[發明專利]增加甲烷化學動態的中尺度大氣光化學污染模擬預測算法

在審

• 申請號: 201711085469.X
• 申請日: 2017-11-07
• 公開（公告）號: CN108121892A
• 公開（公告）日: 2018-06-05
• 發明（設計）人: 謝旻;王體健
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 南京蘇創專利代理事務所(普通合伙) 32273
• 代理人: 王華

本發明公開了一種增加甲烷化學變化的中尺度大氣光化學污染模擬預測算法，其基于CALGRID化學模式，考慮大氣化學反應、大氣輸送與擴散、沉降、地面面源和高架排放源的影響，并對化學物種原始濃度中物理量的平均量分解為脈動量，在該基礎上，將OH自由基和CH₄作為變量，引入OH自由基和甲烷(CH₄)的化學反應，根據OH自由基和CH₄的化學反應列表計算OH自由基和CH₄的濃度變化。本發明利用空氣質量模式模擬OH自由基和CH₄的時空分布，不僅有利于了解模擬區域的大氣氧化能力，而且有利于深入了解光化學反應的細節。

技術領域

本發明屬于大氣環境污染物檢測技術領域，尤其涉及中尺度大氣光化學污染的改進型預測模型。

背景技術

空氣質量模式，是在對污染物排入大氣環境后傳輸、擴散、轉化和清除等一系列物理和化學過程的認識基礎上，利用氣象、環境、物理、化學等學科的研究方法和計算機技術，實現模擬和預報不同空間尺度上空氣污染物濃度分布狀況及變化趨勢的方法，在空氣質量預報、大氣污染控制、環境規劃與管理、城市建設及公共衛生等方面均有重要的實際應用價值，具有廣闊的發展前景。

CALGRID是由美國加州的ARB(Air Resources Board)開發的，是歐拉型的中尺度大氣光化學模式，針對二次污染源如臭氧的模擬具有較好效果，主要適用于晴空條件下的光化學反應的模擬，包含了大氣輸送與擴散、氣相化學反應、人為排放的點面線源、干沉降等過程。

原有的CALGRID模式還是存在一定的局限性，包括假設甲烷為濃度不變物種，考慮甲烷的物理化學過程不完善。在清潔地區，甲烷排放特別是其自然源排放，對OH自由基和氣相化學反應有重要的影響。因此，CALGRID在實際應用方面受到一定的限制，且未考慮自然源排放中的甲烷排放對OH自由基的影響，可能造成最終的模擬失真或偏離。

發明內容

為解決上述技術問題，本發明采用了以下技術方案：一種增加甲烷化學動態的中尺度大氣光化學污染模擬預測算法，包括以下步驟：

步驟1：采用CALGRID化學模式，考慮大氣化學反應、大氣輸送與擴散、沉降、底面積高架排放源的影響，并對化學物種原始濃度中物理量的平均量分解為脈動量，得到化學物種濃度變化方程如式(1)，

式中，C是化學物種平均濃度，V是三維風矢量的平均量，K是湍流擴散系數，E是污染源排放，是由于沉降引起的物種濃度變化，P_CHEM是化學產生率，L_CHEM是化學損失率；式(1)中二階湍流擴散項通過湍流擴散系數K理論閉合轉化得到；式(1)中右側多項式依次分別為平流項、擴散項、源項、沉降項、化學變化項；

步驟2：由于平流項、擴散項、源項、沉降項、化學變化項各過程的特征時間不一致，通過算子分列時間積分對各過程進行積分，

Cⁿ⁺¹＝A_xA_yA_zA_cA_zA_yA_xCⁿ (2)

式中，A_x、A_y是水平輸送擴散算子；A_z是垂直輸送擴散、物質輸入和物理損耗算子，A_c是化學反應算子；

步驟3：CALGRID化學模式中的化學變化項以SAPRC-90的氣相化學機制為基礎，并在該基礎上引入OH自由基和CH₄的化學反應，根據OH自由基和CH₄的化學反應列表計算OH自由基和CH₄的濃度變化。