增加有机气溶胶化学过程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有机气溶胶化学过程的大气污染模拟预测算法，其基于CALGRID的化学模式，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，并引入对有机气溶胶浓度的影响变化项，本发明专利技术建立的SOA查表法也能够反映有机气溶胶SOA及其前体物的关系，基本具备了SORGAM气溶胶模式的模拟能力。

Air pollution simulation and prediction algorithm for increasing organic aerosol chemical process

The invention discloses an atmospheric pollution simulation prediction algorithm for increasing the chemical process of organic aerosol, based on the chemical model of CALGRID, considering the effects of atmospheric chemical reaction, atmospheric transport and diffusion, settlement, ground surface source and elevated emission sources, and introducing the influence of the concentration of organic gas solution. The invention is established. The SOA look-up table method can also reflect the relationship between organic aerosol SOA and its precursors, and basically possess the simulation ability of SORGAM aerosol model.

【技术实现步骤摘要】
增加有机气溶胶化学过程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。随着城市化的进程加快和社会经济的快速发展，以酸雨、光化学污染、灰霾污染物相互耦合叠加为特征的大气复合污染成为了我国越来越突出的大气环境问题。近些年，对京津冀、长江三角洲、珠江三角洲等重点城市群的区域大气复合污染的形成机制和综合防治的研究是我国环境保护研究的热点问题。因此，要求空气质量模式能对多种大气污染物(痕量气体、气溶胶等)在不同尺度下(区域、城市等)的不同类型污染过程(气相、液相、非均相)进行模拟。为了更好的利用CALGRID模型认识和理解痕量气体的气相化学过程、气溶胶微物理化学过程和液相化学过程，为大气复合污染调控与治理提供了理论支持，需要CALGRID不仅要能模拟解决与气相化学反应有关的臭氧污染问题，还要能合理描述气溶胶的物理化学过程，云雨水中的液相化学过程，以及与降水有关的湿沉降过程。此外，真实大气中各种化学成分以及各类化学反应过程是相互影响的。例如，臭氧和颗粒物之间，臭氧会影响无机盐气溶胶前体物SO2、NO2向硫酸盐、硝酸盐转化，会影响VOCs生成二次有机气溶胶(SOA)的过程；另一方面，颗粒物会直接影响大气辐射，作为云凝结核(CCN)形成云滴间接影响大气辐射，这些都会影响气相成分的光化学反应，并且颗粒物表面的非均相化学过程也会影响大气气相成分的浓度。可见，CALGRID模型只有包括了各个化学过程，才能合理准确的模拟预报臭氧、颗粒物等大气成分的浓度和沉降量。有机气溶胶是大气气溶胶的重要成分，在污染严重的城市地区一般占PM2.5和PM10质量的20～60％，而在偏远地区大约占PM10的30～50％。无论在污染地区还是在偏远的背景地区，有机气溶胶都是由数百种有机化合物组成的混合物，其中许多具有致癌、致畸和致突变性，如多环芳烃、多氯联苯和其它含氯有机化合物。它们还能够影响大气能见度，是大气光化学烟雾、酸沉降的重要贡献者，可通过长距离传输对区域和全球环境产生重要影响。随着经济的高速发展，中国出现了城市和区域性大气颗粒物污染现象，有机气溶胶日益成为大气污染控制的关键污染物和控制的难点。因此，有必要在CALGRID中补充增加有机气溶胶的模拟能力。
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有机气溶胶化学过程的大气污染模拟预测算法,有效的对大气颗粒物污染，尤其是对大气中挥发性有机物的气溶胶浓度变化进行了模拟预测，对大气污染的控制和防治提高了理论依据和指导。为解决上述技术问题，本专利技术采用了以下技术方案：一种增加有机气溶胶化学过程的大气污染模拟预测算法，包括以下步骤：步骤1：基于CALGRID的化学模式，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，并引入对有机气溶胶浓度的影响变化项，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，式中，右侧多项式中，第一项为二阶湍流扩散项，第二项为扩散项，第三项(P-L)GAS为气相化学变化项，第四项CHEMorg为有机气溶胶浓度的变化项，第五项EANT为人为污染源排放项，第六项由干沉降引起的物种浓度变化；其中，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，式中，二阶湍流扩散项通过湍流扩散系数K理论闭合转化得到；步骤2：有机气溶胶浓度的变化项CHEMorg的求解方法如下：假定活泼性有机气体ROG通过光化学反应生成八类半挥发有机气体，并通过气粒转换成相应的有机气溶胶SOA，对所述八类活泼有机气体ROG进行种类划分，并对其转化的有机气溶胶SOA进行分类，各转换反应的参数列于表1：上述活泼有机气体在大气中与OH自由基，NO3自由基和臭氧进行氧化反应，反应式如下：TOL+OH→0.039CVARO1+0.108CVARO2(1)XYL+OH→0.039CVARO1+0.108CVARO2(2)CSL+OH→0.039CVARO1+0.108CVARO2(3a)CSL+NO3→0.039CVARO1+0.108CVARO2(3b)HC+OH→0.048CVALK1(4)OLT+OH→0.008CVOLE1(5a)OLT+NO3→0.008CVOLE1(5b)OLT+O3→0.008CVOLE1(5c)OLI+OH→0.008CVOLE1(6a)OLI+NO3→0.008CVOLE1(6b)OLI+O3→0.008CVOLE1(6c)API+OH→fOH·(0.028CVAPI1+0.241CVAPI2)(7a)API+NO3→fNO3·(0.028CVAPI1+0.241CVAPI2)(7b)API+O3→fO3·(0.028CVAPI1+0.241CVAPI2)(7c)LIM+OH→fOH·(0.163CVLIM1+0.247CVLIM1)(8a)LIM+NO3→fNO3·(0.163CVLIM1+0.247CVLIM1)(8b)LIM+O3→fO3·(0.163CVLIM1+0.247CVLIM1)(8c)上述反应方程中，权重因子fOH＝0.228，fNO3＝0.0，fO3＝0.772；其他部分氧化产物因为具有较低的饱和蒸气压，因此能通过核化或凝结过程转换成气溶胶SOA。进一步的，步骤2中所述八类半挥发有机气体SOA的反应产物中的半挥发性产物i的总质量浓度Ctot,i通过式(2)求取：式(2)中，ai为半挥发性产物i的化学计量系数；mi和mROG分别为半挥发性产物i和活泼性有机气体ROG的摩尔质量，gmol-1；ΔROG为反应消耗掉的ROG的量。进一步的，所述半挥发性产物i的总质量浓度，为气态部分浓度Cgas,i和颗粒态的浓度Caer,i之和，半挥发性产物i的气溶胶态浓度即为颗粒态浓度，所述半挥发性产物i的颗粒态的浓度Caer,i，通过式(3)求解：式(3)中，Cgas,i和Caer,i分别为气态部分和颗粒态的浓度，Ctot,i为半挥发性产物i的总质量浓度，为半挥发性纯产物i的饱和浓度，Cinit为任何额外的气溶胶态的吸收物质浓度，minit为任何额外的气溶胶态的摩尔质量，为吸收性气溶胶的浓度，下角标n为气溶胶类型序号，下角标j为气溶胶类型总数。进一步的，由于半挥发性产物之间相互影响，需要考虑混合气体的饱和蒸气压，在此将混合的半挥发性气体之间的相互影响，假定成颗粒态物质对气态产物的吸收过程，在满足热力学平衡时，半挥发性产物i的气态部分浓度Cgas,i等于饱和蒸气压Csat,i，从而通过式(4)求解半本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种增加有机气溶胶化学过程的大气污染模拟预测算法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：基于CALGRID的化学模式，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，并引入对有机气溶胶浓度的影响变化项，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，

【技术特征摘要】
1.一种增加有机气溶胶化学过程的大气污染模拟预测算法，其特征在于包括以下步骤：步骤1：基于CALGRID的化学模式，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，并引入对有机气溶胶浓度的影响变化项，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，式中，右侧多项式中，第一项▽·(VC)为二阶湍流扩散项，第二项▽·(K▽C)为扩散项，第三项(P-L)GAS为气相化学变化项，第四项CHEMorg为有机气溶胶浓度的变化项，第五项EANT为人为污染源排放项，第六项由干沉降引起的物种浓度变化；其中，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，式中，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；步骤2：有机气溶胶浓度的变化项CHEMorg的求解方法如下：假定活泼性有机气体ROG通过光化学反应生成八类半挥发有机气体，并通过气粒转换成相应的有机气溶胶SOA，对所述八类活泼有机气体ROG进行种类划分，并对其转化的有机气溶胶SOA进行分类，各转换反应的参数列于表1：上述活泼有机气体在大气中与OH自由基，NO3自由基和臭氧进行氧化反应，反应式如下：TOL+OH→0.039CVARO1+0.108CVARO2(1)XYL+OH→0.039CVARO1+0.108CVARO2(2)CSL+OH→0.039CVARO1+0.108CVARO2(3a)CSL+NO3→0.039CVARO1+0.108CVARO2(3b)HC+OH→0.048CVALK1(4)OLT+OH→0.008CVOLE1(5a)OLT+NO3→0.008CVOLE1(5b)OLT+O3→0.008CVOLE1(5c)OLI+OH→0.008CVOLE1(6a)OLI+NO3→0.008CVOLE1(6b)OLI+O3→0.008CVOLE1(6c)API+OH→fOH·(0.028CVAPI1+0.241CVAPI2)(7a)API+NO3→fNO3·(0.028CVAPI1+0.241CVAPI2)(7b)API+O3→fO3·(0.028CVAPI1+0.241CVAPI2)(7c)LIM+OH→fOH·(0.163CVLIM1+0.247CVLIM1)(8a)LIM+NO3→fNO3·(0.163CVLIM1+0.247CVLIM1)(8b)LIM+O3→fO3·(0.163CVLIM1+0.247CVLIM1)(8c)上述反应方程中，权重因子fOH＝0.228，其他部分氧化产物因为具有较低的饱和蒸气压，因此能通过核化或凝结过程转换成气溶胶SOA。2.根据权利按要求1所述增加有机气溶胶化学过程的大气污染模拟预测算法，其特征在于：步骤2中所述八类半挥发有机气...

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