[发明专利]海洋污染事故中基于马尔科夫过程的快速预测技术

说明书

技术领域

本发明涉及的是海洋水质预测和马尔科夫过程技术领域，具体的说是一种海洋污染事故中基于马尔科夫过程的快速预测技术。

背景技术

海洋中诸如溢油等突发污染事故的预测、预报问题是海洋环境科学研究的一个热点问题。研究海洋污染事故发生后海洋中物质的输运规律，是进行污染事故应急处置，污染事故后果评估的重要参考依据。目前，对于此类水质预测问题，大多采用数值模型模拟的方法，国内外已开发了许多复杂的三维海洋数值模型。

由于水体流动的复杂性，通过数值模拟方法研究海洋中物质的输运，一个区域内的物质完全输运到其他区域需要非常长的时间，时间尺度从几天到几百年。如果完全用数值模型的方法模拟该过程需要消耗大量的计算资源。

海洋中，周期性的潮流是驱动水体交换的主要的动力条件，在周期性动力条件下，区域间的水体交换可近似认为满足马尔科夫性，即：一个系统在某一时刻的状态仅由前一个状态决定，而与之前的所处状态无关。通过马尔科夫链构造概率传输矩阵，可极大节省物质输运的计算时间。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供了一种海洋污染事故中基于马尔科夫过程的快速预测技术，可以对研究区域的水体交换或者物质输运过程进行高效快速的预测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

海洋污染事故中基于马尔科夫过程的快速预测技术，其步骤如下：

1、对研究海域进行分区，根据海水周期性运动具有马尔科夫性将研究过程划分为相同时长的周期，用一定数量的粒子代表海洋中的污染物质，采用海洋数值模式中拉格朗日粒子跟踪方法对区域间的物质输运进行模拟；

2、统计在不同分区内释放的粒子在不同的周期出现在各个分区的比例，求出该区域的马尔科夫概率转移矩阵；

3、根据马尔科夫概率转移矩阵预测研究水域的水体交换或污染物输运过程。

本发明的有益效果为：

(1)采用了统计的方法代替模型模拟，能够很好的节省计算资源和计算时间，对研究区域的水体交换和物质运输进行高效快速的预测。

(2)事先求出近海重点区域的概率转移矩阵，无需再进行长时间的数值模拟，便能够直接对该区域的物质输运进行长周期的预测。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：

一种海洋污染事故中基于马尔科夫过程的快速预测技术，步骤如下：

1、为了计算物质转移矩阵，将研究区域共分为N个分区，划分分区的个数依据研究情况和模型划分的时间步长而定。

2、采用海洋数值模式对海洋中的动力场进行模拟，作为物质输运的动力条件，并将计算结果进行存储。

3、对研究区域进行粒子输运的模拟。粒子追踪模型可采用任何具有粒子追踪功能的模型。在动力学模型运行稳定后，在各分区均匀释放粒子，开始模拟粒子输运扩散。选取一定的时间步长作为一个研究周期，按周期输出粒子的位置。时间步长应结合实际水文动力情况，若实际水文动力情况存在周期性，如潮汐，则时间步长应选取周期倍数，若水体流动接近恒定流，如湖泊、河流等，则需根据子区域划分的大小进行确定。

4、根据每个计算周期的粒子输出结果，统计出在各个分区释放的粒子在每个周期存在于各个分区的比例。P_ij为矩阵的第i行第j列的元素，表示在分区i的粒子到第k个周期转移到分区j的概率，则可以组成一个N×N的矩阵P_k，根据公式求出转移矩阵P。其中T为模拟的总时间步长个数。

5、第(1)～第(4)步的结果在特定海域中是提前研究并在计算机系统中存储的，在污染事故发生后以备调用。

6、污染事故发生后，根据要求确定预测时长，即确定计算周期k。根据已经存储的概率转移矩阵P,求出P的k次方,则P^k即为物质释放后第k个周期的转移矩阵。对应的第i行第j列的元素即为预测出的在区域i释放的粒子在经过k个周期后出现在j区域的物质的概率，通过分析P^k中的元素判断某一个分区是否被污染。