CN113281264B - 一种基于卫星遥感确定环境大气污染点源一氧化碳排放通量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于卫星遥感确定环境大气污染点源一氧化碳排放通量的方法,基于卫星遥感观测的一氧化碳大气时空分布,采用截面积分通量算法并结合风场信息识别和量化点源排放烟羽。这一方法应用了截面积分通量算法计算工业源一氧化碳排放通量及其不确定度和长时间变化规律。结合大气环流、气象要素、地形地貌及源区污染特征,可获得工业源一氧化碳排放的传输规模、空间分布规律和时空演变特征。与传统的排放通量量化方法相比,基于卫星遥感的截面积分通量算法可实现任意区域点源排放通量的高精度计算,在大气污染精准防治领域具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于环境影响评价技术领域,涉及一种基于卫星遥感确定环境大气污染点源一氧化碳排放通量的方法,尤其是能识别和量化任意区域点源排放通量。
背景技术
一氧化碳是我国《环境空气质量标准》中六项基本控制污染物之一。目前大气污染物一氧化碳观测存在缺乏高密度的立体观测数据、缺乏高精度的工业点源排放监测手段及缺乏高效能的评估优化方法等瓶颈问题。使得污染气体一氧化碳传输和排放通量计算变得困难。如何构建高精度工业点源排放通量计算方法是一个关键挑战。
发明内容
为了克服现有的缺乏高密度的立体观测数据和缺乏高精度的工业点源排放监测手段的不足,本发明提供一种基于卫星遥感确定环境大气污染点源一氧化碳排放通量的方法。所述方法是基于卫星遥感量化工业点源一氧化碳排放通量的方法,获取主要工业点源一氧化碳排放通量长时间序列数据集,明晰工业排放的规模和规律,揭示局地精细化时空特征和污染机理。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下:
一种基于卫星遥感确定环境大气污染点源一氧化碳排放通量的方法,其特征在于,基于卫星遥感观测的一氧化碳大气时空分布,采用截面积分通量算法并结合风场信息识别和量化点源排放烟羽。
优选地,所述的截面积分通量算法是根据质量守恒定律,沿风场垂直方向积分烟羽相对于背景值的增量。
优选地,所述的截面积分通量算法是采用大气化学传输模型来模拟风场信息,由于沿风场垂直方向的一氧化碳柱质量增量积分与风场方向上点源的扩散距离无关,因此通过截面积分通量法对不同的值进行计算,获得距离排放源不同位置的通量分布,最终获取的点源排放通量是不同位置通量结果的数值平均。
优选地,所述的风场信息为精细的风场信息。
优选地,根据质量守恒定律,点源一氧化碳排放通量P由式(1)计算得出:
其中v(x,y)表示风场向量,y代表垂直于风场方向上烟羽的扩散宽度;对于实际卫星观测的烟羽,式(1)的积分为风场和质量增量在能够观测到的烟羽宽度的离散之和;式中ΔΩ(x.y)表示卫星遥测的大气一氧化碳柱质量增量,由下式计算得出:
卫星观测的一氧化碳柱浓度为干空气摩尔混合比浓度,用XCO(ppb)表示;ΔXCO表示扣除背景浓度的一氧化碳浓度增量;通过式(2)将卫星观测到的浓度增量转换为质量增量,单位是kg/m2;式中MCO和Ma分别表示一氧化碳的摩尔质量和干空气的摩尔质量(kg/mol),Ωa为干空气柱质量(kg/m2)。
本发明首先基于高分辨率卫星遥感的红外光谱开展高气溶胶背景下大气一氧化碳垂直柱浓度高精度反演研究,获取高精度工业点源一氧化碳污染物排放的时空分布信息。其次结合大气化学传输模型WRF-Chem模拟的高精度风场,通过截面积分通量算法计算典型工业源一氧化碳排放通量。最后结合大气环流、气象要素、地形地貌及源区污染特征,研究工业源一氧化碳排放的传输规模、空间分布规律和时空演变特征,并与地面清单资料进一步对比验证,实现大气一氧化碳排放精准监测。
本发明的有益效果是,建立了基于卫星遥感量化工业点源一氧化碳排放通量和误差评估的方法,可获取任意区域工业点源一氧化碳排放通量数据集,为我国大气污染精准防治战略提供科学数据支持。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明型进一步说明。
图1是应用本发明的实例,点源烟羽排放通量算法原理图;
图2是应用本发明的实例,获得了距离排放源不同位置的通量分布。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明,本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容,而且通过以下实施例的叙述,本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。
利用高分辨率卫星遥感观测的一氧化碳大气时空分布并结合精细的风场信息精准识别和量化点源烟羽排放通量。由于风场作用,卫星遥感的工业点源一氧化碳烟羽羽流会呈现出多种形状,本发明采用截面积分通量法量化工业点源排放通量,即沿风场垂直方向积分烟羽相对于背景值的增量。根据质量守恒定律,点源排放通量P由式(1)计算得出:
其中v(x,y)表示风场向量,y代表垂直于风场方向上烟羽的扩散宽度。对于实际卫星观测的烟羽,式(1)的积分可近似为风场和质量增量在烟羽宽度上(可观测到的烟羽宽度)的离散之和。式中ΔΩ(x.y)表示卫星遥测的大气一氧化碳柱质量增量,由下式计算得出:
卫星观测的一氧化碳柱浓度通常为干空气摩尔混合比浓度,通常用XCO(ppb)表示。ΔXCO表示扣除背景浓度的一氧化碳浓度增量。通过式(2)即可将卫星观测到的浓度增量转换为质量增量,单位是kg/m2。式中MCO和Ma分别表示一氧化碳的摩尔质量和干空气的摩尔质量(kg/mol),Ωa为干空气柱质量(kg/m2)。基于卫星遥感测算工业点源一氧化碳排放通量的优势在于卫星遥感能够探测到烟羽浓度分布的整个范围,不足之处是无法获取水平和垂直方向上各个位置的风场信息。针对此问题,本发明采用大气化学传输模型来模拟精细的风场信息。由于沿风场垂直方向(y轴)的一氧化碳柱质量增量积分P与风场方向上点源的扩散距离x无关,因此通过截面积分通量法对不同的x值进行计算,获得了距离排放源不同位置的通量分布。最终获取的点源排放通量是不同位置通量结果的数值平均。
在图1中,首先通过式(2)将卫星观测到的浓度增量转换为质量增量,图中直线为积分路径,由此获得卫星遥测的大气一氧化碳柱质量增量。
在图2所示实施例中,根据等式(1)沿图1直线,即沿风场垂直方向积分烟羽相对于背景值的增量。对于实际卫星观测的烟羽,式(1)的积分可近似为风场和质量增量在烟羽宽度上(可观测到的烟羽宽度)的离散之和。沿风场垂直方向(y轴)的一氧化碳柱质量增量积分P与风场方向上点源的扩散距离x无关,因此通过截面积分通量法对不同的x值进行计算,获得了距离排放源不同位置的通量分布。最终获取的点源排放通量是不同位置通量结果的数值平均。其中精细的风场信息最好采用大气化学传输模型来模拟。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述,优选实施例并没有详尽叙述所有的细节,也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于卫星遥感确定环境大气污染点源一氧化碳排放通量的方法,其特征在于,基于卫星遥感观测的一氧化碳大气时空分布,采用截面积分通量算法并结合风场信息识别和量化点源排放烟羽;所述的截面积分通量算法是根据质量守恒定律,沿风场垂直方向积分烟羽相对于背景值的增量;根据质量守恒定律,点源一氧化碳排放通量P由式(1)计算得出:
其中v(x,y)表示风场向量,y代表垂直于风场方向上烟羽的扩散宽度;对于实际卫星观测的烟羽,式(1)的积分为风场和质量增量在能够观测到的烟羽宽度的离散之和;式中ΔΩ(x.y)表示卫星遥测的大气一氧化碳柱质量增量,由下式计算得出:
卫星观测的一氧化碳柱浓度为干空气摩尔混合比浓度,用XCO(ppb)表示;ΔXCO表示扣除背景浓度的一氧化碳浓度增量;通过式(2)将卫星观测到的浓度增量转换为质量增量,单位是kg/m2;式中MCO和Ma分别表示一氧化碳的摩尔质量和干空气的摩尔质量(kg/mol),Ωa为干空气柱质量(kg/m2)。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的截面积分通量算法是采用大气化学传输模型来模拟风场信息,由于沿风场垂直方向的一氧化碳柱质量增量积分与风场方向上点源的扩散距离无关,因此通过截面积分通量法对不同的值进行计算,获得距离排放源不同位置的通量分布,最终获取的点源排放通量是不同位置通量结果的数值平均。
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