[发明专利]基于四维变分同化的VOCs排放源清单动态反演方法

权利要求书

1.一种基于四维变分同化的VOCs排放源清单动态反演方法，根据分布在不规则观测点上的气象观测资料得到规则网格点上的大气变量分析值，通过变分方法得到后验权重和分析增量，再得到优化调整后的排放源清单；包括如下步骤：

A.构建观测算子和VOCs背景场，VOCs背景场即原始排放源清单；获取排放源清单中的每种VOCs气体和有机气溶胶在每一时间步长相应化学过程中的基态值及模拟值；实现方法为：

A1.构建观测算子，将原始的分部门的VOCs排放源清单进行求和，对原始VOCs气体进行重分配，使其适用于气体CBM-IV化学参数化方案；再进行插值，使得得到的VOCs排放源清单与设置的网格点相匹配，得到处理好的排放源清单x₀；

A2.通过正向积分四维变分同化排放源清单动态反演WRF-CUACE模型系统进行同化反演，使用处理好的排放源清单x₀得到排放源清单中每种VOCs气体和有机气溶胶在每一时间步长相应化学过程中的基态值以及模拟值，并储存；

B.定义和构建VOCs成本函数；

构建VOCs成本函数，定义其中的背景误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵以及权重系数；VOCs成本函数定义为式(1)：

其中，J(x)VOCs的成本函数；y_m为WRF-CUACE正向模型的模拟值；y_obs为不同时刻的观测资料；T为矩阵的转置；x_a为VOCs先验排放源清单；x为VOCs后验排放源清单；和分别为O₃观测误差协方差矩阵和背景误差协方差矩阵，皆为对角矩阵；γ_r为惩罚项，即权重系数，用于调整观测值和背景值所占比例的权重；是先验排放源清单的初始偏差，是模拟偏差和观测误差之和；

C.基于VOCs成本函数求梯度，计算得到VOCs伴随敏感性；包括：

C1.获取地面观测资料，对地面观测资料进行预处理，根据站点经纬度，使用最邻近插值方法插值到对应的网格点，得到对应网格点的观测值；

C2.将C1得到的对应网格点的观测值和WRF-CUACE模型的模拟值之间的差和基态值作为输入，逆向积分WRF-CUACE-ADJ模型，得到VOCs的伴随敏感性信息；VOCs的伴随敏感性信息包括气象场的后向轨迹和各VOCs气体和有机气溶胶污染物之间的大气化学反应关系；

C21.将成本函数对VOCs污染源强求梯度，得到下式：

其中，成本函数对污染源的梯度；为伴随同化强迫即输入项；K^T为VOCs化学反应的伴随算子，也称为VOCs的伴随敏感性，表示VOCs气体和有机气溶胶污染物的浓度对相关排放变量的响应程度；

通过VOCs的四维变分同化过程寻找得到成本函数的最小值，即求解成本函数对污染源的梯度为零；

C22.VOCs伴随算子K^T的离散计算过程如下：

将正向WRF-CUACE模型表示为式(3)：

y_(t)＝Aa·Cc·Xx(y_(t-1))    (3)

其中，y_(t)为WRF-CUACE模型本积分时次的基态值；y_(t-1)为上一积分时次的模拟值；Aa为平流项，为VOCs在空气中的传输过程；Cc为化学场项，表示VOCs参与生成O₃的大气化学反应；Xx为排放源项，表示VOCs释放到空气中的强度；t代表时间步长；

将式(3)中Aa、Cc、Xx算子分别求导，得到切线性模型，写成矩阵的形式即为雅克比算子K，表示为式(4)：

其中：

将切线性模型取转置，即得到VOCs的伴随敏感性算子K^T：

VOCs的伴随敏感性算子K^T即雅克比算子K的转置矩阵；

D.求解最优估计VOCs成本函数和伴随敏感性，得到优化后的反演源清单。实现方法为：

D1.采用L-BFGS拟牛顿算法，根据C2得到的VOCs的伴随敏感性，计算得到成本函数的梯度及反演得到排放源清单x₁；

D2.设定阈值，根据相邻两次迭代之间的成本函数差异比例进行最优化判定；

若相邻两次迭代之间的成本函数差异比例大于阈值，则转步骤A2，将更新的反演排放源清单x₁输入正向模型WRF-CUACE中重新积分模拟，开始新一轮的同化反演；

若相邻两次迭代之间的成本函数差异比例小于等于阈值，则最后一次迭代得到的排放源清单即为最优化反演源清单；

通过上述步骤，即实现基于四维变分同化的VOCs排放源清单的动态反演。