增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法制造技术

本发明专利技术公开了一种增加甲烷化学变化的中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其基于CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、地面面源和高架排放源的影响，在该基础上，将OH自由基和CH4作为变量，考虑甲烷的自然源排放，引入OH自由基和甲烷(CH4)的化学反应，根据OH自由基和CH4的化学反应列表计算OH自由基和CH4的浓度变化。本发明专利技术利用空气质量模式模拟OH自由基和CH4的时空分布，不仅有利于了解模拟区域的大气氧化能力，而且有利于深入了解光化学反应的细节。

Simulation and prediction algorithm for increasing air pollution caused by methane emission from natural sources

The invention discloses a mesoscale atmospheric and chemical pollution simulation prediction algorithm which increases chemical change of methane, based on the CALGRID chemical model, considering the effects of atmospheric chemical reaction, atmospheric transport and diffusion, settlement, ground surface source and elevated emission sources, on the basis of which OH free radicals and CH4 are considered as variables. The natural source of alkane is introduced into the chemical reaction of OH free radical and methane (CH4), and the concentration changes of OH free radical and CH4 are calculated according to the chemical reaction list of OH free radicals and CH4. The air mass model is used to simulate the space-time distribution of OH free radicals and CH4, which is not only conducive to the understanding of the atmospheric oxidation capacity of the simulated region, but also is beneficial to the details of the photochemical reaction.

【技术实现步骤摘要】
增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法
本专利技术属于大气环境污染物检测
，尤其涉及中尺度大气光化学污染的改进型预测模型。
技术介绍
空气质量模式，是在对污染物排入大气环境后传输、扩散、转化和清除等一系列物理和化学过程的认识基础上，利用气象、环境、物理、化学等学科的研究方法和计算机技术，实现模拟和预报不同空间尺度上空气污染物浓度分布状况及变化趋势的方法，在空气质量预报、大气污染控制、环境规划与管理、城市建设及公共卫生等方面均有重要的实际应用价值，具有广阔的发展前景。CALGRID是由美国加州的ARB(AirResourcesBoard)开发的，是欧拉型的中尺度大气光化学模式，针对二次污染物如臭氧的模拟具有较好效果，主要适用于晴空条件下的光化学反应的模拟，包含了大气输送与扩散、气相化学反应、人为排放的点面线源、干沉降等过程。但原有的CALGRID模式缺少甲烷化学和自然源排放。有关CH4物理和化学特性的研究一直很受重视，一方面它是重要的温室气体，对红外辐射的吸收能力比CO2强15～30倍，因此对地气系统能量收支以及气候有重要影响；另一方面，CH4在大气中易被OH自由基氧化，产生一系列有机化合物，影响对流层OH、CH2O、CO和O3等的浓度，从而影响许多大气成分的化学转化。作为大气中O3的前体物，虽然CH4的反应活性低于O3的另两种重要前体物NMHC和NOx(朱彬等，2000)，但是由于在大气中寿命较长，它们影响的范围更广，在清洁地区以及区域和全球尺度光化学反应中有重要作用，影响着对流层的氧化能力(王明星等，1999；秦瑜等，2003)。大气CH4很大一部分来自稻田的厌氧分解，研究表明稻田是中国地区最主要的CH4排放源之一(王明星等，2001)；最新研究表明，有氧环境下陆地生态植被也会排放可观的CH4(Keppler等，2006)。鉴于上述原因，利用空气质量模式模拟甲烷自然源排放对中国地区对流层化学的影响，不仅有利于了解我国大气甲烷的空间分布，而且有助于深刻理解甲烷自然源在光化学反应中的重要性。然而在CALGRID模式中，CH4被设定为定常物种，即认为CH4是充足的，其浓度不随化学反应而改变。这种设定在其它一些模式中也有采用，如WRF－CHEM。但是对于中尺度大气污染物模拟的研究而言，由于希望得到甲烷的空间分布以及由甲烷自然源引起的光化学反应的差异，因此有必要对化学模块进行改进，将定常的CH4改变为时变的，并进行甲烷排放模式的建立。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法，在CALGRID模式中增加陆地植被CH4排放，对正确估计中国CH4排放意义重大。为解决上述技术问题，本专利技术采用了以下技术方案：一种增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法，包括以下步骤：步骤1：采用CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、地面面源和高架排放源的影响，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，式中，C是化学物种平均浓度，V是三维风矢量的平均量，K是湍流扩散系数，E是污染源排放，是由于沉降引起的物种浓度变化，PCHEM是化学产生率，LCHEM是化学损失率；式(1)中二阶湍流扩散项▽·(K▽C)通过湍流扩散系数K理论闭合转化得到；式(1)中右侧多项式依次分别为平流项、扩散项、源项、沉降项、化学变化项；步骤2：由于平流项、扩散项、源项、沉降项、化学变化项各过程的特征时间不一致，通过算子分列时间积分对各过程进行积分，Cn+1＝AxAyAzAcAzAyAxCn(2)式中，Ax、Ay是水平输送扩散算子；Az是垂直输送扩散、物质输入和物理损耗算子，Ac是化学反应算子；步骤3：对步骤1中的源项E，引入并增加稻田甲烷排放和陆地植被甲烷排放。进一步的，步骤3中稻田甲烷排放模式通过式(3)建立：ECH4稻田＝P×Ef(3)其中，ECH4稻田为日稻田甲烷排放量，P为甲烷产生率，Ef为甲烷排放百分比；其中，甲烷产生率P的计算通过公式(4)求解：P＝0.27×Feh×(TI×CR+Com)(4)式(4)中，Feh是土壤氧化还原电位影响项，TI是土壤温度影响函数，为CR每日水稻植株新陈代谢产生的甲烷基质量，Com是每日外源有机物分解产生的甲烷基质量，(1)式(4)中的土壤氧化还原电位影响项Feh通过公式组(5)求解：式中，Eh为土壤氧化还原电位，d是灌溉后的天数，C是常数，为-1.7；(2)式(4)中的土壤温度影响函数TI通过公式(6)求解式(6)中，Q10是温度系数，取值3.0；Tsoil是土壤摄氏温度，取值由气象模式提供；(3)式(4)中的每日水稻植株新陈代谢产生的甲烷基质量CR通过公式组(7)求解：式(7)中，β1为常数，取1.25；W是水稻地上生物量；d是灌溉后的天数；r为是内在生长率，取值0.08；B0为同水稻植株地上生物量的影响因子；W0是水稻移栽期地上部分生物量，g/m2；Wmax为成熟期的地上部分生物量，g/m2；GY为水稻产量，g/m2；β0为与水稻品种及土壤类型的影响因子，α为经验常数，取1.8×10-8；VI是水稻的品种系数；SI是土壤质地影响函数，SAND为土壤砂粒含量，％；(4)式(4)中每日外源有机物分解产生的甲烷基质量Com通过公式(8)求解：Com＝SI×TI×(k1×OMN+k2×OMS)(8)式(8)中，OMN为有机物中易分解组分，g/m2；OMS为有机物中难分解组分，g/m2；k1为有机物中易分解组分潜在分解速率的一阶动力学系数；k2为有机物中难分解组分潜在分解速率的一阶动力学系数；公式(3)中甲烷排放百分比Ef通过式(9)求解：式中，β2为经验常数。进一步的，步骤3中陆地植被甲烷排放ECH4植被的模式通过式(10)建立：ECH4植被＝NPP×(SL×ERday_living+Period×ERday_litter)(10)式中，ECH4植被是甲烷年排放量，103g/a；NPP是植被年净第一性生产力，1012g/a；SL是植被年生长季，Period是植被残落物存在时间，d；ERday_living和ERday_litter分别为植物活体和残留物的甲烷排放速率，10-9g/(g·d)，并分别通过式(11)和(12)计算：ERday_living＝(ERsun_living×hsun)+(ERnosun_living×(24-hsun))(11)ERday_litter＝(ERsun_litter×hsun)+(ERnosun_litter×(24-hsun))(12)式中，ERsun_living和ERnosun_living是实验测得的在有日照和无日照条件下，植物活体的甲烷排放速率；ERsun_litter和ERnosun_litter分别为有日照和无日照条件下的植物残落物的甲烷排放速率；hsun为某网格对应下垫面的日照时间。进一步的，当式(6)中土壤摄氏温度Tsoil处于30＜Tsoil≤40范围时，Tsoil的值设为30。进一步的，式(7)中，β1取值为1.25，W0取值为15g/m2，VI的取值为1。进一步的，式(8)中，k1和k2的取值分别为2.7×10－2和2×10－3。进一步的，式(9)中，β2的取值为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法，包括以下步骤：步骤1：采用CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、地面面源和高架排放源的影响，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，

【技术特征摘要】
1.一种增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法，包括以下步骤：步骤1：采用CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、地面面源和高架排放源的影响，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，式中，C是化学物种平均浓度，V是三维风矢量的平均量，K是湍流扩散系数，E是污染源排放，是由于沉降引起的物种浓度变化，PCHEM是化学产生率，LCHEM是化学损失率；式(1)中二阶湍流扩散项通过湍流扩散系数K理论闭合转化得到；式(1)中右侧多项式依次分别为平流项、扩散项、源项、沉降项、化学变化项；步骤2：由于平流项、扩散项、源项、沉降项、化学变化项各过程的特征时间不一致，通过算子分列时间积分对各过程进行积分，Cn+1＝AxAyAzAcAzAyAxCn(2)式中，Ax、Ay是水平输送扩散算子；Az是垂直输送扩散、物质输入和物理损耗算子，Ac是化学反应算子；步骤3：对步骤1中的源项E，引入并增加稻田甲烷排放和陆地植被甲烷排放。2.根据权利要求1所述增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法，其特征在于：步骤3中稻田甲烷排放模式通过式(3)建立：ECH4稻田＝P×Ef(3)其中，ECH4稻田为日稻田甲烷排放量，P为甲烷产生率，Ef为甲烷排放百分比；其中，甲烷产生率P的计算通过公式(4)求解：P＝0.27×Feh×(TI×CR+Com)(4)式(4)中，Feh是土壤氧化还原电位影响项，TI是土壤温度影响函数，为CR每日水稻植株新陈代谢产生的甲烷基质量，Com是每日外源有机物分解产生的甲烷基质量，(1)式(4)中的土壤氧化还原电位影响项Feh通过公式组(5)求解：式中，Eh为土壤氧化还原电位，d是灌溉后的天数，C是常数，为-1.7；(2)式(4)中的土壤温度影响函数TI通过公式(6)求解式(6)中，Q10是温度系数，取值3.0；Tsoil是土壤摄氏温度，取值由气象模式提供；(3)式(4)中的每日水稻植株新陈代谢产生的甲烷基质量CR通过公式组(7)求解：式(7)中，β1为常数，取1.25；W是水稻地上生物量；d是灌溉后的天数；r为是内在生长率，取值0.08；B0为同水稻植株地上生物量的影响因子；W0是水稻移栽期地上部分生物量，g/m2；Wmax为成熟期的地上部分生物量，g/m2；GY为水稻产量，g/m2；β0为与水稻品种及土壤类型的影响因子，α为经验常数，取1.8×10-8；VI是...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢旻，王体健，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32