一種提高大氣污染模型預(yù)測效率的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及突發(fā)性事故的安全與應(yīng)急處理技術(shù)領(lǐng)域，特別是設(shè)及大氣污染擴(kuò)散技 術(shù)領(lǐng)域，具體為一種提高大氣污染模型預(yù)測效率的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)污染源對大氣環(huán)境的影響越來越大，造成了嚴(yán)重的環(huán)境破 壞，對人民的生活環(huán)境帶來了嚴(yán)重的威脅。然而，對工業(yè)現(xiàn)場污染進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)測、預(yù) 測又有很大的困難，不是十分的可行，因此，通過大氣污染擴(kuò)散模型來模擬預(yù)測大氣污染的 擴(kuò)散應(yīng)用的很普遍。大氣擴(kuò)散模型是一種時空復(fù)合的環(huán)境模型，用于描述大氣對污染物的 輸移、擴(kuò)散和稀釋作用，它是進(jìn)行環(huán)境評價和環(huán)境預(yù)測的有力手段，是評估泄漏危險度和可 能泄漏量、分析有毒化學(xué)物質(zhì)大氣泄漏事故環(huán)境影響的最佳方法。近地大氣擴(kuò)散模擬自20 世紀(jì)30年代前后就得到發(fā)展，至今已發(fā)展為數(shù)眾多的大氣擴(kuò)散模型。
[0003] 從2009年4月1日起，我國的現(xiàn)行法規(guī)模式包括估算模式，AERMOD，ADMSW及 CALPUFF模式。20世紀(jì)90年代中后期，美國氣象學(xué)會聯(lián)合美國環(huán)境保護(hù)局組建法規(guī)模型改 善委員會基于最新的大氣邊界層和大氣擴(kuò)散理論，成功的開發(fā)了AERMOD大氣擴(kuò)散模型，W 一代新的法規(guī)模型替代了原本的ISC模型。AERMOD模型是穩(wěn)態(tài)煙羽模型，評價范圍為50km W內(nèi)，W擴(kuò)散統(tǒng)計理論為出發(fā)點，假設(shè)污染物的濃度分布在一定程度上服從高斯分布。該模 型由S大部分組成；AERMET模塊（氣象數(shù)據(jù)預(yù)處理器）、AERMAP模塊（地形數(shù)據(jù)預(yù)處理器） W及核屯、模塊AERMOD(擴(kuò)散模型）。模式系統(tǒng)可用于多種排放源（包括點源、面源和體源） 的排放，也適用于鄉(xiāng)村環(huán)境和城市環(huán)境、平坦地形和復(fù)雜地形、地面源和高架源等多種排放 擴(kuò)散情形的模擬和預(yù)測。其中，該模型適用范圍一般為50kmW內(nèi)，并且使用中的地形高程 范圍必須要大于所選取的評測區(qū)域的范圍。模型的不足在于；實際中所取DEM高程數(shù)據(jù)的 評測區(qū)域范圍與污染造成的實際區(qū)域（或者實際的評測區(qū)域）相比過大，導(dǎo)致了較大的計 算量，降低了計算效率。在此之前，凡設(shè)及污染擴(kuò)散預(yù)測方面對模型的應(yīng)用均嚴(yán)格按照原始 模型的設(shè)計進(jìn)行預(yù)測應(yīng)用，至于評測區(qū)域的選取并沒有明確的依據(jù)。目前國內(nèi)外在林火、降 雨的預(yù)測方面，根據(jù)大量的氣象數(shù)據(jù)，運用機(jī)器學(xué)習(xí)中的非線性回歸和支持向量機(jī)技術(shù)，獲 得預(yù)測模型，取得過不錯效果。本專利著眼于：模型本身沒有根據(jù)歷史數(shù)據(jù)事先通過預(yù)測來 選取地形高程DEM數(shù)據(jù)范圍選取的功能，因此本專利的創(chuàng)新之處也就在于在原始模型的基 礎(chǔ)上，受到相關(guān)預(yù)測方法的啟發(fā)，運用機(jī)器學(xué)習(xí)當(dāng)中的多元多項式回歸方法，通過大量氣象 數(shù)據(jù)訓(xùn)練，建立選取評測區(qū)域大小的多元多項式模型，改善W往對評測區(qū)域選擇依據(jù)不明 確的弊端，提高模型的預(yù)測計算效率。
[0004] 我國常用大氣擴(kuò)散模型AERMOD原理簡介；AERMET的邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)和廓線數(shù) 據(jù)可W由輸入的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)確定，或由輸入的國家氣象局常規(guī)氣象資料（地面數(shù)據(jù)、探 空數(shù)據(jù)）生成。AERMET廓線數(shù)據(jù)和邊界層廓線數(shù)據(jù)經(jīng)過AERMOD中的控制文件引用進(jìn)入 AERMOD系統(tǒng)，計算出相似參數(shù)，并對邊界層廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插。AERMOD將平均風(fēng)速、水平 向及垂向端流量脈動、溫度梯度、位溫、水平拉格朗日時間尺度等輸入擴(kuò)散模式，并計算出 AERMAP是簡化并標(biāo)準(zhǔn)化AERMOD地形輸入數(shù)據(jù)的地形預(yù)處理器，它將輸入的各網(wǎng)格點的位 置參數(shù)（X，y，Z)及其地形高度參數(shù)（xt，yt，zt)經(jīng)過計算轉(zhuǎn)化成AERM0D數(shù)據(jù)處理的地形數(shù) 據(jù)，包括有各個網(wǎng)格點位置參數(shù)（x，y，z)及其有效高度值，該些數(shù)據(jù)用于障礙物周圍大氣 擴(kuò)散的計算并結(jié)合風(fēng)速U等參數(shù)的分布，從而可W進(jìn)行污染物濃度的分布計算。AERMOD的 濃度預(yù)測計算。
[0005] 1)平坦地形條件（即不考慮地形影響）
[0006]
[0007] 式中；Q為污染源排放速率，U為有效風(fēng)速，Py，Py為水平方向和垂直方向濃度分布 的概率密度函數(shù)。
[000引 2)考慮地形條件：
[0009] Cr(X，y,Z) =f.C(X"y"Zr) + (1-f).C(X"y"Zp)
[0010] 式中；C(Xr，y,，Zr)為水平煙羽的貢獻(xiàn)，C(Xr，y,，Zp)為地形影響的煙羽貢獻(xiàn)。
[0011] 扣對流邊界層內(nèi)的濃度預(yù)測計算
[0012] 對流邊界層中預(yù)測的地面濃度由W下=種污染源的濃度組成：
[0013] 第一部分；因下沉氣流直接擴(kuò)散到地面的直接源：
[0016] 第二部分；因上升氣流擴(kuò)散到混合層頂?shù)拈g接源：
[0017]
[0018] 第=部分；穿透進(jìn)入混合層上部穩(wěn)定層中的煙羽，經(jīng)過一段時間后還將重新進(jìn)入 混合層，并擴(kuò)散到地面，也就是穿透源：
[0019]
[0020] W上式中，F(xiàn)y為水平分布函數(shù)，0y為水平擴(kuò)散參數(shù)，Zi為混合層高度，0d為直接 源垂直擴(kuò)散參數(shù)，0 為穿透源垂直擴(kuò)散參數(shù)，W為直接源煙羽總高度，tj.為間接源煙 羽總高度，Aj.是上升和下沉兩部分煙羽的權(quán)重系數(shù)，m為反射次數(shù)，h為穿透源高度，Z 為穩(wěn)定層中反射面高度。
[0021] 4)穩(wěn)定邊界層內(nèi)的濃度預(yù)測計算
[0022] 平坦地形上，適用于穩(wěn)定條件AERMOD濃度表達(dá)式的形式為高斯模型：
[0023]

[0026] 式中；hp為煙羽高度，Ha為垂直混合極限高度，Hp為排放源高度與煙羽抬升高度之 和，F(xiàn)y為曲流的水平分布函數(shù)。
[0027] 大氣擴(kuò)散模型AERMOD在實際應(yīng)用中都是在模型的有效范圍之內(nèi)盡量大的選取 DEM地形高程范圍所包含的評測區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，W達(dá)到包含實際污染事故的影響范圍 的目的，然后在該評測區(qū)域上進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于選取的評測區(qū)域往往比實際污染范圍要 大，該樣就使得在實際污染范圍之外的網(wǎng)格點也參與了AERMOD模型的計算過程當(dāng)中，該樣 做無疑增加了在所選取的評測區(qū)域范圍內(nèi)實際并沒有被影響的區(qū)域的計算量的問題，增加 了不必要的計算，降低了模型的預(yù)測效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[002引鑒于W上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種提高大氣污染模型預(yù) 測效率的方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中大氣污染模型計算量大而且預(yù)測效率低的問題。
[0029] 為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種提高大氣污染模型預(yù)測效率的 方法，應(yīng)用于通過大氣污染模型評測污染區(qū)域的過程中，所述方法包括；對原始?xì)庀髷?shù)據(jù)進(jìn) 行預(yù)處理獲取邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)和廓線數(shù)據(jù)，根據(jù)所述邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)、所述廓線數(shù)據(jù)、污染 源參數(shù)W及地形數(shù)據(jù)獲取大氣污染模型內(nèi)各個預(yù)測網(wǎng)格點的污染濃度值，根據(jù)所述污染濃 度值獲取關(guān)注污染物濃度的等值線并根據(jù)所述等值線獲取污染影響面積；利用所述邊界層 參數(shù)數(shù)據(jù)、所述廓線數(shù)據(jù)W及所述污染影響面積建立具有預(yù)測作用的多項式預(yù)測模型；W 存在大氣污染時的實時氣象數(shù)據(jù)為輸入，根據(jù)所述多項式預(yù)測模型獲取預(yù)測污染面積，將 所述預(yù)測污染面積和污染源的位置信息導(dǎo)入到大氣污染模型中作為選取所述大氣污染模 型中評測污染區(qū)域的依據(jù)。
[0030] 優(yōu)選地，通過對所述各個預(yù)測網(wǎng)格點的污染濃度值進(jìn)行插值運算獲取所述關(guān)注污 染物濃度的等值線。
[0031] 優(yōu)選地，所述獲取污染影響面積具體為；獲取所述等值線中最遠(yuǎn)兩點之間的距離， W所述距離為邊長構(gòu)建涵蓋所述等值線在內(nèi)的正方形，獲取所述正方形的面積并W所述正 方形的面積作為所述污染影響面積。
[0032] 優(yōu)選地，所述等值線至少為兩條。
[0033] 優(yōu)選地，利用所述邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)、所述廓線數(shù)據(jù)W及所述污染影響面積建立具 有預(yù)測作用的多項式預(yù)測模型具體為；W所述邊界層參數(shù)數(shù)據(jù)和所述廓線數(shù)據(jù)為訓(xùn)練數(shù) 據(jù)，W所述污染影響面積為因變量數(shù)據(jù)，經(jīng)過對所述訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多次訓(xùn)練獲得多項式模型， 再根據(jù)均方誤差和擬合優(yōu)度對所述多項式模型進(jìn)行優(yōu)化獲得所述具有預(yù)測作用的多項式 預(yù)測模型。