CN118069958A - 一种大气环境容量计算方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大气环境容量计算方法及装置，获取目标区域的气象监测数据的关键参数；根据近地面站点和高空站站点的水平坐标、高度信息以及关键参数计算得到目标区域下垫面粗糙高度；计算多组不同高度上的风速场求解出近地面理查逊系数；求解目标区域的边界层高度；结合目标区域内多点位的水平风速和目标区域的边界层高度计算得到目标区域内大气污染环境容量。优点：利用较容易获取的工业园区及周边区域的实时环境气象常规监测数据，对该区域大气环境容量进行实时定量化快速计算的方法；可以对工业园区所在空间区域提出较为可靠而快速实时的大气污染排放量计算数据，从而对于工业园区对周边环境影响给出科学定量化评估结果。

Description

一种大气环境容量计算方法及装置

技术领域

本发明涉及一种大气环境容量计算方法及装置，属于气象数据处理技术领域。

背景技术

工业园区的大气污染物排放，如颗粒物、有害气体和挥发性有机化合物等，通常会对周边环境产生重大影响。而其中大气环境容量是一定区域内大气空间及其扩散和传输物理特征量所能够容纳大气污染物维持在某一浓度阈值时的可承载量。对工业园区及周边区域的大气环境容量的科学定量评估，是对该工业园区工业交通以及其它人类活动中发生的大气污染排放可容纳量进行统筹管理的重要科学理论前提和管理依据。

当前用来监控或核算工业园区特定污染物排放的方法有如下几种原理和技术路线：

1、物料平衡法：已知特定工艺所需的进料数量，已知当前工艺水平下，单位进料会产生哪些污染物和相应的排放量，进而可以估算出污染排放量；其缺点：1）进料数量在实际工况下无法被环境或者其他管理部门实时监控，通常只能得到以年或者季为单位的较准确的数据，从而对于污染排放量的监控也只能得到年季尺度的值，无法对其实时（比如逐小时）的排放量变化特征进行监控；2）特定工艺的排放强度有关系数，是按照正规和完整工艺流程来估算的，但实际生产过程中，企业主体大量存在违规操作或者其他非正常操作，从而使得理论估计值与实际情况存在较大的***性偏差；

2、排放口流量监控法：在产生污染排放的设备的排口处安装污染物浓度和排放流程的监测设备，实时得到污染排放量数据，并对此进行时间积分从而得到排放总量；其缺点是只能对固定和有组织排放口进行监控。而在实际工况下，大多数企业存在大量无组织排放，比如管线跑冒滴漏，或者干脆为了绕过监测而私自从非正常终端进行排放，最终导致该方法的监控结果与实际发生较大偏差；

3、溯源模型法：通过中尺度大气扩散模式结合正则矩阵方法进行排放清单溯源，先通过数值模式得到区域内空间大气污染物浓度的空间分布及其时间变化特征，进而根据一些假设进行反演排放强度的计算。从总体的理论原理而言，本发明也属于这类方法，但是前人的方法的缺陷如下：1）目前该种方法较多地基于中尺度大气模式，也即分辨率为公里量级，而模拟区域范围为百公里量级；而工业园区的典型空间范围一般仅有数公里，主要是街谷尺度，因此现有模式的精度太粗；而且在中尺度和街谷尺度上，大气扩散的主要物理机制不同，也即前者相关模式无法在不改动模式核心算法和物理假设的情况下单靠改变分辨率和模拟范围来解决该问题；所以关注区域越小，结果误差越大；2）在1）中所述的中尺度原理和方法，需要在每一个实时计算阶段反复多次调用和求解大气扩散方程，而该方程计算量较大，两厢叠加之后使得这种方法在每个实时计算阶段都需要大量的数值计算量，从而无法在规定的时间内完成（也即算一个30分钟的排放量，需要的计算时间远远大于30分钟，一般是8个小时左右）这就失去了意义，并且也没办法连续滚动运行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种大气环境容量计算方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的。

一方面，本发明提供一种大气环境容量计算方法，包括：

获取目标区域近地面站点和高空站站点的水平坐标和高度信息以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据；

根据所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据进行自适应拟合，得到气象监测数据的关键参数；

根据所述水平坐标、所述高度信息以及所述气象监测数据的关键参数计算得到目标区域下垫面粗糙高度；

根据目标区域下垫面粗糙高度以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据计算多组不同高度上的风速场求解出近地面理查逊系数；

根据所述近地面理查逊系数求解目标区域的边界层高度；

根据近地面站点和高空站站点的气象监测数据获取目标区域内多点位的水平风速，结合目标区域内多点位的水平风速和目标区域的边界层高度计算得到目标区域内大气污染环境容量。

进一步的，所述目标区域下垫面粗糙高度的计算公式为：

（1）；

式中，Z ₀表示目标区域下垫面粗糙高度，Z _g 表示近地面站点高度，Z _h 表示高空站站点高度，，b表示关键参数。

进一步的，所述近地面理查逊系数的计算公式为：

（2）；

式中，R _ic 表示近地面理查逊，R ₀表示地表罗斯贝数，g表示重力加速度，b表示关键参数，θ _v0表示虚位温，U _z 表示高空站站点的风速，U _g 表示近地面站点的风速，Z _g 表示近地面站点高度，Z _h 表示高空站站点高度；

（3）；

式中，f ₀表示科里奥利参数。

进一步的，所述目标区域的边界层高度的计算公式为：

（4）；

式中：Δu为基于园区高空站与地面站观测得到的垂直方向上的风速差；Δz为高空站与地面站的监测高度之差，U _z 为大气边界层顶的风速，U _g 为地面监测站的风速，pbl为大气边界层顶的距地高度，为地面监测站的距地高度，b ₁为虚位温在垂直方向的梯度，Δθ _v 为由地面站和高空站观测得到的垂直方向上的虚位温之差。

进一步的，所述目标区域内大气污染环境容量的计算公式为：

（5）；

式中，E _cap 表示目标区域内大气污染环境容量，v _i,j 表示目标区域内不同水平坐标（i,j）处的实时风速，pbl为目标区域的边界层高度。

第二方面，本发明提供一种大气环境容量计算装置，包括：

获取模块，用于获取目标区域近地面站点和高空站站点的水平坐标和高度信息以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据；

拟合模块，用于根据所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据进行自适应拟合，得到气象监测数据的关键参数；

计算模块，用于根据所述水平坐标、所述高度信息以及所述气象监测数据的关键参数计算得到目标区域下垫面粗糙高度；根据目标区域下垫面粗糙高度以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据计算多组不同高度上的风速场求解出近地面理查逊系数；根据所述近地面理查逊系数求解目标区域的边界层高度；根据近地面站点和高空站站点的气象监测数据获取目标区域内多点位的水平风速，结合目标区域内多点位的水平风速和目标区域的边界层高度计算得到目标区域内大气污染环境容量。

本发明所达到的有益效果：

本发明完成了一种基于较容易获取的工业园区及周边区域的实时环境气象常规监测数据，对该区域大气环境容量进行实时定量化快速计算的方法。进一步结合气象因子、大气污染浓度，近地面大气不稳定度以及混合层高度等因素，可以对工业园区所在空间区域提出较为可靠而快速实时的大气污染排放量计算数据，从而对于工业园区对周边环境影响给出科学定量化评估结果

附图说明

图1是本发明的实施流程图；

图2是某工业园区内PM2.5浓度随时间序列变化的核算结果示意图；

图3是某工业园区内NO2浓度随时间序列变化的核算结果示意图；

图4是某工业园区内SO2浓度随时间序列变化的核算结果示意图；

图5是某工业园区内VOC浓度随时间序列变化的核算结果示意图；

图6是某工业园区内PM10浓度随时间序列变化的核算结果示意图；

图7是某工业园区某时刻一定范围内污染物浓度场分布核算结果示意图，单位：ug·m ^-3；

图8是利用观测站数据分析求解得出大气边界层高度随时间序列的变化结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1，如图1所示，本实施例介绍一种大气环境容量计算方法，本发明首先因为不是基于排放口的流量监测结果，而是根据园区空气中污染物的浓度来反演，所以不会将无组织和偷排到大气中的污染物漏掉；其次该方法是基于街谷尺度的工业园区，而不是基于中尺度原理；最后，通过从气象场变量，到大气环境容量，最终用来计算排放量，这条技术路线避免了求解大气扩散方程的大量计算（因为实际不需要很精确地知道空间里每一处的浓度，只需要对站点和周边的浓度得知后进行浓度空间分布的判断，抓住主要特征），所以计算速度大大提高，可以达到从实时监测到实时反演的水平。

本发明的方法的具体过程，包括：

获取目标工业园区近地面站点和高空站站点的水平坐标和高度信息以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据；

根据所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据进行自适应拟合，得到气象监测数据的关键参数b；

根据所述水平坐标、所述高度信息以及所述气象监测数据的关键参数b计算得到目标区域下垫面粗糙高度Z ₀；

根据目标区域下垫面粗糙高度Z ₀以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据计算多组不同高度上的风速场求解出近地面理查逊系数R _ic ；

根据所述近地面理查逊系数R _ic 求解目标工业园区的边界层高度pbl，结果如图8所示。

根据近地面站点和高空站站点的气象监测数据获取目标区域内多点位的水平风速，结合目标工业园区内多点位的水平风速和目标工业园区的边界层高度pbl计算得到目标工业园区内大气污染环境容量E _cap 。

根据上述获得工业园区内多个监测站点的气象监测数据关键参数b，求解出园区内分区域粗糙高度Z ₀，其等量关系为：

（1）；

式中，Z ₀表示目标区域下垫面粗糙高度，Z _g 表示近地面站点高度，Z _h 表示高空站站点高度，b为关键参数，通过大量数据拟合后得出。

根据上述多个地表站点和高空站点测得的工业园区内风场数据和位温虚温等数据，求出近地面理查逊系数R _ic ，该系数是大气物理学理论中的重要物理量，用来表征大气垂直稳定度，或者是大气在特定垂直层结中的不稳定能量的比值；

（2）；

式中，R _ic 表示近地面理查逊，R ₀表示地表罗斯贝数，g表示重力加速度，，b表示关键参数，θ _v0表示虚位温（虚位温是已知量，虚位温是空气团内水汽潜热完全释放后的位温，通过观测值得到的，在这里是输入量），U _z 表示高空站站点的风速，U _g 表示近地面站点的风速，Z _g 表示近地面站点高度，Z _h 表示高空站站点高度；

（3）；

式中，f ₀表示科里奥利参数。

（4.1）；

（4.2）；

（4.3）；

式中：为基于园区高空站与地面站观测得到的垂直方向上的风速差，/>为发生上述方向上的风速差的垂直高度差，也即高空站与地面站的监测高度之差，/>为大气边界层顶的风速(m/s)，/>为地面监测站的风速(m/s)，Z为求解大气运动时，空间特定位置上的垂直距地面高度，/>为地面监测站的距地高度(m)，/>为虚位温在垂直方向的梯度，/>为由地面站和高空站观测得到的垂直方向上的虚位温之差。

式（4.2）和式（4.3）中、/>为计算系数，利用式（4.1）算式迭代生成，/>、/>是公式变形后用于风速垂直变化率迭代计算的重要中间变量。

利用上述得出的理查逊数求解出大气边界层高度/>。

根据获取的监测站点的分区域风速与大气边界层平均高度，可近似求得工业园区大气环境容量的二维空间分布以及其在园区范围内的总量；

（5）；

式中，表示在目标工业园区区域内不同水平坐标点位上的分区大气污染环境容量，园区内分区大气环境容量在水平空间上的积分即为目标园区范围内总的大气环境容量，/>为目标区域内不同水平坐标处的实时风速。大气污染物浓度场和大气环境容量结合可计算出工业园区大气污染排放通量，对于不同类型的大气污染物类型，可分别根据大气环境容量和相应的监测浓度得到各自的排放强度，如图2，对应目标工业园区内PM2.5浓度随时间序列变化的核算结果，如图3，对应目标工业园区内NO2浓度随时间序列变化的核算结果示意图，如图4，对应目标工业园区内SO2浓度随时间序列变化的核算结果示意图，如图5，对应目标工业园区内VOC浓度随时间序列变化的核算结果示意图，如图6，对应目标工业园区内PM10浓度随时间序列变化的核算结果示意图；

（6）；

式中，为工业园区大气污染排放通量，q表示工业园区监测站点观测到的大气污染物浓度场分布数据，实时的近地面水平空间分布结果见图7。/>为上述计算出的工业园区范围内的大气环境容量。

实施例2，与实施例1基于相同的发明构思，本实施例介绍一种大气环境容量计算装置，包括：

获取模块，用于获取目标区域近地面站点和高空站站点的水平坐标和高度信息以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据；

拟合模块，用于根据所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据进行自适应拟合，得到气象监测数据的关键参数；

计算模块，用于根据所述水平坐标、所述高度信息以及所述气象监测数据的关键参数计算得到目标区域下垫面粗糙高度；根据目标区域下垫面粗糙高度以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据计算多组不同高度上的风速场求解出近地面理查逊系数；根据所述近地面理查逊系数求解目标区域的边界层高度；根据近地面站点和高空站站点的气象监测数据获取目标区域内多点位的水平风速，结合目标区域内多点位的水平风速和目标区域的边界层高度计算得到目标工业园区内大气污染环境容量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（***）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大气环境容量计算方法，其特征在于，包括：

获取目标区域近地面站点和高空站站点的水平坐标和高度信息以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据；

根据所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据进行自适应拟合，得到气象监测数据的关键参数；

根据所述水平坐标、所述高度信息以及所述气象监测数据的关键参数计算得到目标区域下垫面粗糙高度；

根据目标区域下垫面粗糙高度以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据计算多组不同高度上的风速场求解出近地面理查逊系数；

根据所述近地面理查逊系数求解目标区域的边界层高度；

根据近地面站点和高空站站点的气象监测数据获取目标区域内多点位的水平风速，结合目标区域内多点位的水平风速和目标区域的边界层高度计算得到目标区域内大气污染环境容量。

2.根据权利要求1所述的大气环境容量计算方法，其特征在于，所述目标区域下垫面粗糙高度的计算公式为：

（1）；

式中，Z ₀表示目标区域下垫面粗糙高度，Z _g 表示近地面站点高度，Z _h 表示高空站站点高度，，b表示关键参数。

3.根据权利要求1所述的大气环境容量计算方法，其特征在于，所述近地面理查逊系数的计算公式为：

（2）；

式中，R _ic 表示近地面理查逊，R ₀表示地表罗斯贝数，g表示重力加速度，b表示关键参数，θ _v0表示虚位温，U _z 表示高空站站点的风速，U _g 表示近地面站点的风速，Z _g 表示近地面站点高度，Z _h 表示高空站站点高度；

（3）；

式中，f ₀表示科里奥利参数。

4.根据权利要求1所述的大气环境容量计算方法，其特征在于，所述目标区域的边界层高度的计算公式为：

（4）；

式中：Δu为基于园区高空站与地面站观测得到的垂直方向上的风速差；Δz为高空站与地面站的监测高度之差，U _z 为大气边界层顶的风速，U _g 为地面监测站的风速，pbl为大气边界层顶的距地高度，为地面监测站的距地高度，b ₁为虚位温在垂直方向的梯度，Δθ _v 为由地面站和高空站观测得到的垂直方向上的虚位温之差。

5.根据权利要求1所述的大气环境容量计算方法，其特征在于，所述目标区域内大气污染环境容量的计算公式为：

（5）；

式中，E _cap 表示目标区域内大气污染环境容量，v _i,j 表示目标区域内不同水平坐标（i,j）处的实时风速，pbl为目标区域的边界层高度。

6.一种大气环境容量计算装置，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取目标区域近地面站点和高空站站点的水平坐标和高度信息以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据；

拟合模块，用于根据所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据进行自适应拟合，得到气象监测数据的关键参数；

计算模块，用于根据所述水平坐标、所述高度信息以及所述气象监测数据的关键参数计算得到目标区域下垫面粗糙高度；根据目标区域下垫面粗糙高度以及所述近地面站点和高空站站点的气象监测数据计算多组不同高度上的风速场求解出近地面理查逊系数；根据所述近地面理查逊系数求解目标区域的边界层高度；根据近地面站点和高空站站点的气象监测数据获取目标区域内多点位的水平风速，结合目标区域内多点位的水平风速和目标区域的边界层高度计算得到目标区域内大气污染环境容量。