本發(fā)明涉及的是海洋水質(zhì)預(yù)測(cè)和馬爾科夫過(guò)程技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種海洋污染事故中基于馬爾科夫過(guò)程的快速預(yù)測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
海洋中諸如溢油等突發(fā)污染事故的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)問(wèn)題是海洋環(huán)境科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。研究海洋污染事故發(fā)生后海洋中物質(zhì)的輸運(yùn)規(guī)律，是進(jìn)行污染事故應(yīng)急處置，污染事故后果評(píng)估的重要參考依據(jù)。目前，對(duì)于此類水質(zhì)預(yù)測(cè)問(wèn)題，大多采用數(shù)值模型模擬的方法，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)了許多復(fù)雜的三維海洋數(shù)值模型。
由于水體流動(dòng)的復(fù)雜性，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究海洋中物質(zhì)的輸運(yùn)，一個(gè)區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)完全輸運(yùn)到其他區(qū)域需要非常長(zhǎng)的時(shí)間，時(shí)間尺度從幾天到幾百年。如果完全用數(shù)值模型的方法模擬該過(guò)程需要消耗大量的計(jì)算資源。
海洋中，周期性的潮流是驅(qū)動(dòng)水體交換的主要的動(dòng)力條件，在周期性動(dòng)力條件下，區(qū)域間的水體交換可近似認(rèn)為滿足馬爾科夫性，即：一個(gè)系統(tǒng)在某一時(shí)刻的狀態(tài)僅由前一個(gè)狀態(tài)決定，而與之前的所處狀態(tài)無(wú)關(guān)。通過(guò)馬爾科夫鏈構(gòu)造概率傳輸矩陣，可極大節(jié)省物質(zhì)輸運(yùn)的計(jì)算時(shí)間。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提供了一種海洋污染事故中基于馬爾科夫過(guò)程的快速預(yù)測(cè)技術(shù)，可以對(duì)研究區(qū)域的水體交換或者物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行高效快速的預(yù)測(cè)。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
海洋污染事故中基于馬爾科夫過(guò)程的快速預(yù)測(cè)技術(shù)，其步驟如下：
1、對(duì)研究海域進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)海水周期性運(yùn)動(dòng)具有馬爾科夫性將研究過(guò)程劃分為相同時(shí)長(zhǎng)的周期，用一定數(shù)量的粒子代表海洋中的污染物質(zhì)，采用海洋數(shù)值模式中拉格朗日粒子跟蹤方法對(duì)區(qū)域間的物質(zhì)輸運(yùn)進(jìn)行模擬；
2、統(tǒng)計(jì)在不同分區(qū)內(nèi)釋放的粒子在不同的周期出現(xiàn)在各個(gè)分區(qū)的比例，求出該區(qū)域的馬爾科夫概率轉(zhuǎn)移矩陣；
3、根據(jù)馬爾科夫概率轉(zhuǎn)移矩陣預(yù)測(cè)研究水域的水體交換或污染物輸運(yùn)過(guò)程。
本發(fā)明的有益效果為：
(1)采用了統(tǒng)計(jì)的方法代替模型模擬，能夠很好的節(jié)省計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間，對(duì)研究區(qū)域的水體交換和物質(zhì)運(yùn)輸進(jìn)行高效快速的預(yù)測(cè)。
(2)事先求出近海重點(diǎn)區(qū)域的概率轉(zhuǎn)移矩陣，無(wú)需再進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)值模擬，便能夠直接對(duì)該區(qū)域的物質(zhì)輸運(yùn)進(jìn)行長(zhǎng)周期的預(yù)測(cè)。
具體實(shí)施方式
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
實(shí)施例：
一種海洋污染事故中基于馬爾科夫過(guò)程的快速預(yù)測(cè)技術(shù)，步驟如下：
1、為了計(jì)算物質(zhì)轉(zhuǎn)移矩陣，將研究區(qū)域共分為N個(gè)分區(qū)，劃分分區(qū)的個(gè)數(shù)依據(jù)研究情況和模型劃分的時(shí)間步長(zhǎng)而定。
2、采用海洋數(shù)值模式對(duì)海洋中的動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，作為物質(zhì)輸運(yùn)的動(dòng)力條件，并將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。
3、對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行粒子輸運(yùn)的模擬。粒子追蹤模型可采用任何具有粒子追蹤功能的模型。在動(dòng)力學(xué)模型運(yùn)行穩(wěn)定后，在各分區(qū)均勻釋放粒子，開(kāi)始模擬粒子輸運(yùn)擴(kuò)散。選取一定的時(shí)間步長(zhǎng)作為一個(gè)研究周期，按周期輸出粒子的位置。時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)結(jié)合實(shí)際水文動(dòng)力情況，若實(shí)際水文動(dòng)力情況存在周期性，如潮汐，則時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)選取周期倍數(shù)，若水體流動(dòng)接近恒定流，如湖泊、河流等，則需根據(jù)子區(qū)域劃分的大小進(jìn)行確定。
4、根據(jù)每個(gè)計(jì)算周期的粒子輸出結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出在各個(gè)分區(qū)釋放的粒子在每個(gè)周期存在于各個(gè)分區(qū)的比例。Pij為矩陣的第i行第j列的元素，表示在分區(qū)i的粒子到第k個(gè)周期轉(zhuǎn)移到分區(qū)j的概率，則可以組成一個(gè)N×N的矩陣Pk，根據(jù)公式求出轉(zhuǎn)移矩陣P。其中T為模擬的總時(shí)間步長(zhǎng)個(gè)數(shù)。
5、第(1)～第(4)步的結(jié)果在特定海域中是提前研究并在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存儲(chǔ)的，在污染事故發(fā)生后以備調(diào)用。
6、污染事故發(fā)生后，根據(jù)要求確定預(yù)測(cè)時(shí)長(zhǎng)，即確定計(jì)算周期k。根據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)的概率轉(zhuǎn)移矩陣P,求出P的k次方,則Pk即為物質(zhì)釋放后第k個(gè)周期的轉(zhuǎn)移矩陣。對(duì)應(yīng)的第i行第j列的元素即為預(yù)測(cè)出的在區(qū)域i釋放的粒子在經(jīng)過(guò)k個(gè)周期后出現(xiàn)在j區(qū)域的物質(zhì)的概率，通過(guò)分析Pk中的元素判斷某一個(gè)分區(qū)是否被污染。
7、若需要求出某個(gè)分區(qū)內(nèi)的輸入的污染物的總量，則需要知曉事故中污染物的排放量，假定aii為初始時(shí)刻分區(qū)i內(nèi)污染物的數(shù)量，在轉(zhuǎn)移矩陣前乘以矩陣A，便可以計(jì)算任意一個(gè)分區(qū)經(jīng)過(guò)K周期后的污染物的數(shù)量。即：其中，A為對(duì)角矩陣矩陣，第i行第j列的元素為在第k個(gè)周期在i區(qū)域釋放的物質(zhì)在區(qū)域j的數(shù)量。如：某分區(qū)某時(shí)刻出現(xiàn)污染，經(jīng)過(guò)k個(gè)周期后，分區(qū)j污染物的總量為矩陣的第j列元素求和，即：至此，可以通過(guò)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的概率傳輸矩陣P方便快捷地計(jì)算某分區(qū)內(nèi)的污染物的數(shù)量，也可以根據(jù)污染物的總量除以水體的體積計(jì)算污染物的濃度。
8、若考慮污染物的衰減，可在概率轉(zhuǎn)移矩陣P前乘以一個(gè)修正系數(shù)作為衰減物質(zhì)的轉(zhuǎn)移矩陣Ps,Ps＝(1-Q)P，Q為此污染物在一個(gè)周期的衰減率。若物質(zhì)是保守物質(zhì)，則Q＝0。
本具體實(shí)施方式能夠很好的節(jié)省計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間，對(duì)研究區(qū)域的水體交換和物質(zhì)運(yùn)輸進(jìn)行高效快速的預(yù)測(cè)，能夠直接對(duì)該區(qū)域的物質(zhì)輸運(yùn)進(jìn)行長(zhǎng)周期的預(yù)測(cè)。
對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，顯然本發(fā)明不限于上述示范性實(shí)施例的細(xì)節(jié)，而且在不背離本發(fā)明的精神或基本特征的情況下，能夠以其他的具體形式實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。因此，無(wú)論從哪一點(diǎn)來(lái)看，均應(yīng)將實(shí)施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求而不是上述說(shuō)明限定，因此旨在將落在權(quán)利要求的等同要件的含義和范圍內(nèi)的所有變化囊括在本發(fā)明內(nèi)。
此外，應(yīng)當(dāng)理解，雖然本說(shuō)明書(shū)按照實(shí)施方式加以描述，但并非每個(gè)實(shí)施方式僅包含一個(gè)獨(dú)立的技術(shù)方案，說(shuō)明書(shū)的這種敘述方式僅僅是為清楚起見(jiàn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)將說(shuō)明書(shū)作為一個(gè)整體，各實(shí)施例中的技術(shù)方案也可以經(jīng)適當(dāng)組合，形成本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的其他實(shí)施方式。