[发明专利]一种中尺度大气光化学污染综合过程分析方法

摘要

本发明公开了一种中尺度大气光化学污染综合过程分析方法，在CALGRID空气质量模式中加入排放模块、水平平流和扩散模块、垂直平流和扩散模块和沉降模块、化学变化项模块，将每个时步当中各个过程引起的污染物浓度变化量输出，然后进行分析，以讨论污染事件中排放、输送、扩散、化学以及沉降等的相对贡献，使模式能够输出不同过程引起的污染物浓度变化等更多有助于理解空气污染过程细节的物理量。

主权项

1.一种中尺度大气光化学污染综合过程分析方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：以CALGRID模式为基础，考虑大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、底面积高架排放源的影响，并对化学物种原始浓度中物理量的平均量分解为脉动量，得到化学物种浓度变化方程如式(1)，

式中，C是化学物种平均浓度，V是三维风矢量的平均量，K是湍流扩散系数，E是污染源排放，是由于沉降引起的物种浓度变化，P_CHEM是化学产生率，L_CHEM是化学损失率；式(1)中二阶湍流扩散项▽·(K▽C)通过湍流扩散系数K理论闭合转化得到；式(1)中右侧多项式依次分别为平流项、扩散项、源项、沉降项、化学变化项；

步骤2：在一个积分时步内，通过CALGRID模式运行排放模块(源项)，并以排放模块造成污染物浓度的改变量ΔC的输出结果，直接作为该时步排放过程对污染物浓度变化的影响；

步骤3：在同一个积分时步内，通过CALGRID模式依次对水平平流和扩散模块、垂直平流和扩散模块和沉降模块，进行运算并输出对应过程造成的污染物浓度的改变量；

步骤4：在同一个积分时步内，继续通过CALGRID模式对化学变化项运算，并以化学变化模块造成污染物浓度的改变量ΔC的输出结果，直接作为该时步排放过程对污染物浓度变化的影响；

步骤5：接着再次通过CALGRID模式依次对沉降模块、垂直平流和扩散模块和水平平流和扩散模块，进行运算输出对应过程造成的污染物浓度的改变量，并与步骤3的输出结果进行求和，得到水平平流和扩散模块、垂直平流和扩散模块和沉降模块对应过程在该时步对污染物浓度变化的影响。

2.根据权利要求1所述中尺度大气光化学污染综合过程分析方法，其特征在于：所述大气化学反应、大气输送与扩散、沉降、底面积高架排放源各个过程采用算子分裂时间积分法对各个过程进行积分：

Cⁿ⁺¹＝A_xA_yA_zA_cA_zA_yA_xCⁿ

式中，A_x和A_y为水平输送扩散因子，A_z为垂直输送扩散因子，A_c为化学反应因子，Cⁿ为第n时步的浓度值，Cⁿ⁺¹是n+1时刻的浓度值。

3.根据权利要求1所述中尺度大气光化学污染综合过程分析方法，其特征在于：所述水平平流和扩散模块造成的污染物浓度变化量的偏微分方程为：

其中，V为矢量风场，K为二阶扩散张量；ρ为空气密度，扩散过程由无量纲的混合比C/ρ的梯度驱动。

4.根据权利要求1所述中尺度大气光化学污染综合过程分析方法，其特征在于：所述排放模块包括面源、周期变化的固定点源、无周期变化的固定点源和流动点源；人为源以面源或固定点源形式输入，自然源以面源输入。

5.根据权利要求4所述中尺度大气光化学污染综合过程分析方法，其特征在于：所述CALGRID化学模式对面源的处理分为两步，先默认面源排放进入到100m，然后利用分布函数将浓度按比例分配到100m以下的CALGRID的垂直分层上。

6.根据权利要求4所述中尺度大气光化学污染综合过程分析方法，其特征在于：所述CALGRID模式中，沉降模块的沉降速率通过以下获得：

对于气体的干沉降，沉降速率V_d为：

V_d＝(r_a+r_d+r_c)^‑1

其中，V_d为气体干沉降的沉降速度，r_a、r_d、r_c分别表示湍流层、粘附层和植被层的阻抗；

对于固体颗粒物的干沉降，沉降速度V_d通过以下公式计算：

V_d＝(r_a+r_d+r_a·r_d·v_g)^‑1+v_g

式中，r_a和r_d分别表示湍流层和粘附层的阻抗，v_g是重力沉降速度。