一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法技术

本发明专利技术为解决目前应用高斯模型技术获取单个点源污染物排放情况的方法，尚未有用于CO2监测和预报的应用实例的技术问题，提供一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，创建针对碳排放物监测的多点源高斯扩散模型，并根据地面反射作用、地形对多点源高斯扩散模型进行了修正，得到确定的多点源高斯扩散模型，在应用时，只需在监测时确定多点源高斯扩散模型的参数，就可直接计算出风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度，实现对碳排放的监测，开启了采用高斯模型进行碳排放监测和预报的应用先例，且应用操作简便。且应用操作简便。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法


[0001]本专利技术属于一种碳排放监测方法，具体涉及一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法。

技术介绍

[0002]高斯烟羽扩散模型(以下简称高斯模型)是大气扩散模型的基础，适用于小尺度平坦开阔地区，并可在复杂地形情况下作一定修正继续应用。其数学表达式明了，物理概念明确，对输入气象数据要求不高，且对固定点源大气污染物的扩散模拟精度较高，是目前应用最广泛的模型之一。高斯扩散模型成立的四条基本假设是：
①
污染点源排放污染物连续且排放速率稳定；
②
污染物排出后，在扩散过程中遵循质量守恒定律；
③
观测地区平均风速风向稳定；
④
水平和垂直方向的浓度分布符合正态分布。
[0003]目前，应用高斯模型技术获取单个点源污染物排放情况，需要先获取包括点源排放强度、烟囱几何高度、烟囱口直径、烟气热释放率、烟气温度、烟气排出速率、环境温度、大气压、大气稳定度、地面平均风速、烟囱出口平均风速、温度梯度等关键数据和参数，再基于高斯模型进行计算模拟，包括建立风轴坐标系，确定模拟区域及计算点左边，以及进行扩散模拟并使结果可视化。
[0004]但是，现有应用高斯模型技术获取单个点源污染物排放情况的方法，尚未有用于CO2监测和预报的应用实例。

技术实现思路

[0005]本专利技术为解决目前应用高斯模型技术获取单个点源污染物排放情况的方法，尚未有用于CO2监测和预报的应用实例的技术问题，提供一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0008]S1，建立风轴坐标系
[0009]以点源在地面上的投影点作为原点，下风方向为X轴正方向，垂直地面向上方向为Z轴正方向，下风向的切向为Y轴正方向，建立风轴坐标系；
[0010]S2，确定多点源高斯扩散模型
[0011]S2.1，根据地面反射作用对高斯扩散模型进行修正；
[0012]S2.2，根据地形对高斯扩散模型进行修正；
[0013]S2.3，根据经步骤S2.1和步骤S2.2修正后的高斯扩散模型，得到风轴坐标系下各排放源碳排放物浓度，并计算固定坐标系下多点源碳排放物浓度，得到多点源高斯扩散模型；
[0014]S3，多点源高斯扩散模型的参数确定
[0015]S3.1，在进行监测时，获取碳排放物出口处高度的风速，并根据碳排放物出口处高度的风速，计算得到任一待监测碳排放物高度处的风速；
[0016]S3.2，确定多点源扩散高斯扩散模型中的扩散参数；
[0017]S3.3，根据地形和取样时间修正扩散参数；
[0018]S3.4，确定烟气抬升高度；
[0019]S3.5，获取各点源的经纬度坐标，先将其转换至固定坐标系下，再由固定坐标系下转换至风轴坐标系下；
[0020]S4，将步骤S3得到的多点源高斯扩散模型的参数，代入多点源高斯扩散模型计算得到风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度C
(x,y,z)
。
[0021]进一步地，步骤S2.1具体为：
[0022]考虑地面反射作用，得到如下的高斯扩散模型：
[0023][0024]其中，C
(x,y,z)
表示风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度，单位mg/m3；σ
y
表示水平扩散参数，单位m；σ
z
表示垂直扩散参数，单位m；q表示单位时间碳排放物的排放量，单位mg/s；u表示碳排放物出口高度处的平均风速，单位m/s；H
e
表示碳排放点源的有效高度，单位m；α表示地面对碳排放物的反射系数。
[0025]进一步地，步骤S2.1中，所述碳排放点源的有效高度H
e
通过下式得到：
[0026]H
e
＝H+ΔH
[0027]其中，H表示碳排放物出口的实际几何高度，单位m；ΔH表示烟气抬升高度，单位m。
[0028]进一步地，步骤S2.2具体为，通过下式对碳排放点源的有效高度进行修正：
[0029]H
e
＝H+ΔH
‑
h
f
[0030]其中，h
f
表示地形高度，单位m。
[0031]进一步地，步骤S2.3中，所述风轴坐标系下各排放源碳排放物浓度计算时，地面对碳排放物的反射系数α为1；
[0032]所述固定坐标系是以点源在地面上的投影点作为原点，以向东为X轴正方向，向上为Z轴方正方向，向南为Y轴正方向建立的坐标系。
[0033]进一步地，步骤S3.1具体为：
[0034]S3.1.1，获取碳排放物出口处高度10min内的平均风速；
[0035]S3.1.2，通过下式计算得到任一待监测碳排放物高度处10min内的风速：
[0036][0037]其中，P为风速高度指数；
[0038]若将碳排放物出口处高度代入上式中的z1，则将碳排放物出口处高度10min内的平均风速代入上式中的U1，将任一待监测碳排放物高度代入上式中的z2，将得到的U2作为任一待监测碳排放物高度处10min内的风速；
[0039]若将碳排放物出口处高度代入上式中的z2，则将碳排放物出口处高度10min内的平均风速代入上式中的U2，将任一待监测碳排放物高度代入上式中的z1，将得到的U1作为任
一待监测碳排放物高度处10min内的风速。
[0040]进一步地，步骤S3.1.1中，所述碳排放物出口处高度10min内的平均风速，具体采用邻近气象站距地面10m高度处的年平均风速U
10
；
[0041]所述风速高度指数P按照以下方式得到：
[0042]在大气稳定度等级为A时，若是城市地区，P＝0.1，若是乡村地区，P＝0.07；
[0043]在大气稳定度等级为B时，若是城市地区，P＝0.15，若是乡村地区，P＝0.07；
[0044]在大气稳定度等级为C时，若是城市地区，P＝0.2，若是乡村地区，P＝0.1；
[0045]在大气稳定度等级为D时，若是城市地区，P＝0.25，若是乡村地区，P＝0.15；
[0046]在大气稳定度等级为E
‑
F时，若是城市地区，P＝0.3，若是乡村地区，P＝0.25。
[0047]进一步地，步骤S3.1.1中，所述大气稳定度等级具体以下方式得到：
[0048]Sa，通过云量和太阳高度角h0确定太阳辐射等级数
[0049]在总云量/低云量为≤4/≤4时：若为夜间，太阳辐射等级数为
‑
2；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为
‑
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，建立风轴坐标系以点源在地面上的投影点作为原点，下风方向为X轴正方向，垂直地面向上方向为Z轴正方向，下风向的切向为Y轴正方向，建立风轴坐标系；S2，确定多点源高斯扩散模型S2.1，根据地面反射作用对高斯扩散模型进行修正；S2.2，根据地形对高斯扩散模型进行修正；S2.3，根据经步骤S2.1和步骤S2.2修正后的高斯扩散模型，得到风轴坐标系下各排放源碳排放物浓度，并计算固定坐标系下多点源碳排放物浓度，得到多点源高斯扩散模型；S3，多点源高斯扩散模型的参数确定S3.1，在进行监测时，获取碳排放物出口处高度的风速，并根据碳排放物出口处高度的风速，计算得到任一待监测碳排放物高度处的风速；S3.2，确定多点源扩散高斯扩散模型中的扩散参数；S3.3，根据地形和取样时间修正扩散参数；S3.4，确定烟气抬升高度；S3.5，获取各点源的经纬度坐标，先将其转换至固定坐标系下，再由固定坐标系下转换至风轴坐标系下；S4，将步骤S3得到的多点源高斯扩散模型的参数，代入多点源高斯扩散模型计算得到风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度C
(x，y，z)
。2.根据权利要求1所述一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于：步骤S2.1具体为：考虑地面反射作用，得到如下的高斯扩散模型：其中，C
(x，y，z)
表示风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度，单位mg/m3；σ
y
表示水平扩散参数，单位m；σ
z
表示垂直扩散参数，单位m；q表示单位时间碳排放物的排放量，单位mg/s；u表示碳排放物出口高度处的平均风速，单位m/s；H
e
表示碳排放点源的有效高度，单位m；α表示地面对碳排放物的反射系数。3.根据权利要求2所述一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于：步骤S2.1中，所述碳排放点源的有效高度H
e
通过下式得到：H
e
＝H+ΔH其中，H表示碳排放物出口的实际几何高度，单位m；ΔH表示烟气抬升高度，单位m。4.根据权利要求3所述一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于：步骤S2.2具体为，通过下式对碳排放点源的有效高度进行修正：H
e
＝H+ΔH
‑
h
f
其中，h
f
表示地形高度，单位m。5.根据权利要求4所述一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于：步骤S2.3中，所述风轴坐标系下各排放源碳排放物浓度计算时，地面对碳排放物的反射系
数α为1；所述固定坐标系是以点源在地面上的投影点作为原点，以向东为X轴正方向，向上为Z轴方正方向，向南为Y轴正方向建立的坐标系。6.根据权利要求5所述一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于：步骤S3.1具体为：S3.1.1，获取碳排放物出口处高度10min内的平均风速；S3.1.2，通过下式计算得到任一待监测碳排放物高度处10min内的风速：其中，P为风速高度指数；若将碳排放物出口处高度代入上式中的z1，则将碳排放物出口处高度10min内的平均风速代入上式中的U1，将任一待监测碳排放物高度代入上式中的z2，将得到的U2作为任一待监测碳排放物高度处10min内的风速；若将碳排放物出口处高度代入上式中的z2，则将碳排放物出口处高度10min内的平均风速代入上式中的U2，将任一待监测碳排放物高度代入上式中的z1，将得到的U1作为任一待监测碳排放物高度处10min内的风速。7.根据权利要求6所述一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于：步骤S3.1.1中，所述碳排放物出口处高度10min内的平均风速，具体采用邻近气象站距地面10m高度处的年平均风速U
10
；所述风速高度指数P按照以下方式得到：在大气稳定度等级为A时，若是城市地区，P＝0.1，若是乡村地区，P＝0.07；在大气稳定度等级为B时，若是城市地区，P＝0.15，若是乡村地区，P＝0.07；在大气稳定度等级为C时，若是城市地区，P＝0.2，若是乡村地区，P＝0.1；在大气稳定度等级为D时，若是城市地区，P＝0.25，若是乡村地区，P＝0.15；在大气稳定度等级为E
‑
F时，若是城市地区，P＝0.3，若是乡村地区，P＝0.25。8.根据权利要求7所述一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特征在于：步骤S3.1.1中，所述大气稳定度等级具体以下方式得到：Sa，通过云量和太阳高度角h0确定太阳辐射等级数在总云量/低云量为≤4/≤4时：若为夜间，太阳辐射等级数为
‑
2；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为
‑
1；若太阳高度角15
°
＜h0≤35
°
，太阳辐射等级数为1；若太阳高度角35
°
＜h0≤65
°
，太阳辐射等级数为2；若太阳高度角h0＞65
°
，太阳辐射等级数为3；在总云量/低云量为5～7/≤4时：若为夜间，太阳辐射等级数为
‑
1；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角15
°
＜h0≤35
°
，太阳辐射等级数为1；若太阳高度角35
°
＜h0≤65
°
，太阳辐射等级数为2；若太阳高度角h0＞65
°
，太阳辐射等级数为3；在总云量/低云量为≥8/≤4时：若为夜间，太阳辐射等级数为
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：高鹏，曾伟刚，杨佳恒，秦小宝，艾晶晶，樊婷婷，周朔南，李菁菁，何晓彤，王鼎益，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：