基于多種模型的臭氧含量預測研究

魏萌然，陳錦

基于多種模型的臭氧含量預測研究

魏萌然，陳錦

（西北民族大學 經(jīng)濟學院，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預測全球未來50年中國的臭氧含量。以高斯煙雨模型為主要影響因素，運用MATLAB來解決問題。當氣體到達南極或者是在南極，受到冰云理論和大氣環(huán)流的作用時，氣體將保持在南極或北極。經(jīng)過各種計算預測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%，也會受到白內(nèi)障等疾病的影響，并導致免疫系統(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)]有生命的非生產(chǎn)性。很明顯，臭氧層的空洞對人類的生存有著嚴重的威脅[2]。

2 模型的建立及求解

通過分析寫出源強的積分公式：

式（1）中：為源強（即泄漏速度），kg/s；為平均風速，m/s。

經(jīng)過計算分析得到下式：

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

式（2）為無界空間連續(xù)點源擴散的高斯模型公式，然而在實際中，由于地面的存在，煙羽的擴散是有界的。根據(jù)假設可以把地面看作一個鏡面，對泄漏氣體起全反射作用，并采用像源法處理。可以把任一點處的濃度看做兩部分的貢獻之和：一部分是不存在地面時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于不存在地面時由位于（0，0，）的實源和位于（0，0，﹣）的像源在P點處所造成的泄漏物濃度之和。

PM2.5在大氣中遷移和擴散的數(shù)值計算基本上可分為兩步：第一步根據(jù)大氣動力學理論進行所關(guān)心地區(qū)中風場的計算，其理論基礎(chǔ)是大氣運動方程、連續(xù)性方程、狀態(tài)方程、熱力學方程和水汽方程構(gòu)成的基本方程組，在大氣科學研究領(lǐng)域中，已有多個實用的大氣環(huán)流模式；第二步進行已知風場中PM2.5遷移和擴散的計算，可采用類似于處理大氣污染的方法，假設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模擬擴散圖。

風速單位為km/s，利用連續(xù)點源高斯擴散模型分析監(jiān)測站周邊PM2.5濃度的變化情況。此排放點源是有邊界點源，排放點源的實際高度為。以排放點源在地面的投影點為坐標原點，以風向方向為軸，鉛直方向為軸，與軸水平面垂直方向為軸建立三維坐標系，由于擴散過程中濃度在、軸上的變化分布符合高斯分布，所以下風向的任意一點（，，）的濃度函數(shù)為：

（，，）=（）-ay2-bz2

其中，實源的貢獻為：

像源的貢獻為：

則該處的實際濃度為：

（，，）=1（，，）+2（，，）

由以上條件公式可得到高架連續(xù)點源擴散的高斯煙羽模型公式為：

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

實驗表明，泄漏源抬升高度可以用下面公式近似計算：

△=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)境風速，單位為m/s。

式（4）是20世紀70年代末80年代初，WILSON根據(jù)管道破裂泄漏實驗所得的實驗公式。實驗時氣體的噴射方向與風速垂直并且氣體噴射路徑上無障礙物。實驗表明，當氣體噴射方向垂直向上時，預測值與實際值之比在系數(shù)2以內(nèi)。

計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源模式，且針對排放口處于高空位置的高架點源，將點源在地面上的投影點作為坐標原點，有效源位于軸上某點，=。如果假設污染物到達地面后被完全吸收，不存在反射濃度的累加，那么污染物的濃度計算公式為：

如果要計算高架點源的地面濃度公式，則可令=0，得：

依據(jù)上式，如果進一步令=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經(jīng)常選用的計算公式，其估算值與孤立高架點源附近的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)比較一致。

08：00和21：00都屬于不排放時間，假定風速不變，在方向上處于正態(tài)分布，12：00處于排放污染物時間，可以利用已建立模型進行求解。利用Matlab軟件計算，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。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上風處PM2.5的衰減速度遠大于下風處。

［1］劉雙，楊麗徙，王志剛，等.基于Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱的電力負荷組合預測模型［J］.電力自動化設備，2003（3）：59-61.

［2］黃湘君.基于主成分分析的BP神經(jīng)網(wǎng)絡在電力系統(tǒng)負荷預測中的應用［J］.科技信息（科學教研），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，西北民族大學本科在讀。

〔編輯：王霞〕