一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法

1.本发明属于一种碳排放监测方法，具体涉及一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法。


背景技术：

2.高斯烟羽扩散模型(以下简称高斯模型)是大气扩散模型的基础，适用于小尺度平坦开阔地区，并可在复杂地形情况下作一定修正继续应用。其数学表达式明了，物理概念明确，对输入气象数据要求不高，且对固定点源大气污染物的扩散模拟精度较高，是目前应用最广泛的模型之一。高斯扩散模型成立的四条基本假设是：
①
污染点源排放污染物连续且排放速率稳定；
②
污染物排出后，在扩散过程中遵循质量守恒定律；
③
观测地区平均风速风向稳定；
④
水平和垂直方向的浓度分布符合正态分布。
3.目前，应用高斯模型技术获取单个点源污染物排放情况，需要先获取包括点源排放强度、烟囱几何高度、烟囱口直径、烟气热释放率、烟气温度、烟气排出速率、环境温度、大气压、大气稳定度、地面平均风速、烟囱出口平均风速、温度梯度等关键数据和参数，再基于高斯模型进行计算模拟，包括建立风轴坐标系，确定模拟区域及计算点左边，以及进行扩散模拟并使结果可视化。
4.但是，现有应用高斯模型技术获取单个点源污染物排放情况的方法，尚未有用于co2监测和预报的应用实例。


技术实现要素：

5.本发明为解决目前应用高斯模型技术获取单个点源污染物排放情况的方法，尚未有用于co2监测和预报的应用实例的技术问题，提供一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
8.s1，建立风轴坐标系
9.以点源在地面上的投影点作为原点，下风方向为x轴正方向，垂直地面向上方向为z轴正方向，下风向的切向为y轴正方向，建立风轴坐标系；
10.s2，确定多点源高斯扩散模型
11.s2.1，根据地面反射作用对高斯扩散模型进行修正；
12.s2.2，根据地形对高斯扩散模型进行修正；
13.s2.3，根据经步骤s2.1和步骤s2.2修正后的高斯扩散模型，得到风轴坐标系下各排放源碳排放物浓度，并计算固定坐标系下多点源碳排放物浓度，得到多点源高斯扩散模型；
14.s3，多点源高斯扩散模型的参数确定
15.s3.1，在进行监测时，获取碳排放物出口处高度的风速，并根据碳排放物出口处高度的风速，计算得到任一待监测碳排放物高度处的风速；
16.s3.2，确定多点源扩散高斯扩散模型中的扩散参数；
17.s3.3，根据地形和取样时间修正扩散参数；
18.s3.4，确定烟气抬升高度；
19.s3.5，获取各点源的经纬度坐标，先将其转换至固定坐标系下，再由固定坐标系下转换至风轴坐标系下；
20.s4，将步骤s3得到的多点源高斯扩散模型的参数，代入多点源高斯扩散模型计算得到风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度c
(x,y,z)
。
21.进一步地，步骤s2.1具体为：
22.考虑地面反射作用，得到如下的高斯扩散模型：
[0023][0024]
其中，c
(x,y,z)
表示风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度，单位mg/m3；σy表示水平扩散参数，单位m；σz表示垂直扩散参数，单位m；q表示单位时间碳排放物的排放量，单位mg/s；u表示碳排放物出口高度处的平均风速，单位m/s；he表示碳排放点源的有效高度，单位m；α表示地面对碳排放物的反射系数。
[0025]
进一步地，步骤s2.1中，所述碳排放点源的有效高度he通过下式得到：
[0026]
he＝h+δh
[0027]
其中，h表示碳排放物出口的实际几何高度，单位m；δh表示烟气抬升高度，单位m。
[0028]
进一步地，步骤s2.2具体为，通过下式对碳排放点源的有效高度进行修正：
[0029]
he＝h+δh-hf[0030]
其中，hf表示地形高度，单位m。
[0031]
进一步地，步骤s2.3中，所述风轴坐标系下各排放源碳排放物浓度计算时，地面对碳排放物的反射系数α为1；
[0032]
所述固定坐标系是以点源在地面上的投影点作为原点，以向东为x轴正方向，向上为z轴方正方向，向南为y轴正方向建立的坐标系。
[0033]
进一步地，步骤s3.1具体为：
[0034]
s3.1.1，获取碳排放物出口处高度10min内的平均风速；
[0035]
s3.1.2，通过下式计算得到任一待监测碳排放物高度处10min内的风速：
[0036][0037]
其中，p为风速高度指数；
[0038]
若将碳排放物出口处高度代入上式中的z1，则将碳排放物出口处高度10min内的平均风速代入上式中的u1，将任一待监测碳排放物高度代入上式中的z2，将得到的u2作为任一待监测碳排放物高度处10min内的风速；
[0039]
若将碳排放物出口处高度代入上式中的z2，则将碳排放物出口处高度10min内的平均风速代入上式中的u2，将任一待监测碳排放物高度代入上式中的z1，将得到的u1作为任
一待监测碳排放物高度处10min内的风速。
[0040]
进一步地，步骤s3.1.1中，所述碳排放物出口处高度10min内的平均风速，具体采用邻近气象站距地面10m高度处的年平均风速u
10
；
[0041]
所述风速高度指数p按照以下方式得到：
[0042]
在大气稳定度等级为a时，若是城市地区，p＝0.1，若是乡村地区，p＝0.07；
[0043]
在大气稳定度等级为b时，若是城市地区，p＝0.15，若是乡村地区，p＝0.07；
[0044]
在大气稳定度等级为c时，若是城市地区，p＝0.2，若是乡村地区，p＝0.1；
[0045]
在大气稳定度等级为d时，若是城市地区，p＝0.25，若是乡村地区，p＝0.15；
[0046]
在大气稳定度等级为e-f时，若是城市地区，p＝0.3，若是乡村地区，p＝0.25。
[0047]
进一步地，步骤s3.1.1中，所述大气稳定度等级具体以下方式得到：
[0048]
sa，通过云量和太阳高度角h0确定太阳辐射等级数
[0049]
在总云量/低云量为≤4/≤4时：若为夜间，太阳辐射等级数为-2；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为-1；若太阳高度角15
°
＜h0≤35
°
，太阳辐射等级数为1；若太阳高度角35
°
＜h0≤65
°
，太阳辐射等级数为2；若太阳高度角h0＞65
°
，太阳辐射等级数为3；
[0050]
在总云量/低云量为5～7/≤4时：若为夜间，太阳辐射等级数为-1；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角15
°
＜h0≤35
°
，太阳辐射等级数为1；若太阳高度角35
°
＜h0≤65
°
，太阳辐射等级数为2；若太阳高度角h0＞65
°
，太阳辐射等级数为3；
[0051]
在总云量/低云量为≥8/≤4时：若为夜间，太阳辐射等级数为-1；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角15
°
＜h0≤35
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角35
°
＜h0≤65
°
，太阳辐射等级数为1；若太阳高度角h0＞65
°
，太阳辐射等级数为1；
[0052]
在总云量/低云量为≥5/5～7时：若为夜间，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角15
°
＜h0≤35
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角35
°
＜h0≤65
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角h0＞65
°
，太阳辐射等级数为1；
[0053]
在总云量/低云量为≥8/≥8时：若为夜间，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角h0≤15
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角15
°
＜h0≤35
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角35
°
＜h0≤65
°
，太阳辐射等级数为0；若太阳高度角h0＞65
°
，太阳辐射等级数为0；
[0054]
sb，根据太阳辐射等级数和距离地面10m处的风速，确定大气稳定度等级
[0055]
在距离地面10m处的风速≤1.9时，若阳辐射等级数为3，则大气稳定度等级为a；若阳辐射等级数为2，则大气稳定度等级为a～b；若阳辐射等级数为1，则大气稳定度等级为b；若阳辐射等级数为0，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-1，则大气稳定度等级为e；若阳辐射等级数为-2，则大气稳定度等级为f；
[0056]
在距离地面10m处的风速为2～2.9时，若阳辐射等级数为3，则大气稳定度等级为a～b；若阳辐射等级数为2，则大气稳定度等级为b；若阳辐射等级数为1，则大气稳定度等级为c；若阳辐射等级数为0，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-1，则大气稳定度等级为e；若阳辐射等级数为-2，则大气稳定度等级为f；
[0057]
在距离地面10m处的风速为3～4.9时，若阳辐射等级数为3，则大气稳定度等级为b；若阳辐射等级数为2，则大气稳定度等级为b～c；若阳辐射等级数为1，则大气稳定度等级为c；若阳辐射等级数为0，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-1，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-2，则大气稳定度等级为e；
[0058]
在距离地面10m处的风速为5～5.9时，若阳辐射等级数为3，则大气稳定度等级为c；若阳辐射等级数为2，则大气稳定度等级为c～d；若阳辐射等级数为1，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为0，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-1，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-2，则大气稳定度等级为d；
[0059]
距离地面10m处的风速≥6时，若阳辐射等级数为3，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为2，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为1，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为0，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-1，则大气稳定度等级为d；若阳辐射等级数为-2，则大气稳定度等级为d。
[0060]
进一步地，步骤sa中，所述太阳高度角h0通过下式得到：
[0061]
h0＝arcsin[sinφsinσ+cosφcosσcos(15t+λ-300)]
[0062]
其中，h0表示太阳高度角，单位deg；φ表示当地纬度，单位deg；λ表示当地经度，单位deg；t表示进行观测时的北京时间；σ表示太阳倾角，单位deg；
[0063][0064]
其中，θ0＝360dn/365，单位deg；dn表示一年中的日期序数，dn＝0、1、2、
……
364。
[0065]
进一步地，步骤s3.2中，通过下式确认多点源扩散高斯扩散模型中的水平扩散参数σy：
[0066][0067]
其中，α1表示水平扩散参数回归指数；γ1表示水平扩散参数回归系数；x表示距碳排放物排出源下风方向水平距离；
[0068]
通过下式确认多点源扩散高斯扩散模型中的垂直扩散参数σz：
[0069][0070]
其中，a2表示水平扩散参数回归指数；γ2表示垂直扩散参数回归系数；
[0071]
步骤s3.4中，所述烟气抬升高度δh通过下式得到：
[0072][0073]
其中，vs表示碳排放出口处烟气排出速度，d表示碳排放出口处直径，qh表示烟气热释放率(kj/s)，h表示碳排放物出口的实际几何高度，u表示碳排放物出口高度处的平均风速；
[0074]
步骤s3.5具体为：
[0075]
s3.5.1，将各点源的经纬度坐标中经度投影至固定坐标系下的x轴，将纬度投影至固定坐标系下的y轴，得到各点源在固定坐标系下的坐标；
[0076]
s3.5.2，通过下式将各点源在固定坐标系下的坐标转换为各点源在风轴坐标系下的坐标：
[0077]
x1＝(x1-x0)cosθ+(y1-y0)sinθ
[0078]
y1＝(x1-x0)cosθ-(y1-y0)sinθ
[0079]
其中，x1表示观测点在点源风轴坐标系的x轴投影，y1表示观测点在点源风轴坐标
系的y轴投影，x0表示点源在固定坐标系中的x轴投影，y0表示点源在固定坐标系中的y轴投影。
[0080]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0081]
1.本发明一种基于多点源高斯扩散模型的碳排放监测方法，创建针对碳排放物监测的多点源高斯扩散模型，并根据地面反射作用、地形对多点源高斯扩散模型进行了修正，得到确定的多点源高斯扩散模型，在应用时，只需在监测时确定多点源高斯扩散模型的参数，就可直接计算出风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度，实现对碳排放的监测，开启了采用高斯模型进行碳排放监测和预报的应用先例，且应用操作简便。
[0082]
2.本发明考虑地面反射、地形因素、风速、取样时间和烟气抬升高度，使监测结果更加准确。
[0083]
3.本发明提供了各种坐标系下的转换方法，可自由选择平面距离坐标和经纬度坐标，自由选择区域范围，从而获得从小到大，从精到粗的分析结果，方便作不同目的之用。还可得到碳排放物物随时间扩散的关系，对分析非连续排放的点源有重要的应用价值。
附图说明
[0084]
图1为本发明中风轴坐标系的示意图；
[0085]
图2为本发明中实施例中扩散源关于地面的镜面及扩散示意图；
[0086]
图3为烟气抬升高度示意图；
[0087]
图4为本发明实施例中，观测高度在10m处不同大气稳定度等级下的二氧化碳浓度分布情况示意图；其中，(a)为大气稳定度等级为a时，(b)为大气稳定度等级为b时，(c)为大气稳定度等级为c时，(d)为大气稳定度等级为d时，(e)为大气稳定度等级为e时，(f)为大气稳定度等级为f时；
[0088]
图5为本发明实施例中，观测高度在230m处不同大气稳定度等级下的二氧化碳浓度分布情况示意图；其中，(a)为大气稳定度等级为a时，(b)为大气稳定度等级为b时，(c)为大气稳定度等级为c时，(d)为大气稳定度等级为d时，(e)为大气稳定度等级为e时，(f)为大气稳定度等级为f时；
[0089]
图6为本发明实施例中，不同观测高度下考虑地形影响时的二氧化碳浓度分布情况示意图；其中，(a)为观测高度10m时，(b)为观测高度90m时，(c)为观测高度130m时，(d)为观测高度150m时，(e)为观测高度230m时，(f)为观测高度310m时；
[0090]
图7为各点源在大气稳定度为b时二氧化碳随时间的扩散情况示意图；其中，(a)为t＝0.166667h时，(b)为t＝0.333333h时，(c)为t＝0.5h时，(d)为t＝0.666667h时，(e)为t＝0.833333h时，(f)为t＝1时；
[0091]
图8为各点源在大气稳定度为d时二氧化碳随时间的扩散情况示意图；其中，(a)为t＝0.5h时，(b)为t＝1h时，(c)为t＝1.5h时，(d)为t＝2h时，(e)为t＝3h时，(f)为t＝4时。
具体实施方式
[0092]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施
例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0093]
一、建立高斯扩散模型
[0094]
使用高斯扩散模型进行点源排放二氧化碳扩散模拟时，首先，需要建立适当的三维坐标系。本发明中建立风轴坐标系，把点源在地面上的投影点作为风轴坐标系的原点，下风方向为x轴正方向，垂直地面向上为z轴正方向，下风向的切向为y轴正方向，符合右手定则。如图1所示，以烟囱作为碳排放源，示出了风轴坐标系中的x轴、y轴和z轴。
[0095]
1.稳态下高斯扩散基础模型
[0096]
当大气运动处于稳定状态且点源排放二氧化碳连续时，二氧化碳在空间上的浓度分布是稳定的，也就是二氧化碳浓度在空间上的分布不随时间变化。稳态下点源连续排放的二氧化碳高斯扩散模型的表达方式如下：
[0097][0098]
其中，c
(x,y,z)
表示风轴坐标系下空间任一点的点源碳排放物浓度，mg/m3；σy表示水平扩散参数，m；σz表示垂直扩散参数，m；q表示单位时间碳排放物的排放量，mg/s；u表示碳排放物出口高度处的平均风速，m/s。
[0099]
式(1)表明点源连续排放的碳排放物在水平和垂直方向上的浓度呈正态分布。
[0100]
2.地面反射作用修正
[0101]
在碳排放物的实际扩散过程中，由于地面的阻挡，导致扩散空间是有边界性的。当碳排放物扩散到地面时，地面对其有镜面反射作用。设地面对碳排放物的反射系数为1。空间碳排放物的浓度值可以看作不考虑地面反射时该点的浓度值和地面反射的那部分浓度值的叠加。如图2所示，为扩散源关于地面的镜面及扩散示意图，虚源为扩散源关于地面的对称位置，因此，考虑地面反射作用修正后的空间任意一点二氧化碳浓度值表达式为：
[0102][0103]
其中，he表示碳排放点源有效高度，m；α表示地面对碳排放物的反射系数。碳排放点源的有效高度he按下式计算：
[0104]
he＝h+δh
[0105]
其中，h表示碳排放物出口的实际几何高度，m；δh表示烟气抬升高度，m。
[0106]
需要说明的是，碳排放物出口表示碳排放物如二氧化碳排出处，如排出二氧化碳的烟囱出口，但由于本发明的方案适用于各种场景，各种碳排放物的监测，因此，碳排放物出口可以指任何排出碳排放物的出口。
[0107]
3.高斯扩散模型地形修正
[0108]
高斯扩散模型的前提条件是扩散区域地形平坦。但是在很多情况下，研究区域的下垫面地形复杂，实际情况中的碳排放物扩散可能不符合正态分布，无法直接应用高斯扩散模型。因此，对高斯扩散模型进行地形修正。
[0109]
高斯扩散模型对烟气扩散进行模拟时，得到的烟气抬升轴线是与地面平行的。如果想要消除地形对高斯扩散模型的影响，要根据地形和大气稳定度对烟气抬升的有效高度进行修正。分2种情形：当大气稳定度为中性或不稳定时，大气湍流运动强烈，假设烟气抬升
高度始终保持初始的高度，地形的起伏对烟气抬升高度的影响被忽略。当大气稳定度为稳定等级时，因为烟气受大气湍流的影响小了，此时可以假设烟气中心轴线高度不变，但是任意位置处对应的烟气有效高度为烟气中心轴线所在高度减去地形高度。此时区域内的有效高度为：
[0110]
he＝h+δh-hfꢀꢀꢀ
(3)
[0111]
其中，hf表示地形高度，单位m，为监测点地形海拔和点源处海拔之差。
[0112]
4.不同风速下的高斯扩散公式
[0113]
(1)在风速u
10
》1.5m/s时，地面碳排放物浓度分布
[0114]
实际上，对于大气中碳排放物浓度的分布情况中，人们对地面的浓度分布情况最感兴趣。令z＝0，得到固定点源的地面浓度公式为：
[0115][0116]
再令y＝0，可得沿下风轴线地面处的二氧化碳浓度公式为：
[0117][0118]
地面浓度的最大值一般出现在x轴(风轴)上，计算最大浓度值的位置是十分有必要的。由x＝ut(其中，t表示时间)，令σ
y2
＝2dyt，σ
z2
＝2dzt，得到最大地面碳排放物浓度公式为:
[0119][0120]
上式对x求导，可得地面浓度最大值的位置x
cm
为：当x＝x
cm
时将σy，σz的经验公式带入地面处碳排放物浓度分布公式，可得地面浓度的最大值公式为
[0121][0122]
此时，地面碳排放物浓度最大值出现的位置x
cm
为
[0123]
可知，地面浓度最大值出现的位置和有效高度he有关。有效高度越高浓度最大值的位置离点源越远。因此，适当提高有效高度值可以降低点源附近的二氧化碳浓度值。
[0124]
(2)小风(1.5m/s》u
10
≥0.5m/s)和静风时(u
10
《0.5m/s)地面碳排放物浓度分布
[0125]
当地面10米处的风速小于1.5m/s时，大气的气场十分不稳定。此情况下，地面的风速很小，但是碳排放物出口处的风速有可能很大。因此，在这种条件下，风向的确定就十分困难。这样就与高斯扩散模型的成立条件不符。
[0126]
这种气象条件下的高斯扩散模型研究，目前国内外还没有突破性的进展，因此，只能使用经验办法来模拟扩散。假设大气中的碳排放物在水平高度上的各个方向扩散速率相同，浓度呈等概率分布。在垂直方向上，由于主要受大气湍流影响，因此，在此方向上的碳排
放物扩散仍和有风时相同。
[0127]
此气象条件下的地面碳排放物浓度浓度分布计算经验公式为：
[0128][0129]
其中，r为离碳排放排放源的距离，ur为r处的风速。
[0130]
因此，本发明的方法更适用于风速u
10
》1.5m/s时的碳排放物监测。
[0131]
5.多点源高斯扩散模型
[0132]
当大气运动稳定(距地面10m高处平均风速u
10
≥1.5m/s)且污染源是源源不断排放时，二氧化碳在空间上的分布状况是稳定的。假设地面反射系数为1，地面上稳定多个点源连续排放的碳排放物扩散为单点源高斯扩散模式的叠加，可通过下式表示：
[0133][0134]
其中，c(x,y,z)表示固定坐标系下多点源碳排放物浓度，ci(x,y,z)表示风轴坐标系下第i排放源碳排放物浓度。
[0135][0136]
式中(x,y,z)为空间某点在固定坐标系里的坐标，固定坐标系以向东为x轴正方向，向上为z轴方正方向，向南为y轴正方向，n为排放源的个数。式中的(x,y,z)为空间某点(x,y,z)在风轴坐标系中的坐标。
[0137]
二、高斯扩散模型参数确定
[0138]
1.风速
[0139]
获取的风速一般来说是距离地面10米高度处的风速。但是可以看到，在公式中的风速代表的是碳排放物出口处的高度。因此，可用下式计算某高度处的风速：
[0140][0141]
式(11)中，u2，u1分别为距离地面z2，z1高度处10分钟内的平均风速(m/s)。p为风速高度指数，取决于大气稳定度和地面粗糙度。公式中的u1可取邻近气象台(站)距地面10m高度处的年平均风速u
10
。风速高度指数p，按表1选取。
[0142]
表1风速高度指数选取表
[0143][0144]
2.大气稳定度等级
[0145]
本发明中使用的是帕斯奎尔(pasquill)稳定度分级法，将稳定度等级分为了强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定和稳定六级。分别用a、b、c、d、e、f表示。确定大气稳定度等级时，首先由云量和太阳高度角h0确定太阳辐射等级数。具体由如下表2确定：
[0146]
表2云量和太阳高度角确定的太阳辐射等级数表
[0147][0148][0149]
其中，云量观测包括总云量、低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的总成数，低云量是指天空被低云族的云所遮蔽的成数。云量的记录方法为：
[0150]
1)全天无云，总云量记0；
[0151]
2)天空完全为云所遮蔽，记10；
[0152]
3)天空完全为云所遮蔽，但只要从云隙中可见青天，记为10-；
[0153]
4)云占全天十分之一，总云量记1；云占全天十分之二，总云量记2，其余依次类推；
[0154]
5)天空有少许云，其量不到天空的十分之零点五时，总云量记0。
[0155]
在确定好太阳辐射等级数之后，再结合风速根据下表得到大气稳定度等级：
[0156]
表3大气稳定度等级选取表
[0157][0158]
其中，太阳高度角h0按下式计算：
[0159]
h0＝arcsin[sinφsinσ+cosφcosσcos(15t+λ-300)]
ꢀꢀꢀ
(12)
[0160]
式(12)中，h0表示太阳高度角，单位deg；φ表示当地纬度，单位deg；λ表示当地经度，单位deg；t表示进行观测时的北京时间；σ表示太阳倾角，单位deg，可按下式计算：
[0161][0162]
式(13)中，θ0＝360dn/365，单位deg；dn表示一年中的日期序数，0、1、2、
……
364。
[0163]
3.扩散参数
[0164]
扩散参数是指大气污染物在横向和垂直方向上的扩散参数，表征了湍流扩散运动的剧烈程度，对碳排放物的浓度分布影响很大。扩散参数的大小与点源到下风向的计算点距离，以及大气稳定度等级有关，计算公式如下：
[0165][0166]
[0167]
其中，α1表示水平扩散参数回归指数；α2表示水平扩散参数回归指数；γ1表示水平扩散参数回归系数；γ2表示垂直扩散参数回归系数；x表示距碳排放物排出源下风方向水平距离，m。
[0168]
α1，α2，γ1，γ2的选取与x和大气稳定度等级有关。具体选取方式如表4所示：
[0169]
表4水平扩散参数计算公式中参数选取表
[0170][0171][0172]
表5垂直扩散参数计算公式中参数选取表
[0173][0174]
上面所述的扩散参数原则上只适用于较理想的平坦地形且低烟源低温烟气排放，取样时间一般都是半小时，如果不符合条件还需进行修正。
[0175]
①
地形修正
[0176]
在丘陵山区由于地形复杂产生大气动力、热力差异，从而导致流场不均，因此，要模拟碳排放物在山地丘陵地形的扩散，就必须考虑风场、湍流场的三维分布和时间变化，对此根据表6所示的大气稳定度等级提级，然后再查表4和表5来进行扩散参数的修正。
[0177]
表6计算扩散参数时大气稳定度等级地形修正表
[0178][0179]
②
取样时间修正
[0180]
在实际研究中，取样时间的长短，将会导致湍流运动水平方向上的速度脉动方差不同，进而影响水平方向上的扩散系数。当取样时间大于0.5h时，需要对σy进行修正，表示
为
[0181][0182]
其中，q表示时间稀释指数，按表7取值；t1表示取样时间；表示水平扩散参数根据取样时间修正后的值；表示取样时间大于0.5h时，水平扩散参数修正前的值。
[0183]
表7时间稀释指数取值表
[0184]
取样时间0.5h-1h1h-24hq0.20.3
[0185]
取样时间大于24小时的，间隔时间过长，无法进行扩散模拟，因此，不予考虑。
[0186]
4.烟气抬升高度
[0187]
如图3所示，当烟气排出后，碳排放物会随烟气在热力和动力的推动下向上继续抬升。经过一定的时间后，烟气才会开始扩散，抬升后的烟气会趋于一个稳定的高度进行扩散。这个趋于稳定的高度与碳排放物出口处的高度差称之为烟气抬升高度。烟气抬升高度是高斯扩散模型中一个很重要的参数。影响烟气抬升的因素主要包括以下几点：
[0188]
(1)排放源和烟气的性质
[0189]
烟气排出的初始动量和浮力是决定烟气抬升的主要因素。初始动量取决于烟气出口速度和碳排放物出口的出口半径；浮力主要取决于烟气和周围空气的密度差和温度差。
[0190]
(2)周围大气的性质
[0191]
烟气与周围空气混合的速率是影响烟气抬升的又一因素。烟气与周围空气混合的越快，相当于烟气的初始动量和热量更大部分的分给周围的空气，烟气抬升的也就越低。反之，烟气抬升的就越高。两者的混合速率主要受平均风速，大气湍流程度影响。风速越大，湍流程度越强，两者混合的越快，反之越慢。
[0192]
综合考虑各种条件，从便于获得相关参数出发，采用如下公式，得到烟气抬升高度δh：
[0193][0194]
公式(16)是结合briggs公式、gb3840-83国家标准公式、hollond公式等进行回归拟合，得到的一个综合分析公式。该公式对各种不同的烟源都可以得到一个连续适中的计算结果。
[0195]
其中，vs表示碳排放出口处烟气排出速度，d表示碳排放出口处直径，qh表示烟气热释放率(kj/s)，h表示碳排放物出口的实际几何高度，u表示碳排放物出口高度处的平均风速；
[0196]
其中qh可用下式确定
[0197][0198]
其中qv为烟气实际排放速率(m3/s)，ts为烟气出口温度，ta为环境大气温度。
[0199]
5.高斯扩散模型的地形修正
[0200]
高斯扩散模型的假设前提是研究区域地形平坦，是平原地形，但在很多时候研究
区域的地形可能是山地丘陵等复杂的下垫面，实际污染物的扩散可能不符合正态分布，直接采用高斯扩散模型不是很合适，因此，可以对其进行修正再应用。
[0201]
用高斯扩散模型进行大气污染物模拟的时候，得到的是烟气的轴线与地面起伏形状始终都是平行的结果，要想消除地形对高斯扩散模型的影响，一般要根据地形和大气的稳定度对污染源有效高度进行修正，分2种情形：
①
在大气稳定度为中性或不稳定时，假设烟气中心线和地形的高差始终保持初始的有效高度，地形的影响就被排除了。
②
当大气稳定时,烟气受湍流运动影响较小，此时可以假设烟气的中心线始终保持初始高度向下风向扩散，则地面任一点对应的污染源的有效高度，则为烟气有效高度减去计算点的地形高度，此时引入地形修正因子，改正后的模型为：
[0202][0203]
与公式(3)中的修正一致。
[0204]
进行地形参数修正的重点是如何获取地形数据，获取什么样的地形数据。srtm3文件是目前可以免费下载我国陆地区域海拔高度数据的分辨率为3
″
*3
″
(90m*90m)的hgt文件。文件中数据类型为二进制数据。每4位二进制数据使用16进制读取方法，然后再将其转为我们需要的十进制数据。每8位二进制数据为一组，存储一个像点的海拔高度。文件一共有1201*1201组二进制数据，也就是一共有1201*1201个像点。值得注意的是，文件名代表的经纬点为文件中位置的数值最小点。该点的地形高度数据，出现在1201*1201的二维数组的左下角。即经度是从左到右增大的，纬度是从下到上增大的。
[0205]
本发明中可使用python软件，将文件中的数据读取出来。比如想要在n32e120.hgt文件中，读取北纬32
°
东经120
°
点的高度值，就需要读取1201*1201的二维数组中第1200行，第0列的数据。当然，还可以根据需要改变读取的数据间隔，来获得不同分辨率的高度数据。也可以购买其他分辨率hgt文件。
[0206]
6.坐标转换
[0207]
(1)经纬度坐标转换为平面坐标
[0208]
能够直接获取的是各点源的经纬度坐标和观测区域的经纬度范围。但是根据高斯扩散公式可以看出，用于计算的是各点源在建立的标系中的坐标值。就需要对经纬度坐标进行转换。
[0209]
地理坐标系是球面坐标，参考平面是椭球面，坐标单位是经纬度。地理坐标系是由地球的大地水准面、地球椭球体、大地基准面三级逼近形成的。常见的地理坐标系有wgs-84、gcs-bijing-54、gcs-xian-80、cgcs-2000等。投影坐标系，顾名思义是通过特定的投影方法，将地理坐标系的坐标投影到平面坐标系中，并且按照投影方法而命名。主要的投影坐标系有utm投影、墨卡托投影、兰伯特投影、高斯-克吕格投影。
[0210]
发明的实施例中采用的是wgs-84地理坐标系和高斯-克吕格投影坐标系。因为投影产生了经纬线变形，所以会在横向或纵向上产生误差。将经度投影到x轴，纬度投影到y轴。同一经度上，不同纬度之间，x的值无变化。同一纬度处，经度每差1
°
，y的值相差约150米左右。误差在允许范围内。
[0211]
(2)风轴坐标系转换
[0212]
对于单点源来说，其风轴坐标系是以下风向方向为x轴。当多点源需要在固定坐标系内浓度叠加时，设以正东方向为x轴，那么考虑到不同点源所处的位置风向可能不同，就需要进行坐标转换。设各点源风向与x轴方向夹角为θ。转换公式如下：
[0213]
x1＝(x1-x0)cosθ+(y1-y0)sinθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(18)
[0214]
y1＝(x1-x0)cosθ-(y1-y0)sinθ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0215]
其中，x1表示观测点在点源风轴坐标系的x轴投影，y1表示观测点在点源风轴坐标系的y轴投影，x0表示点源在固定坐标系中的x轴投影，y0表示点源在固定坐标系中的y轴投影。
[0216]
将各点源确定后的参数代入公式(17)，得到对应的c(x,y,z)，再根据公式(10)得到各点源对应的ci(x,y,z)。
[0217]
如下为采用本发明方法的一个应用实例：
[0218]
所用的数据均为人为拟造示例数据。根据当地某热电公司中锅炉建设报告书，锅炉煤炭消耗速率为每小时30t。假设煤炭燃烧90％转化为二氧化碳，二氧化碳排放速率为27500000mg/s。
[0219]
根据上报告书中各参数所拟示例数据如下表8所示：
[0220]
表8各参数对应示例数据表
[0221][0222][0223]
研究区域为纬度36.15
°
到36.5
°
，经度120.35
°
到120.7
°
范围内。区域内各点源风向均为东偏南60
°
。本发明中的观测高度在整个研究区域内并非是同一水平高度。区域内任意一点的观测高度z，均为从该点地面起，垂直向上z高度处。
[0224]
(1)不同大气稳定度等级扩散对比
[0225]
在研究不同大气稳定度等级对二氧化碳扩散的影响时，确定地面风速为2.5m/s，假设地面平坦且广阔，通过不同的观测时间和云量来改变大气稳定度等级，
[0226]
如图4和图5，分别为观测高度在10处和230m处不同大气稳定度等级下的二氧化碳浓度分布情况示意图。可以看出，不论观测高度为距离地面高度10m处，还是高度为230m。随着稳定度等级从不稳定到稳定(a到f)，污染物在大气环境中的扩散强度随之减弱，扩散进程随之减缓，这就需要更多的时间和更大的空间来完成扩散过程，这使得污染物对环境空气的影响范围更广。结果充分表示了大气稳定度对污染物扩散、输送的重要影响：当大气处于不稳定状态时，湍流强烈，有利于污染物迅速扩散；当大气处于稳定状态时，出现逆温层，易使污染物长时间聚集于地面，造成严重污染。
[0227]
(2)地形修正对扩散的影响
[0228]
关于是否考虑地形修正，对二氧化碳扩散情况的影响时，只有在大气稳定度等级
为
‘
e’到
‘
f’时，才考虑地形影响。设定大气稳定度等级为
‘
e’不变，地面10m处的风速为2.5m/s。
[0229]
如图6中(a)至(f)分别表示观测高度在10m、90m、130m、150m、230m、310m处考虑地形影响时的二氧化碳浓度分布情况。底图为该研究区域的地形图，分辨率为12
″×
12
″
。当考虑地形影响时，可以明显的看出，二氧化碳浓度分布不再符合正态分布。假设只考虑地形影响时，观测位置处，观测高度值加上此地的海拔高度值，越接近烟囱的有效高度值，二氧化碳的浓度越高。所以在点源的下风向很远处，如果海拔高度相对较高，那么此地的二氧化碳浓度值会比点源下风向近距离处的浓度高。
[0230]
(3)二氧化碳随时间扩散情况
[0231]
图7为各点源在大气稳定度为b时二氧化碳随时间的扩散情况示意图，图8为各点源在大气稳定度为d时二氧化碳随时间的扩散情况示意图。
[0232]
利用高斯扩散模型模拟多点源二氧化碳排放短期(1-3天内)扩散情况，经过校准调试，模拟结果应和实测值达到相关系数检验0.1水平显著。此后，通过特定监测点的测量结果可利用模型反推点源排放量，从而形成应急的碳排放监测系统。
[0233]
本发明可在碳源扩散可视等高线图形中叠加卫星dem高程数据图像，从而可清楚得知分析区域的地理位置、地形状况，更方便使用。还可进行地理高度修正，得到修正后空间中不同离地高度，任意位置的二氧化碳浓度。
[0234]
另外，在实际应用中，本发明可人机交互的自由选择平面距离坐标和经纬度坐标，可自由选择区域范围，从而获得从小到大，从精到粗的分析结果，方便作不同目的之用。还可得到二氧化碳或污染物随时间扩散的关系，对分析非连续排放的点源有重要的应用价值。
[0235]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。