基于多種模型的臭氧含量預(yù)測(cè)研究

魏萌然，陳錦

基于多種模型的臭氧含量預(yù)測(cè)研究

魏萌然，陳錦

（西北民族大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

主要使用主成分分析法、高斯煙雨模型等方法來(lái)預(yù)測(cè)全球未來(lái)50年中國(guó)的臭氧含量。以高斯煙雨模型為主要影響因素，運(yùn)用MATLAB來(lái)解決問(wèn)題。當(dāng)氣體到達(dá)南極或者是在南極，受到冰云理論和大氣環(huán)流的作用時(shí)，氣體將保持在南極或北極。經(jīng)過(guò)各種計(jì)算預(yù)測(cè)得出需減少的排放因素，傳輸模式放慢，臭氧含量增加，消耗臭氧逐年下降。

臭氧含量；模糊層次分析法；主成分分析法；高斯煙羽模型

1 引言

臭氧層是指相對(duì)濃度較高的臭氧在平流層、大氣中的一部分，其主要作用是吸收短波紫外線。大氣中的化學(xué)物質(zhì)（如氟里昂、哈龍相關(guān)、氧化亞氮）使臭氧層遭到破壞，臭氧層變薄，甚至出現(xiàn)臭氧層中的臭氧損耗現(xiàn)象[1]。大氣中的臭氧每降低1%，紫外線對(duì)地面的輻射就增加了2%，人們患皮膚癌的概率也增加了3%，也會(huì)受到白內(nèi)障等疾病的影響，并導(dǎo)致免疫系統(tǒng)的缺陷和發(fā)育受阻。推而廣之，如果所有的臭氧層被破壞，太陽(yáng)的紫外線將殺死地球上所有的生命，人類已經(jīng)“滅絕”，地球?qū)](méi)有生命的非生產(chǎn)性。很明顯，臭氧層的空洞對(duì)人類的生存有著嚴(yán)重的威脅[2]。

2 模型的建立及求解

通過(guò)分析寫出源強(qiáng)的積分公式：

式（1）中：為源強(qiáng)（即泄漏速度），kg/s；為平均風(fēng)速，m/s。

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析得到下式：

式（2）中：（，，）為任一點(diǎn)處泄漏氣體的濃度，kg/m3；y、z分別為泄漏氣體在、方向分布的標(biāo)準(zhǔn)差，m。

式（2）為無(wú)界空間連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯模型公式，然而在實(shí)際中，由于地面的存在，煙羽的擴(kuò)散是有界的。根據(jù)假設(shè)可以把地面看作一個(gè)鏡面，對(duì)泄漏氣體起全反射作用，并采用像源法處理?？梢园讶我稽c(diǎn)處的濃度看做兩部分的貢獻(xiàn)之和：一部分是不存在地面時(shí)所造成的泄漏物濃度，一部分是由于地面反射作用增加的泄漏物濃度。該處的泄漏物濃度即相當(dāng)于不存在地面時(shí)由位于（0，0，）的實(shí)源和位于（0，0，﹣）的像源在P點(diǎn)處所造成的泄漏物濃度之和。

PM2.5在大氣中遷移和擴(kuò)散的數(shù)值計(jì)算基本上可分為兩步：第一步根據(jù)大氣動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行所關(guān)心地區(qū)中風(fēng)場(chǎng)的計(jì)算，其理論基礎(chǔ)是大氣運(yùn)動(dòng)方程、連續(xù)性方程、狀態(tài)方程、熱力學(xué)方程和水汽方程構(gòu)成的基本方程組，在大氣科學(xué)研究領(lǐng)域中，已有多個(gè)實(shí)用的大氣環(huán)流模式；第二步進(jìn)行已知風(fēng)場(chǎng)中PM2.5遷移和擴(kuò)散的計(jì)算，可采用類似于處理大氣污染的方法，假設(shè)PM2.5不影響大氣流體速度和溫度，求解PM2.5的連續(xù)性方程和PM2.5模擬擴(kuò)散圖。

風(fēng)速單位為km/s，利用連續(xù)點(diǎn)源高斯擴(kuò)散模型分析監(jiān)測(cè)站周邊PM2.5濃度的變化情況。此排放點(diǎn)源是有邊界點(diǎn)源，排放點(diǎn)源的實(shí)際高度為。以排放點(diǎn)源在地面的投影點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以風(fēng)向方向?yàn)檩S，鉛直方向?yàn)檩S，與軸水平面垂直方向?yàn)檩S建立三維坐標(biāo)系，由于擴(kuò)散過(guò)程中濃度在、軸上的變化分布符合高斯分布，所以下風(fēng)向的任意一點(diǎn)（，，）的濃度函數(shù)為：

（，，）=（）-ay2-bz2

其中，實(shí)源的貢獻(xiàn)為：

像源的貢獻(xiàn)為：

則該處的實(shí)際濃度為：

（，，）=1（，，）+2（，，）

由以上條件公式可得到高架連續(xù)點(diǎn)源擴(kuò)散的高斯煙羽模型公式為：

式（3）中：（，，）為下風(fēng)向m、橫向m、地面上方m處的擴(kuò)散的氣體濃度，kg/m3；為源強(qiáng)（即源釋放速率），kg/s；為平均風(fēng)速，m/s；y為水平擴(kuò)散參數(shù)，m；z為垂直擴(kuò)散參數(shù)，m；為泄漏后是時(shí)間，s；為泄漏源有效高度，m；為橫向距離，m；為垂直方向距離，m。

實(shí)驗(yàn)表明，泄漏源抬升高度可以用下面公式近似計(jì)算：

△=2.4S/（4）

式（4）中：S為氣云釋放速度，單位為m/s；是泄漏出口直徑，單位為m；為環(huán)境風(fēng)速，單位為m/s。

式（4）是20世紀(jì)70年代末80年代初，WILSON根據(jù)管道破裂泄漏實(shí)驗(yàn)所得的實(shí)驗(yàn)公式。實(shí)驗(yàn)時(shí)氣體的噴射方向與風(fēng)速垂直并且氣體噴射路徑上無(wú)障礙物。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)氣體噴射方向垂直向上時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之比在系數(shù)2以內(nèi)。

計(jì)算出泄漏煙云抬升高度以后，將泄漏源抬升高度與泄漏源實(shí)際幾何高度相加就得到了泄漏源有效高度。

按照Pasquill的分類方法，隨著氣象條件穩(wěn)定性的增加，大氣穩(wěn)定度可以分為A、B、C、D、E、F六類。其中A、B、C三類表示氣象條件不穩(wěn)定，E、F兩類表示氣象條件穩(wěn)定，D類表示中性氣象條件，也就是說(shuō)氣象條件的穩(wěn)定性在穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間。A、B、C三種類型的穩(wěn)定度中，A類表示氣象條件極其不穩(wěn)定，B類表示氣象條件中等程度不穩(wěn)定，C類表示氣象條件弱不穩(wěn)定。E和F兩種類型的穩(wěn)定度中，E類表示氣象條件弱穩(wěn)定，F(xiàn)類表示氣象條件中等程度穩(wěn)定。

本文中可視為高架點(diǎn)源模式，且針對(duì)排放口處于高空位置的高架點(diǎn)源，將點(diǎn)源在地面上的投影點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，有效源位于軸上某點(diǎn)，=。如果假設(shè)污染物到達(dá)地面后被完全吸收，不存在反射濃度的累加，那么污染物的濃度計(jì)算公式為：

如果要計(jì)算高架點(diǎn)源的地面濃度公式，則可令=0，得：

依據(jù)上式，如果進(jìn)一步令=0，則可得到沿軸線上的濃度分布公式：

式（5）（6）是在估算大氣污染時(shí)經(jīng)常選用的計(jì)算公式，其估算值與孤立高架點(diǎn)源附近的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較一致。

08：00和21：00都屬于不排放時(shí)間，假定風(fēng)速不變，在方向上處于正態(tài)分布，12：00處于排放污染物時(shí)間，可以利用已建立模型進(jìn)行求解。利用Matlab軟件計(jì)算，可以分別求得在08：00、12：00、21：00空氣污染濃度分布和空氣質(zhì)量等級(jí)。最終由高斯煙羽模型的求解結(jié)果可以得到如下結(jié)論：①PM2.5衰減速度隨距離的增大先變快，然后變慢；②上風(fēng)處PM2.5的衰減速度遠(yuǎn)大于下風(fēng)處。

［1］劉雙，楊麗徙，王志剛，等.基于Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱的電力負(fù)荷組合預(yù)測(cè)模型［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2003（3）：59-61.

［2］黃湘君.基于主成分分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)中的應(yīng)用［J］.科技信息（科學(xué)教研），2008（16）：313-314.

P421.2

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.22.012

2095－6835（2020）22－0033－02

魏萌然（2000—），女，四川廣安人，西北民族大學(xué)本科在讀。

〔編輯：王霞〕