一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，该方法针对船舶尾气遥感监测，根据AIS设备捕捉的船舶动态信息和静态信息，实时计算船舶到监测点位距离，估算到监测点位时间，寻找二氧化硫和二氧化碳峰值浓度并计算尾气贡献浓度。同时根据地理位置和气象条件确定大气稳定度，进而确定大气扩散参数，通过扩散参数和尾气贡献浓度，基于高斯烟羽模型，反演出船舶尾气中二氧化硫和二氧化碳的排放速率；通过船舶尾气硫碳比值和燃油硫含量对应参考值建立硫碳比和燃油硫含量拟合公式，结合二氧化硫和二氧化碳的排放速率计算出船舶燃油硫含量。率计算出船舶燃油硫含量。率计算出船舶燃油硫含量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法


[0001]本专利技术涉及一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，属于船舶尾气遥感监测


技术介绍

[0002]繁荣的水运发展背后，船舶尾气排放对沿海居民和环境造成的负面影响已经成为不可忽视问题。船舶排放的二氧化硫、氮氧化物等是大气污染的主要来源之一，已成为许多港口、海峡地区的主要污染源。
[0003]研究发现，改用低硫燃料可显著减少船舶尾气硫氧化物和PM10的排放，与持续严格的硫含量要求相比，船舶排放监管手段还比较落后。如何有效监测在航船舶排放污染物，最大限度地发挥排放控制区的作用，是当前乃至未来一段时期内面临的一项重要而急迫的挑战。
[0004]目前，对船舶排放的研究主要是基于船舶尾气的测量方法和尾气分析技术。在监测船舶尾气和计算燃油硫含量方面仍存在以下问题：
[0005](1)船舶尾气监测方法各有利弊。在船舶尾气测量方法中，最简单、最传统的方法是登船检查，但登船检查费时费力。因此，执法部门逐渐开始采用“嗅探法”估算船舶排放，即在巡逻船、无人机等移动平台上使用移动设备测量船舶排放。“嗅探法”速度快，结果相对可靠，因为它直接测量烟羽的浓度。但该方法需要在尾羽最优采样区域进行计算，计算过程复杂，且测量结果受天气的影响较大。光谱学的进步使远距离测量气体羽流成为可能，船舶排放气体的遥感监测开始逐步发展。光谱设备一般装载在陆地、港口、桥梁等固定位置。光学遥感技术在覆盖范围、环境适应性、操作便捷性、经济性等方面具有更大的优势，但在硫含量评估方面存在不足。
[0006](2)目前基于光学技术的燃油硫含量计算仍依赖建立船舶燃油消耗模型，但该消耗模型需要的相关船舶参数很难获取。
[0007](3)如果用硫碳比方法计算船舶燃油硫含量，需要同时监测二氧化硫和二氧化碳浓度，但两种气体的监测原理存在差异，因此存在浓度不同步的情况，这会导致硫含量计算误差。因此，研究船舶尾气排放污染物遥测技术具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0008]专利技术目的，为了解决上述技术问题，本专利技术提出一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，该方法具有覆盖面广、监测效率高、监测误差小和可推广性强等优点。
[0009]技术方案，为了实现上述专利技术目的，本专利技术提出一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，所述方法包括如下步骤：
[0010]步骤1，根据船舶自动识别系统(AIS)接收的船舶动静态信息以及监测点位经纬度，实时计算船舶到监测点的距离，并预估船舶经过监测点位的时间范围；
[0011]步骤2，在预估的时间范围内，获取光学设备监测到的二氧化硫和二氧化碳的峰值浓度及前后浓度数据，计算二氧化硫和二氧化碳的尾气贡献浓度；
[0012]步骤3，根据监测点位的地理位置、船舶到监测点位时间，结合太阳倾角、太阳高度角和云量数据确定大气稳定度，结合下风向距离确定扩散系数；
[0013]步骤4，根据高斯烟羽模型、扩散参数以及二氧化硫和二氧化碳的尾气贡献浓度，确定二氧化硫和二氧化碳的排放速率并计算排放速率比值；
[0014]步骤5，建立尾气硫碳比与燃油硫含量关系拟合公式，结合二氧化硫和二氧化碳排放速率比值，计算船舶燃油硫含量。
[0015]进一步的，步骤1中，船舶动态信息包括当前时刻经度、纬度、对地航向、船舶速度；船舶静态信息包括船名、水上移动通信业务标识码(MMSI)。
[0016]进一步的，所述步骤1的具体过程如下：
[0017]步骤11，根据船舶自动识别系统接收的船舶经纬度和监测点位经纬度信息实时计算船舶到监测点的距离：
[0018][0019]式中，D为船舶和监测点之间的距离，r为地球半径，表示船舶和监测点的纬度，λ1,λ2表示船舶和监测点的经度；
[0020]步骤12，根据船舶到监测点位的距离、船速计算船舶经过监测点位的时间范围。
[0021]进一步的，所述步骤2的具体过程如下：
[0022]步骤21，根据预估的船舶行驶到监测点位的时间范围，在尾气监测设备数据中获取二氧化硫和二氧化碳的峰值浓度；
[0023]步骤22，根据二氧化硫和二氧化碳的峰值浓度及前后浓度数据，去除当前时段的背景浓度，计算船舶尾气二氧化硫和二氧化碳贡献浓度，所述背景浓度为在没有船只经过时空气中的二氧化硫和二氧化碳浓度；
[0024][0025]式中，表示船舶贡献的SO2浓度，(x,y,z)表示以船为原点，风向为x轴，垂直于水平面方向为z轴时的监测点坐标，H表示排放源距离地面的高度，t2表示SO2峰值浓度对应的时刻，t0和t1分别表示SO2峰值浓度前两个监测浓度对应的时刻，t3表示SO2峰值浓度后一个浓度数据对应的时刻，表示SO2峰值浓度，和分别表示SO2峰值浓度前两个监测浓度，表示SO2峰值浓度后一个浓度数据，表示背景环境中的SO2浓度；
[0026][0027]式中，表示船舶贡献的CO2浓度，t2表示SO2峰值浓度对应的时刻，t0和t1分别表示SO2峰值浓度前两个监测浓度对应的时刻，t3表示SO2峰值浓度后一个浓度数据对应的时刻，和分别表示t0、t1、t2和t3时刻的CO2监测浓度，表示背景环境中的CO2浓度。
[0028]进一步的，选取峰值时段前m分钟SO2监测浓度的平均值，选取峰值时段前m分钟CO2监测浓度的平均值。
[0029]进一步的，所述步骤3的具体过程如下：
[0030]步骤31，根据监测点经度和船舶到监测点位时间确定太阳时角：
[0031]ω＝15t+λ
‑
300
[0032]式中，ω表示太阳时角，t表示观测时的北京时间的小时部分，λ表示监测点所在位置的地理经度；
[0033]步骤32，根据太阳时角、太阳倾角和监测点纬度确定太阳高度角：
[0034][0035]式中，h表示太阳高度角，表示监测点所在位置的地理纬度，σ表示太阳倾角；
[0036][0037]式中，θ的取值为d表示观测时间所在日期是一年中的第几日；
[0038]步骤33，根据太阳高度角和云量数据，查询太阳辐射等级表，确定太阳辐射等级；
[0039]步骤34，根据太阳辐射等级和地面风速数据，查询大气稳定度级别表，确定大气稳定度；
[0040]步骤35，在不同等级的大气稳定度下，确定横向扩散参数σ
x
或σ
y
、纵向扩散参数σ
z
与下风向距离x的函数关系式，结合下风向距离x计算横向和纵向扩散参数。
[0041]进一步的，所述步骤4的具体过程如下：
[0042]根据高斯烟羽模型，计算SO2和CO2的尾气排放速率：
[0043][0044][0045]式中，和分别表示船舶尾气中SO2和CO2的排放速率，C
船贡献SO2
(x,y,z,H)和C
船贡献CO2
(x,y,z,H)分别本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤1，根据船舶自动识别系统(AIS)接收的船舶动静态信息以及监测点位经纬度，实时计算船舶到监测点的距离，并预估船舶经过监测点位的时间范围；步骤2，在预估的时间范围内，获取光学设备监测到的二氧化硫和二氧化碳的峰值浓度及前后浓度数据，计算二氧化硫和二氧化碳的尾气贡献浓度；步骤3，根据监测点位的地理位置、船舶到监测点位时间，结合太阳倾角、太阳高度角和云量数据确定大气稳定度，结合下风向距离确定扩散系数；步骤4，根据高斯烟羽模型、扩散参数以及二氧化硫和二氧化碳的尾气贡献浓度，确定二氧化硫和二氧化碳的排放速率并计算排放速率比值；步骤5，建立尾气硫碳比与燃油硫含量关系拟合公式，结合二氧化硫和二氧化碳排放速率比值，计算船舶燃油硫含量。2.根据权利要求1所述的一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，其特征在于，步骤1中，船舶动态信息包括当前时刻经度、纬度、对地航向、船舶速度；船舶静态信息包括船名、水上移动通信业务标识码(MMSI)。3.根据权利要求1所述的一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程如下：步骤11，根据船舶自动识别系统接收的船舶经纬度和监测点位经纬度信息实时计算船舶到监测点的距离：式中，D为船舶和监测点之间的距离，r为地球半径，表示船舶和监测点的纬度，λ1,λ2表示船舶和监测点的经度；步骤12，根据船舶到监测点位的距离、船速计算船舶经过监测点位的时间范围。4.根据权利要求1所述的一种基于光学技术和硫碳比方法的船舶燃油硫含量计算方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：步骤21，根据预估的船舶行驶到监测点位的时间范围，在尾气监测设备数据中获取二氧化硫和二氧化碳的峰值浓度；步骤22，根据二氧化硫和二氧化碳的峰值浓度及前后浓度数据，去除当前时段的背景浓度，计算船舶尾气二氧化硫和二氧化碳贡献浓度，所述背景浓度为在没有船只经过时空气中的二氧化硫和二氧化碳浓度；式中，表示船舶贡献的SO2浓度，(x,y,z)表示以船为原点，风向为x
轴，垂直于水平面方向为z轴时的监测点坐标，H表示排放源距离地面的高度，t2表示SO2峰值浓度对应的时刻，t0和t1分别表示SO2峰值浓度前两个监测浓度对应的时刻，t3表示SO2峰值浓度后一个浓度数据对应的时刻，表示SO2峰值浓度，和分别表示SO2峰值浓度前两个监测浓度，表示SO2峰值浓度后一个浓度数据，表示背景环境中的SO2浓度；式中，表示船舶贡献的CO2浓度，t2表示SO2峰值浓度对应的时刻，t0和t1分别表示SO2峰值浓...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，吴浩，叶智锐，胡里阳，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：