[发明专利]增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法

说明书

本发明公开了一种增加甲烷化学变化的中尺度大气光化学污染模拟预测算法，其基于CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、地面面源和高架排放源的影响，在该基础上，将OH自由基和CH₄作为变量，考虑甲烷的自然源排放，引入OH自由基和甲烷(CH₄)的化学反应，根据OH自由基和CH₄的化学反应列表计算OH自由基和CH₄的浓度变化。本发明利用空气质量模式模拟OH自由基和CH₄的时空分布，不仅有利于了解模拟区域的大气氧化能力，而且有利于深入了解光化学反应的细节。

技术领域

本发明属于大气环境污染物检测技术领域，尤其涉及中尺度大气光化学污染的改进型预测模型。

背景技术

空气质量模式，是在对污染物排入大气环境后传输、扩散、转化和清除等一系列物理和化学过程的认识基础上，利用气象、环境、物理、化学等学科的研究方法和计算机技术，实现模拟和预报不同空间尺度上空气污染物浓度分布状况及变化趋势的方法，在空气质量预报、大气污染控制、环境规划与管理、城市建设及公共卫生等方面均有重要的实际应用价值，具有广阔的发展前景。

CALGRID是由美国加州的ARB(Air Resources Board)开发的，是欧拉型的中尺度大气光化学模式，针对二次污染物如臭氧的模拟具有较好效果，主要适用于晴空条件下的光化学反应的模拟，包含了大气输送与扩散、气相化学反应、人为排放的点面线源、干沉降等过程。

但原有的CALGRID模式缺少甲烷化学和自然源排放。有关CH₄物理和化学特性的研究一直很受重视，一方面它是重要的温室气体，对红外辐射的吸收能力比CO₂强15～30倍，因此对地气系统能量收支以及气候有重要影响；另一方面，CH₄在大气中易被OH自由基氧化，产生一系列有机化合物，影响对流层OH、CH₂O、CO和O₃等的浓度，从而影响许多大气成分的化学转化。

作为大气中O₃的前体物，虽然CH₄的反应活性低于O₃的另两种重要前体物NMHC和NO_x(朱彬等，2000)，但是由于在大气中寿命较长，它们影响的范围更广，在清洁地区以及区域和全球尺度光化学反应中有重要作用，影响着对流层的氧化能力(王明星等，1999；秦瑜等，2003)。大气CH₄很大一部分来自稻田的厌氧分解，研究表明稻田是中国地区最主要的CH₄排放源之一(王明星等，2001)；最新研究表明，有氧环境下陆地生态植被也会排放可观的CH₄(Keppler等，2006)。鉴于上述原因，利用空气质量模式模拟甲烷自然源排放对中国地区对流层化学的影响，不仅有利于了解我国大气甲烷的空间分布，而且有助于深刻理解甲烷自然源在光化学反应中的重要性。然而在CALGRID模式中，CH₄被设定为定常物种，即认为CH₄是充足的，其浓度不随化学反应而改变。这种设定在其它一些模式中也有采用，如WRF－CHEM。但是对于中尺度大气污染物模拟的研究而言，由于希望得到甲烷的空间分布以及由甲烷自然源引起的光化学反应的差异，因此有必要对化学模块进行改进，将定常的CH₄改变为时变的，并进行甲烷排放模式的建立。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法，在CALGRID模式中增加陆地植被CH₄排放，对正确估计中国CH₄排放意义重大。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：一种增加甲烷化学自然源排放的大气污染模拟预测算法，包括以下步骤：

步骤1：采用CALGRID化学模式，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、地面面源和高架排放源的影响，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，