染物的湿沉降量；
S8、根据混合层最高位置处的目标污染物管控限制浓度和风速获取目标区域中目标污染物的扩散量；
S9、基于预设的常规大气六参数、氨气浓度和气象数据，通过随机森林模型获取目标污染物的化学转化率，并基于目标污染物的化学转化率计算目标污染物的化学消耗量；
S10、将目标区域中目标污染物的水平输送分量、干沉降量、湿沉降量、扩散量和化学消耗量进行单位统一，并在单位统一后进行数值相加，将数值相加结果作为目标区域中目标污染物的大气环境容量计算结果。
本发明的有益效果为：本发明基于边界层气象要素的垂直分布律，同时结合大气污染物的物理化学性质，实现管控单元内某一污染物的大气环境容量，提供了一种能够以任意时空尺度，同时兼具简单、快捷的人为排放污染物的大气环境容量计算方法，便于估算和预测大气环境容量。
附图说明
图1为本方法的流程示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该人为排放污染物的大气环境容量计算方法包括以下步骤：
S1、获取目标区域激光雷达消光系数廓线数据、风廓线雷达风场数据和地理数据；
S2、基于目标区域地理数据，通过国标法计算混合层高度；
S3、获取目标区域地面处的目标污染物管控限制浓度，并根据消光系数廓线数据获取混合层高度内任一位置处的目标污染物管控限制浓度；
S4、基于混合层高度内任一位置处的目标污染物管控限制浓度、东西方向不同高度的风速和南北方向不同高度的风速获取目标区域中目标污染物的水平输送分量；
S5、根据目标区域中不同观测站点处的目标污染物浓度值获取目标区域中目标污染物的干沉降速率；
S6、基于目标区域中目标污染物的干沉降速率、目标区域中地面处的目标污染物管控限制浓度和目标区域投影面积获取目标区域中目标污染物的干沉降量；
S7、根据目标区域的降水数据和降水过程中不同时间点的目标污染物浓度，获取目标区域中目标污染物的湿沉降量；
S8、根据混合层最高位置处的目标污染物管控限制浓度和风速获取目标区域中目标污染物的扩散量；
S9、基于预设的常规大气六参数、氨气浓度和气象数据，通过随机森林模型获取目标污染物的化学转化率，并基于目标污染物的化学转化率计算目标污染物的化学消耗量；
S10、将目标区域中目标污染物的水平输送分量、干沉降量、湿沉降量、扩散量和化学消耗量进行单位统一，并在单位统一后进行数值相加，将数值相加结果作为目标区域中目标污染物的大气环境容量计算结果。
地理数据包括目标区域中心经纬度、黄经、总云量、低云量，以及地面、10m和混合层高度处的风速风向数据和PM2.5离子成分数据。
在本发明的一个实施例中，步骤S2的具体方法包括以下子步骤：
S2-1、根据公式：
获取目标区域太阳倾角；其中/>为黄经，/>，/>为一年中日期序数；
S2-2、根据公式：
获取目标区域太阳高度角；其中/>为时间；/>为目标区域经度；/>为目标区域纬度；
S2-3、根据太阳高度角和云量从太阳辐射等级表中获取当前的太阳辐射等级；
S2-4、根据当前的太阳辐射等级和地面风速从Pasquill稳定度表中获取当前的Pasquill稳定度；
S2-5、根据公式：
计算当前的混合层高度；其中/>为热力混合层系数；/>为机械混合层系数；为10米处的风速；/>为地转参数，/>，/>为地球自转角速度；/>分别表示Pasquill不同的稳定度，对应为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级。
在本实施例中，太阳辐射等级表如表1所示，Pasquill稳定度表如表2所示，中国部分地区和/>的值如表3所示，表3中序号1-7对应的地区如表4所示。
表1：太阳辐射等级表
表2：Pasquill稳定度表
表3：中国部分地区和/>的值
表4：地区序号
计算某地区时，需考虑计算时段内平均风速情况，若平均风速小于1m/s，则地区序号取值7，反之取值6。
在本发明的一个实施例中，步骤S4中目标区域中目标污染物的水平输送分量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的水平输送分量；/>为混合层高度；/>表示高度为/>处的目标污染物管控限制浓度，/>为地面的目标污染物管控限制浓度；/>表示高度为/>处的东西方向风速；/>表示高度为/>处的南北方向风速；/>表示目标区域的平均南北距离；/>表示目标区域的平均东西距离；/>表示不同高度层的高度差。
步骤S5中目标区域干沉降速率的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的干沉降速率；/>为混合层以内的平均风速；为混合层高度；/>表示两个观测站点之间的距离；/>表示下风向观测站点的大气浓度值；/>表示下风向观测站点的大气背景浓度值；/>为上风向观测站点的大气浓度值。
步骤S6中目标区域中目标污染物的干沉降量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的干沉降量；/>为目标区域中目标污染物的干沉降速率；/>为目标区域地面处的目标污染物管控限制浓度；/>为目标区域的投影面积。
根据小时降水量、小时污染物浓度时间序列，求得污染物浓度关于降水量的函数式，同时当小时降水量小于0.1mm时，根据污染物湿清除理论，可得，其余降水强度时步骤S7中目标区域中目标污染物的湿沉降量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的湿沉降量；/>表示目标区域历史降水期间目标污染物平均减少量；/>表示降水小时数；/>表示通过第/>小时的降水所降低的目标污染物量；/>表示第/>小时的降雨量；S表示目标区域的投影面积；/>表示目标区域某小时的实际降水量。
步骤S8中目标区域中目标污染物的扩散量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的扩散量；/>表示混合层最高位置处的目标污染物管控限制浓度；/>表示混合层最高位置处的风速；/>表示目标区域的平均南北距离；/>表示目标区域的平均东西距离。
步骤S9的具体方法包括以下子步骤：
S9-1、若目标污染物为二氧化硫，则进入步骤S9-2；若目标污染物为二氧化氮，则进入步骤S9-3；若目标污染物为氨气，则进入步骤S9-4；若目标污染物为PM2.5或PM10或一氧化碳，则将其化学转化率设为0，并进入步骤S9-6；
S9-2、获取目标区域PM2.5数据中硫酸根的历史离子浓度数据，并将硫酸根的历史离子浓度除以对应的PM2.5浓度数据，得到二氧化硫的化学转换率时间序列；将二氧化硫的化学转换率时间序列作为随机森林模型的标签数据，将同时期的氨气浓度、气象数据和常规大气六参数作为随机森林模型的训练数据，得到基于氨气浓度、常规大气六参数和气象数据计算二氧化硫的化学转换率的随机森林模型，即二氧化硫对应的随机森林模型；进入步骤S9-5；
S9-3、获取目标区域PM2.5数据中硝酸根的历史离子浓度数据，并将硝酸根的历史离子浓度除以对应的PM2.5浓度数据，得到二氧化氮的化学转换率时间序列；将二氧化氮的化学转换率时间序列作为随机森林模型的标签数据，将同时期的氨气浓度、气象数据和常规大气六参数作为随机森林模型的训练数据，得到基于氨气浓度、常规大气六参数和气象数据计算二氧化氮的化学转换率的随机森林模型，即二氧化氮对应的随机森林模型；进入步骤S9-5；
S9-4、获取目标区域PM2.5数据中铵根的历史离子浓度数据，并将铵根的历史离子浓度除以对应的PM2.5浓度数据，得到氨气的化学转换率时间序列；将氨气的化学转换率时间序列作为随机森林模型的标签数据，将同时期的氨气浓度、气象数据和常规大气六参数作为随机森林模型的训练数据，得到基于氨气浓度、常规大气六参数和气象数据计算氨气的化学转换率的随机森林模型，即氨气对应的随机森林模型；进入步骤S9-5；
S9-5、将目标污染物的大气环境容量计算时段的氨气浓度、常规大气六参数和气象参数输入目标污染物对应的随机森林模型，得到计算时段的目标污染物的化学转换率；
S9-6、根据公式：
获取目标污染物的化学消耗量；其中/>为混合层高度；/>表示在高度为处的目标污染物的化学转换率；/>表示高度为/>处的目标污染物管控限制浓度；/>表示不同高度层的高度差；/>为目标区域的投影面积。
在本发明的一个实施例中，目标区域太阳倾角、黄经/>、目标区域经度/>和目标区域纬度/>的单位均为度；混合层高度/>的单位为米；风速的单位为米每秒；地转参数f的单位为度；地球自转角速度的单位为度每秒；浓度的单位为ug/m3；地面的污染物管控限制浓度取值国标或自定义值，不同高度层浓度值通过相关系数随高度变化得出，以地面相关系数为1，按照等比例换算，求得不同高度层的限制浓度，如地面限制浓度为100ug/m3且消光系数为1，10m处消光系数为0.6，则对应限制浓度为60ug/m3；距离和高度差的单位均为米；背景浓度值可以取非降水时段的污染物的5%分位数值；目标区域干沉降速率的单位为米每秒；目标区域历史降水期间污染物平均减少量/>的单位为ug/m3；第j小时的降雨量的单位为毫米每小时。
在具体实施过程中，常规大气污染物包括PM2.5、PM10、二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧和氨气等。其中，二氧化硫、二氧化氮、臭氧和氨气存在化学消耗量，而臭氧在近地面无直接排放，因此不对其自身计算大气环境容量，即本发明仅对二氧化硫、二氧化氮和氨气计算化学消耗量。
综上所述，本发明通过融合气象数据、风廓线数据、激光雷达数据和地面监测站的污染物浓度、组分等数据，基于污染物的物理和化学性质，提出了一种快速、合理计算大气环境容量的方法，本方法不仅可以直接计算大气环境容量，还可以采用预报数据（气象数据、污染物浓度数据等）对大气环境容量进行预测，便于尽早进行污染管控。
Claims (8)
1.一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取目标区域激光雷达消光系数廓线数据、风廓线雷达风场数据和地理数据；
S2、基于目标区域地理数据，通过国标法计算混合层高度；
S3、获取目标区域地面处的目标污染物管控限制浓度，并根据消光系数廓线数据获取混合层高度内任一位置处的目标污染物管控限制浓度；
S4、基于混合层高度内任一位置处的目标污染物管控限制浓度、东西方向不同高度的风速和南北方向不同高度的风速获取目标区域中目标污染物的水平输送分量；
S5、根据目标区域中不同观测站点处的目标污染物浓度值获取目标区域中目标污染物的干沉降速率；
S6、基于目标区域中目标污染物的干沉降速率、目标区域中地面处的目标污染物管控限制浓度和目标区域投影面积获取目标区域中目标污染物的干沉降量；
S7、根据目标区域的降水数据和降水过程中不同时间点的目标污染物浓度，获取目标区域中目标污染物的湿沉降量；
S8、根据混合层最高位置处的目标污染物管控限制浓度和风速获取目标区域中目标污染物的扩散量；
S9、基于预设的常规大气六参数、氨气浓度和气象数据，通过随机森林模型获取目标污染物的化学转化率，并基于目标污染物的化学转化率计算目标污染物的化学消耗量；
S10、将目标区域中目标污染物的水平输送分量、干沉降量、湿沉降量、扩散量和化学消耗量进行单位统一，并在单位统一后进行数值相加，将数值相加结果作为目标区域中目标污染物的大气环境容量计算结果；
步骤S9的具体方法包括以下子步骤：
S9-1、若目标污染物为二氧化硫，则进入步骤S9-2；若目标污染物为二氧化氮，则进入步骤S9-3；若目标污染物为氨气，则进入步骤S9-4；若目标污染物为PM2.5或PM10或一氧化碳，则将其化学转化率设为0，并进入步骤S9-6；
S9-2、获取目标区域PM2.5数据中硫酸根的历史离子浓度数据，并将硫酸根的历史离子浓度除以对应的PM2.5浓度数据，得到二氧化硫的化学转换率时间序列；将二氧化硫的化学转换率时间序列作为随机森林模型的标签数据，将同时期的氨气浓度、气象数据和常规大气六参数作为随机森林模型的训练数据，得到基于氨气浓度、常规大气六参数和气象数据计算二氧化硫的化学转换率的随机森林模型，即二氧化硫对应的随机森林模型；进入步骤S9-5；
S9-3、获取目标区域PM2.5数据中硝酸根的历史离子浓度数据，并将硝酸根的历史离子浓度除以对应的PM2.5浓度数据，得到二氧化氮的化学转换率时间序列；将二氧化氮的化学转换率时间序列作为随机森林模型的标签数据，将同时期的氨气浓度、气象数据和常规大气六参数作为随机森林模型的训练数据，得到基于氨气浓度、常规大气六参数和气象数据计算二氧化氮的化学转换率的随机森林模型，即二氧化氮对应的随机森林模型；进入步骤S9-5；
S9-4、获取目标区域PM2.5数据中铵根的历史离子浓度数据，并将铵根的历史离子浓度除以对应的PM2.5浓度数据，得到氨气的化学转换率时间序列；将氨气的化学转换率时间序列作为随机森林模型的标签数据，将同时期的氨气浓度、气象数据和常规大气六参数作为随机森林模型的训练数据，得到基于氨气浓度、常规大气六参数和气象数据计算氨气的化学转换率的随机森林模型，即氨气对应的随机森林模型；进入步骤S9-5；
S9-5、将目标污染物的大气环境容量计算时段的氨气浓度、常规大气六参数和气象参数输入目标污染物对应的随机森林模型，得到计算时段的目标污染物的化学转换率；
S9-6、根据公式：
获取目标污染物的化学消耗量；其中/>为混合层高度；/>表示在高度为/>处的目标污染物的化学转换率；/>表示高度为/>处的目标污染物管控限制浓度；/>表示不同高度层的高度差；/>为目标区域的投影面积。
2.根据权利要求1所述的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，地理数据包括目标区域中心经纬度、黄经、总云量、低云量，以及地面处、10m高度处和混合层高度处的风速风向数据和PM2.5离子成分数据。
3.根据权利要求2所述的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，步骤S2的具体方法包括以下子步骤：
S2-1、根据公式：
获取目标区域太阳倾角；其中/>为黄经，/>，/>为一年中日期序数；
S2-2、根据公式：
获取目标区域太阳高度角；其中/>为时间；/>为目标区域经度；/>为目标区域纬度；
S2-3、根据太阳高度角和云量从太阳辐射等级表中获取当前的太阳辐射等级；
S2-4、根据当前的太阳辐射等级和地面风速从Pasquill稳定度表中获取当前的Pasquill稳定度；
S2-5、根据公式：
计算当前的混合层高度；其中/>为热力混合层系数；/>为机械混合层系数；/>为10米处的风速；/>为地转参数，/>，/>为地球自转角速度；/>分别表示Pasquill不同的稳定度。
4.根据权利要求1所述的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，步骤S4中目标区域中目标污染物的水平输送分量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的水平输送分量；/>为混合层高度；/>表示高度为/>处的目标污染物管控限制浓度，/>为地面的目标污染物管控限制浓度；/>表示高度为处的东西方向风速；/>表示高度为/>处的南北方向风速；/>表示目标区域的平均南北距离；表示目标区域的平均东西距离；/>表示不同高度层的高度差。
5.根据权利要求1所述的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，步骤S5中目标区域干沉降速率的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的干沉降速率；/>为混合层以内的平均风速；/>为混合层高度；/>表示两个观测站点之间的距离；/>表示下风向观测站点的大气浓度值；表示下风向观测站点的大气背景浓度值；/>为上风向观测站点的大气浓度值。
6.根据权利要求1所述的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，步骤S6中目标区域中目标污染物的干沉降量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的干沉降量；/>为目标区域中目标污染物的干沉降速率；/>为目标区域地面处的目标污染物管控限制浓度；/>为目标区域的投影面积。
7.根据权利要求1所述的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，步骤S7中目标区域中目标污染物的湿沉降量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的湿沉降量；/>表示目标区域历史降水期间目标污染物平均减少量；/>表示降水小时数；/>表示通过第/>小时的降水所降低的目标污染物量；/>表示第/>小时的降雨量；S表示目标区域的投影面积；/>表示目标区域某小时的实际降水量。
8.根据权利要求1所述的一种人为排放污染物的大气环境容量计算方法，其特征在于，步骤S8中目标区域中目标污染物的扩散量的计算表达式为：
其中为目标区域中目标污染物的扩散量；/>表示混合层最高位置处的目标污染物管控限制浓度；/>表示混合层最高位置处的风速；/>表示目标区域的平均南北距离；/>表示目标区域的平均东西距离。
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