一种基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统技术方案

本发明专利技术属于环境监测技术领域,涉及大气污染溯源系统。本发明专利技术的系统，包括：排放源输入模块，用于输入排放数据；初始化模块，用于设置污染物初始浓度；大气化学模块，根据输入的排放数据,模拟气团运动过程中的化学过程；大气物理模块,输入气象参数并根据此模拟气团运动过程中的物理过程；结果输出模块,用于输出污染物的浓度和大气化学反应过程的速率，量化区域传输和本地生成对目标区域O

A regional ozone pollution traceability system based on Lagrange trajectory model and chemical box model

【技术实现步骤摘要】
一种基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统
本专利技术属于环境监测
,涉及大气污染溯源系统。
技术介绍
近年来，由于快速的城市化和工业化进程，近地面O3污染问题日益严重。中华人民共和国生态环境部发布的空气质量监测结果显示，自2013年以来，纳入常规监测的重点污染物如SO2、NO2、CO、PM2.5、PM10污染态势得到持续显著改善，唯独O3浓度处于“不降反增”的状态，成为打赢蓝天保卫战路上的一大难题。O3污染防治之所以如此具有挑战性归根到底是难以精准定位造成O3污染的源头，具体表现为两个关键科学问题：其一，O3大气寿命较长，可以进行长距离传输，形成区域性污染，控制目标区域的O3污染必须准确量化区域传输和本地化学生成的贡献；其二，O3的化学生成机制十分复杂，与前体物(VOCs和NOx)呈非线性关系，难以准确表征。不合理的VOCs/NOx减排措施甚至会导致目标区域的O3污染加重。作为一种能够有效模拟复杂的大气污染过程的研究手段，数值模式能够再现VOCs和NOx具体的非线性污染过程，在O3污染溯源方面得到了广泛的应用。目前用于O3污染溯源的数值模式主要分为三维模式和零维模式。零维模式仅考虑化学过程，没有或很少考虑垂直输送和水平传输等物理过程，无法研究污染物在空间尺度上的分布，且该模式的运行通常需要使用研究时段观测的污染物浓度来约束，局限性较大。三维模式加入气象场，可用于模拟不同空间尺度的大气污染问题，集成度较高，但可操作性相对较低。需要指出的是，目前的三维模式一般都属于欧拉模式，在模拟过程中所有网格均需求解微分方程，因此运算量巨大，对计算机能力的要求十分高，限制了高精度化学机制的使用。总体上，数值模式在O3污染溯源应用方面还是存在比较大的不足。如何在降低运算量的基础上准确再现区域O3生成过程是目前O3污染溯源技术方面亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中三维欧拉模式化学机制表征简化、计算量大和零维盒子模式仅考虑化学过程、空间代表性有限的技术问题，本专利技术提供一种基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统。本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统，包括：排放源输入模块，用于输入排放数据；初始化模块，用于设置污染物初始浓度；大气化学模块，根据输入的排放数据,模拟气团运动过程中的化学过程；大气物理模块,输入气象参数并根据此模拟气团运动过程中的物理过程；结果输出模块,用于输出污染物的浓度和气团运动过程中化学反应过程的速率，量化区域传输和本地生成对目标区域O3浓度的贡献，量化不同化学过程对目标区域O3浓度的贡献。作为本专利技术的进一步改进，所述的排放数据为在某个时间点到达目标区域的气流轨迹经过位置的污染物的排放速率；所述污染物包括CH4、NMVOCs、NOx、SO2和CO等，污染物排放源综合考虑人为源、生物源和生物质燃烧等排放源，污染物人为源的排放部门包括电力、工业、民用、交通和农业等部门。作为本专利技术的进一步改进，所述的气流轨迹由HYSPLIT/WRF-HYSPLIT或FLEXPART模式获得。作为本专利技术的进一步改进，所述的气象数据通过运行WRF模式获得，包括：气团运动轨迹的高度、边界层高度、气温、气压和相对湿度。作为本专利技术的进一步改进，排放源输入模块只在当气团运动轨迹高度处于边界层内时才输入污染物的排放速率，否则污染物的排放速率设为0。作为本专利技术的进一步改进，所述的初始化模块根据气团轨迹的起始点高度和边界层的相对位置提供污染物的初始浓度。作为本专利技术的进一步改进，所述的大气化学模块包括MCM化学机制模块、大气氯化学模块和氮氧化物非均相化学机制模块；通过MCM化学机制、大气氯化学和氮氧化物非均相化学机制模拟相应的化学过程。作为本专利技术的进一步改进，所述的大气物理模块模拟太阳辐射、干沉降、气团传输、边界层日变化、气团和残留层大气的气体交换。本专利技术的原理是根据拉格朗日轨迹模式获取的后向气流轨迹筛选一次污染物的排放速率数据输入化学盒子模式，在化学盒子模式中经历复杂的大气化学反应和物理过程，再现二次污染物O3在气团运动路径中的演变。本专利技术的一种基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源方法，与现有技术相比，具有以下有益效果：1.本专利技术实现了拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的耦合，并将其用于研究O3在气团运动路径中的化学生成过程和污染特征，很大程度上改进了现有O3污染溯源技术在应用方面的不足。2.本专利技术通过运行WRF为HYSPLIT/FLEXPART提供高分辨率的气象数据，提高了气流轨迹的精确度和时空分辨率。3.本专利技术使用的排放清单时空分辨率较高，且综合考虑人为源、生物源和生物质燃烧等主要排放源的影响，提高了污染物排放数据的精确度。4.本专利技术内置初始化模块，根据初始条件预运行一段时间，为后续模式模拟提供一个接近真实的大气边界条件，有利于更准确地再现O3污染过程。5.本专利技术通过使用详细的MCM化学机制，并加入自主开发的大气氯化学机制和氮氧化物非均相化学模块，可克服三维模式化学机制简化的缺点，改善对化学机制要求较高的二次污染物的模拟效果，更加真实地还原大气污染过程。6.本专利技术综合考虑太阳辐射、干沉降、边界层日变化、气团和残留层大气的气体交换等大气物理过程，并加入气团的传输过程，克服了零维模式不考虑区域传输的缺点，提高了研究结果的空间代表性。7.本专利技术通过结果输出模块的设置，准确量化区域传输和本地生成对目标区域O3污染的贡献，还可以量化不同化学途径对目标区域O3污染的贡献，结合敏感性试验，精确定位造成O3污染的排放区域、优控前体物和排放源部门，追溯污染源头，为区域臭氧污染控制提供科学依据。8.本专利技术不仅适用于区域O3污染溯源，同样适用于过氧乙酰硝酸酯(PAN)、烷基硝酸酯(RONO2)和含氧VOCs(如HCHO、CH3CHO)等二次污染物的研究和溯源。9.本专利技术各模块均基于FACSIMILE语言编写并在FACSIMILE平台运行，极大降低了对计算能力的要求。FACSIMILE语言相对简单，对使用者计算机语言掌握能力要求较低，可操作性强。附图说明图1是本专利技术实施例的系统结构图；图2是2016年7月17日8:00(a)、12:00(b)、16:00(c)、20:00(d)到达目标区域超级观测站的72小时后向气流轨迹；图3是气团传输过程中部分污染物的排放速率；其中，(c)图中(1)、(2)阴影部分分别代表16:00所获轨迹经过高排放区域济宁和济南；图4是观测和模拟的O3浓度对比；图5是O3生成和消耗速率沿2016年7月17日16:00获取的72小时后向气流轨迹的演变。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行更详细的说明。附图中给出了本专利技术的较佳的实施例。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统，包括：/n排放源输入模块，用于输入排放数据；/n初始化模块，用于设置污染物初始浓度；/n大气化学模块，根据输入的排放数据,模拟气团运动过程中的化学过程；/n大气物理模块,输入气象参数并根据此模拟气团运动过程中的物理过程；/n结果输出模块,用于输出污染物的浓度和气团运动过程中化学反应过程的速率，量化区域传输和本地生成对目标区域O

【技术特征摘要】
1.一种基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统，包括：
排放源输入模块，用于输入排放数据；
初始化模块，用于设置污染物初始浓度；
大气化学模块，根据输入的排放数据,模拟气团运动过程中的化学过程；
大气物理模块,输入气象参数并根据此模拟气团运动过程中的物理过程；
结果输出模块,用于输出污染物的浓度和气团运动过程中化学反应过程的速率，量化区域传输和本地生成对目标区域O3浓度的贡献，量化不同化学过程对目标区域O3浓度的贡献。


2.根据权利要求1所述的基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统，其特征在于：所述的排放数据为在某个时间点到达目标区域的气流轨迹经过位置的污染物的排放速率；所述污染物包括CH4、NMVOCs、NOx、SO2和CO。


3.根据权利要求2所述的基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统，其特征在于：所述的气流轨迹由HYSPLIT/WRF-HYSPLIT或FLEXPART模式获得。


4.根据权利要求3所述的基于拉格朗日轨迹模式和化学盒子模式的区域臭氧污染溯源系统，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛丽坤，张英南，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37