一种基于光学遥感监测计算大气扩散规律的系统及其方法

摘要

本发明提供一种基于光学遥感监测计算大气扩散规律的系统及其方法，属于大气扩散监测技术领域。所述方法包括：选定示踪剂，并选定与所述示踪剂匹配的采集装置；选定大气扩散模型，然后构建所述示踪剂的释放源，并根据所述释放源确定所述采集装置的分布特征，再利用所述释放源和所述采集装置配置所述大气扩散模型；通过所述释放源将所述示踪剂释放于大气环境内，并利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的数据；按照大气稳定度分类方法，利用所述数据结合所述大气扩散模型获得大气扩散参数。本发明具有低实现成本特性且增大了监测数据的准确度和稳定度，减少了定点监测的不确定性。

说明书

技术领域

本发明涉及大气扩散监测技术领域，具体地涉及一种获取大气扩散参数的方法、一种用于获取大气扩散参数的系统、一种用于获取大气扩散参数的设备和一种计算机可读存储介质。

背景技术

随着经济的发展，城市化进度的加快，石化企业周围产生了大量的建筑物，极大的增加了地面的粗糙度，增强了地面湍流，改变了原来的大气扩散状况。污染物在大气中的扩散规律，受到泄漏源、气象条件、地面状况以及污染物本身性质等多种因素的影响；研究复杂地形下的大气污染物扩散规律，对于指导石化企业建设、确定石化企业的卫生防护距离、正常工况和事故工况下采取适当的应急措施、控制石化企业的大气污染物排放量、保护周边群众等具有重要的意义。

目前，研究大气污染物扩散规律的研究方法主要有三种：实测法、风洞实验法和数值模拟法。

实测法，存在着一定的局限性，限制了实测法的发展，实测法需要大量的测量设备，经费消耗大，消耗人力物力财力大，采样分析过程复杂，实验周期长等，但是实测法能够直接获取流场或浓度场的准确信息，真实客观的反应大气污染物扩散的实际场景，为进一步研究地表流场特征、大气污染物扩散规律、建立研究区域数值模型，奠定了坚实的理论基础和科学依据。

相对于实测法，风洞模拟既具有直观性，还具有节约人力物力财力的特点，在实验过程中，可以根据实际情况，人为的控制实验条件，这样无论在地形复杂或机理性研究下，都具有更大的优越性。但是风洞模拟实验仍需要较多的资金支持，而且实验假设条件较多，在模型较小时，相似参数难以实现相等，在实现定量化方面存在技术上的困难。

数值模拟法，成本低廉，只需在计算机上进行模拟，即使在监测数据较缺乏的条件下，亦可以较准确的估算气体污染物的分布情况，但是数据和计算强度大，模型及边界条件的构建比较复杂，随机性较大，影响了结果的准确性和精度。

综上所述，三种研究方法各有优劣，而实测法在其中更是不占优势，但是，通过实测法，可以获得准确可靠的流场数据，能够最真实的反应出污染物的迁移过程、扩散规律，获取大气污染物扩散的第一手现场数据，为理论研究提供了宝贵的实验数据，同时，这些数据资料对于风洞实验以及数值模拟而言也是非常必要的，不仅如此，在复杂地形，由于下垫面状况、气象条件相当复杂，以及复杂地形实际工作经常性的需要，必须采用实测法，进行大气扩散规律的研究。

随着科技的进步，环境监测技术的发展，仪器分析以及计算机技术的广泛应用，各国科技工作者将遥感技术广泛应用于大气环境自动监测系统。近年来，随着现代物理学、光学、化学研究、电子学、空间科学以及计算机技术的进步，各种环境监测技术取得了突飞猛进的进步，而光学遥感技术从中脱颖而出，因其具有空间性、实时性、监测范围广、获取信息量大、探测周期短和操作便捷等特点，为实时监测大范围的气体污染物的浓度分布情况提供了可能，被广泛的应用到环境监测中，能够全面准确的诊断环境污染的范围和程度，为环境监测技术提供了新的手段。随着城市化水平的提高、企业的蓬勃发展、环境问题的加剧，光学遥感技术已经成为不可或缺的监测手段。

目前应用最为广泛的光学遥感技术主要分为以下四大类：差分吸收激光雷达技术(DIAL)、紫外-差分光学吸收光谱技术(UV-DOAS)、开放光路可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)、开放光路傅里叶变换红外光谱技术(OP-FTIR)。选择不同光学遥感技术需要考虑研究的化学物质以及研究目的。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学遥感监测计算大气扩散规律的系统及其方法，解决了复杂地区大气扩散规律确定难、实测法中采样点的搭设和稳定采样数据的形成等各类成本过高的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种获取大气扩散参数的方法，该方法包括：

S1)选定示踪剂，并选定与所述示踪剂匹配的采集装置；

S2)选定大气扩散模型，然后构建所述示踪剂的释放源，并根据所述释放源确定所述采集装置的分布特征，再利用所述释放源和所述采集装置配置所述大气扩散模型；

S3)通过所述释放源将所述示踪剂释放于大气环境内，并利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的数据；

S4)按照大气稳定度分类方法，利用所述数据结合所述大气扩散模型获得大气扩散参数。

具体的，步骤S1)中选定示踪剂，包括：根据扩散要求选定示踪剂；其中，

所述扩散要求包括：被选示踪剂的浓度高于预设测试浓度阈值时所述被选示踪剂对人体无毒害且无气味的要求、所述被选示踪剂在目标大气环境温度下为气态的要求、所述被选示踪剂的分子质量低于预设分子质量阈值的要求、所述被选示踪剂的扩散系数符合预设扩散阈值条件的要求、所述被选示踪剂的目标大气环境本底值低于预设本底值阈值的要求和所述被选示踪剂的化学反应活跃程度相对目标大气环境为稳定的要求。

具体的，步骤S1)，其中，所述扩散要求还包括：相对所述采集装置所述被选示踪剂的散射特性强于所述目标大气环境的散射特性的要求。

具体的，步骤S1)中选定与所述示踪剂匹配的采集装置，包括：选定与所述示踪剂匹配的光学遥感监测仪器。

具体的，步骤S2)中选定大气扩散模型，然后构建所述示踪剂的释放源，包括：

选定大气扩散模型，然后根据所述大气扩散模型，确定释放源种类，并按所述释放源种类构建所述示踪剂的释放源，其中，所述释放源种类包括：点源类、线源类、面源类或体源类。

具体的，步骤S3)中通过所述释放源将所述示踪剂释放于大气环境内，包括：

在预定的周期时间内，按照恒定流量方式，通过所述释放源将所述示踪剂持续释放于大气环境内，其中，每个周期时间大于等于两小时。

具体的，步骤S3)中利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的数据，包括：

在所述大气环境内示踪剂的分布特征符合预设分布条件时，按照所述采集装置的监测光路与所述大气环境的主导风向的夹角为九十度或处于九十度邻域的方式，利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的下风向光路积分浓度数据。

具体的，步骤S3)还包括：获取环境数据集和装置数据集，其中，

所述环境数据集包括：风向数据、风速数据和云量数据，所述装置数据集包括：所述释放源至所述采集装置的监测光路的距离数据、所述采集装置的光程长度和所述释放源的尺寸；

利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的数据，其中，所述数据为光路积分浓度数据。

具体的，步骤S4)中在结合所述大气扩散模型获得大气扩散参数之前，还包括：利用遗传算法或最小二乘法配置所述大气扩散模型。

本发明实施例还提供一种用于获取大气扩散参数的系统，该系统包括：

释放源，被配置为具有释放示踪剂的功能；

采集装置，被配置为具有获取数据功能，其中，所述获取数据功能被配置为用于获取被所述释放源释放于大气环境内的示踪剂的数据；

测控系统，被配置为具有计算数据功能，其中，所述计算数据功能被配置为用于根据由所述采集装置获取的数据计算获得大气扩散参数。

再一方面，本发明实施例提供一种用于获取大气扩散参数的设备，包括：

至少一个处理器；

存储器，与所述至少一个处理器连接；

其中，所述存储器存储有能被所述至少一个处理器执行的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令，所述至少一个处理器通过执行所述存储器存储的指令实现前述的方法。

又一方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机指令，当所述计算机指令在计算机上运行时，使得计算机执行前述的方法。

本发明以光学遥感监测技术取代了传统的定点监测技术，摆脱了传统定点采样分析技术的束缚，减少了定点监测的不确定性，本发明具有低实现成本特性且增大了监测数据的准确度和稳定度，同时在很大程度上弥补了传统实测法确定大气扩散规律的缺陷，解决了传统实测法确定大气扩散规律时消耗人力物力财力大、采样分析过程复杂、费时费力、实验周期长、数据获取稳定度低等问题。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的主要步骤示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

实施例1

一种获取大气扩散参数的方法，该方法包括：

S1)选定示踪剂，并选定与所述示踪剂匹配的采集装置；

S2)选定大气扩散模型，然后构建所述示踪剂的释放源，并根据所述释放源确定所述采集装置的分布特征，再利用所述释放源和所述采集装置配置所述大气扩散模型；

S3)通过所述释放源将所述示踪剂释放于大气环境内，并利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的数据；

S4)按照大气稳定度分类方法，利用所述数据结合所述大气扩散模型获得大气扩散参数；

大气稳定度分类方法可以是Pasquill法、Pasquill-Turner法、P·S法、温度梯度法、温度梯度-风速法、理查逊数法、总体理查逊数、风向脉动标准差法、莫宁-奥布霍夫长度法等十一种主要大气稳定度分类方法，考虑使用光学遥感监测技术的采集装置，优选为P·S大气稳定度分类方法。

具体的，步骤S1)中选定示踪剂，包括：根据扩散要求选定示踪剂；其中，

所述扩散要求包括：被选示踪剂的浓度高于预设测试浓度阈值时所述被选示踪剂对人体无毒害且无气味的要求、所述被选示踪剂在目标大气环境温度下为气态的要求、所述被选示踪剂的分子质量低于预设分子质量阈值的要求、所述被选示踪剂的扩散系数符合预设扩散阈值条件的要求、所述被选示踪剂的目标大气环境本底值低于预设本底值阈值的要求和所述被选示踪剂的化学反应活跃程度相对目标大气环境为稳定的要求；

被选示踪剂需要即使高浓度也无毒无味，环境温度下为气态，分子质量小，与空气混合快，环境本底值低，化学性质稳定，不易与环境中的其它物质发生化学反应，易于释放和采样的化学试剂，在满足这些要求后，被选示踪剂即可以作为所选定的示踪剂；

大气扩散示踪实验的效果与示踪剂的选择是分不开的；常见的示踪剂有SF

具体的，步骤S1)，其中，所述扩散要求还包括：相对所述采集装置所述被选示踪剂的散射特性强于所述目标大气环境的散射特性的要求；

具体的，步骤S1)中选定与所述示踪剂匹配的采集装置，包括：选定与所述示踪剂匹配的光学遥感监测仪器；

所述光学遥感监测仪器的确定是指根据所选择的示踪剂确定合适的光学遥感监测仪器；

目前应用最为广泛的光学遥感技术主要分为以下四大类：差分吸收激光雷达技术(DIAL)、紫外-差分光学吸收光谱技术、开放光路可调谐二极管激光吸收光谱技术(TDLAS)、开放光路傅里叶变换红外光谱技术(OP-FTIR)。由于所选择的示踪剂C

具体的，步骤S2)中选定大气扩散模型，然后构建所述示踪剂的释放源，包括：

选定大气扩散模型，然后根据所述大气扩散模型，确定释放源种类，并按所述释放源种类构建所述示踪剂的释放源，其中，所述释放源种类包括：点源类、线源类、面源类或体源类；

大气扩散模型的选择需与实验场地的特征一致，以石化企业罐区附近为例，为了研究石化企业厂址附近的大气扩散规律，同时对罐区排放大气污染物的扩散情况进行更好的模拟，则需搭建一定高度的矩形场地，并以相同直径的聚氯乙烯管相连成网格状，按照相同间隔打微孔，尽量保证孔直径的一致性，在入口段与带有转子流量计的示踪气体钢瓶(作为释放源)相连，相应的大气扩散模型可选择适用于近距离的虚点源后置法等合适的模型。

具体的，步骤S3)中通过所述释放源将所述示踪剂释放于大气环境内，包括：

在预定的周期时间内，按照恒定流量方式，通过所述释放源将所述示踪剂持续释放于大气环境内，其中，每个周期时间大于等于两小时。

具体的，步骤S3)中利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的数据，包括：

在所述大气环境内示踪剂的分布特征符合预设分布条件时，按照所述采集装置的监测光路与所述大气环境的主导风向的夹角为九十度或处于九十度邻域的方式，利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的下风向光路积分浓度数据；

即所述下风向光路积分浓度的数据采集应在示踪气体扩散完全后，并保证监测光路与主导风向近似垂直；

具体的，步骤S3)还包括：获取环境数据集和装置数据集，其中，

所述环境数据集包括：风向数据、风速数据和云量数据，所述装置数据集包括：所述释放源至所述采集装置的监测光路的距离数据、所述采集装置的光程长度和所述释放源的尺寸；

利用所述采集装置获取与所述大气环境内分布的示踪剂对应的数据，其中，所述数据为光路积分浓度数据；

考虑了风向、风速、云量、监测距离(示踪释放源至监测光路的垂直距离)、光路积分浓度、光程长度和模拟释放源尺寸(长、宽、高等)等方面的数据特征；

主导风向确定：在进行现场试验之前，应首先进行气象观测，以确定主导风向；以示踪剂释放区域的中心为原点，在原点附近离地高度10米处布设气象站，在主导风向的下风向布设主动式遥感傅里叶变换红外光谱仪，光束路径应尽量与主导风向垂直，并根据近密远疏的原则，在近距离设较多的光束，具体的监测距离以及光程长度等宜根据气象条件、地面状况等确定，以恒定流量释放示踪气体，每次气体释放时间至少两小时，待半小时或气体扩散完全后，进行实验数据的采集，采集数据主要包括天气、云量、风向、风速、监测距离、光程长度、释放源尺寸(长、宽、高等)、光路积分浓度。

具体的，步骤S4)中在结合所述大气扩散模型获得大气扩散参数之前，还包括：利用遗传算法或最小二乘法配置所述大气扩散模型；

利用遗传算法可以是优化地配置大气扩散模型的反演迭代计算过程，利用最小二乘法可以配置大气扩散模型的求解方式为线性回归方式；

大气扩散参数计算即将获取的数据代入所选择的大气扩散模型计算公式，并使用优化算法计算出未知解(大气扩散参数)；

以示踪剂释放区域的中心为原点，以主导风向为X轴，主导风向垂直风向为Y轴，以垂直于地面方向为Z轴，按照右手法则建立直角坐标系，每次将获取的数据代入所选择的大气扩散模型计算公式，借助MATLAB软件使用常用的优化算法如遗传算法、最小二乘法等即可计算出未知解(大气扩散参数)。

本发明实施例还提供一种用于获取大气扩散参数的系统，该系统包括：

释放源，被配置为具有释放示踪剂的功能；

采集装置，被配置为具有获取数据功能，其中，所述获取数据功能被配置为用于获取被所述释放源释放于大气环境内的示踪剂的数据；

测控系统，被配置为具有计算数据功能，其中，所述计算数据功能被配置为用于根据由所述采集装置获取的数据计算获得大气扩散参数；

释放源布设于扩散测量区域，采集装置的分布特征至少需要满足能获取扩散测量区域内分布的示踪剂的条件；

测控系统具备已配置的大气扩散模型、释放源参数、采集装置参数和扩散测量区域相关的环境参数，可选择地控制释放源周期地进行释放示踪剂，并开启采集装置，进行数据采集，将采集的数据代入大气扩散模型中计算出大气扩散参数。

本发明针对复杂地区大气扩散规律难以确定的问题，在传统实测法的基础上，以光学遥感监测技术取代传统的定点监测技术，实现了光学遥感监测技术的应用开发，并对传统实测法进行升级，解决了复杂地区大气扩散规律确定难的问题。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。