一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统，利用多重手段对排放源数据进行动态更新，提高空气质量预报准确率。该系统中，对于安装有烟气在线监测设备的排放源，通过排放参数计算排放源数据Sa，并在反演时不调整Sa的数据；利用Sa中的数据替换基于排放源清单生成的排放源数据Sb中的内容，生成排放源数据Sc；空气质量预报单元利用排放源数据Sc获得空气质量预报数据；排放源数据反演单元反演令空气质量预报数据和监测数据差异最小的排放源数据S

Air quality prediction system based on dynamic inversion of emission source data

【技术实现步骤摘要】
一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统
本专利技术属于空气质量预报
，尤其涉及一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统。
技术介绍
空气质量数值预报是基于排放源清单、气象场预报数据和环境监测数据等，应用空气质量预报数值模式来模拟未来的大气污染物分布和演变，从而预报空气质量的方法。当前空气质量预报技术所采用的排放源清单数据是基于对污染源的调查和资料处理。排放源清单编制是根据相应的法规、规范和技术方法，对清单编制区域内的排放源进行初步摸底调查，明确当地排放源的主要构成，选取合适的排放源分类级别，以确定源清单编制过程中的活动水平数据调查和收集对象。数据的调查收集过程应与现有数据统计体系结合，优先从环境统计、污染源普查等数据库中获取相关信息。根据排放源燃烧类型、燃料类型、排放系数、环保措施等信息，采用数学模型进行直接和间接估算。可见，排放源清单编制过程需要大量的调查工作，因此费时费力，编制周期长。在实际应用于空气质量预报时，就可能因产业调整导致的污染源排放变化不能及时反映到排放源清单数据中，影响预报准确率。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统，利用现有大气环境监测网的海量数据，在排放源清单基础上，应用空气质量预报技术和排放源反演技术，对排放源数据进行动态更新，并在此基础上进行空气质量预报，提高空气质量预报准确率。为了解决上述技术问题，本专利技术是这样实现的：一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统，包括：第一排放源数据生成单元、第二排放源数据生成单元、第三排放源数据生成单元、空气质量监测数据下载单元、气象场预报数据下载单元、空气质量预报单元、排放源数据反演单元和组合单元；空气质量监测数据下载单元，用于获取空气质量监测数据Co；气象场预报数据下载单元，用于获取气象场预报数据；第一排放源数据生成单元，用于从安装有烟气在线监测设备的排放源获取排放参数，基于排放参数计算第一排放源数据Sa；第二排放源数据生成单元，用于根据原始排放源清单产生第二排放源数据Sb；第三排放源数据生成单元，用于利用第一排放源数据Sa替换第二排放源数据Sb中的相应内容，生成第三排放源数据Sc；空气质量预报单元，用于利用排放源数据Sc、气象场预报数据和空气质量监测数据Co获得空气质量预报数据C；排放源数据反演单元，用于根据定义的衡量空气质量预报数据C和空气质量监测数据Co之间差异的目标函数J，反演令目标函数J最小的排放源数据S1；反演时，对来自于第一排放源数据Sa中的数据不做调整；组合单元，用于对于未安装烟气在线监测设备的排放源，将反演前后的排放源数据进行组合，获得新的排放源数据Snew，替换反演后排放源数据S1中的相应内容，得到最终的排放源数据Sfinal，反馈给排放源数据反演单元；空气质量预报单元进一步利用排放源数据Sfinal获得最终的空气质量预报结果。其中，将所述排放源数据S1的优化求解表述为：其中，公式(I)为目标函数寻优表达，公式(II)为空气质量预报模型；T为所采用监测数据的时间段，t为时间；Ω表示在全空间范围内积分；λ为权系数，反映了不同空间位置观测数据的可靠性，是空间位置的函数；排放量分布S＝S(x,y,z,t)，x,y为排放口的位置，z为烟气抬升高度，t表示时间；F(C,P1,P2...Pn)是表示污染物在大气中经历的输送、扩散、化学转化一系列过程的数学描述，P1,P2...Pn是气象场预报数据中的n个组成元素；在式(I)中引入伴随变量C*构造拉格朗日函数L，并推导出伴随模型(III)：所述排放源数据反演单元包括目标函数J计算模块、梯度值解算模块、基于梯度的最优解解算模块和判断模块。其中，目标函数J计算模块，用于将空气质量预报数据C和空气质量监测数据Co代入目标函数的表达式，获得目标函数值J。梯度值解算模块，用于运行伴随模型(III)，计算出梯度向量g，即伴随变量C*。基于梯度的最优解解算模块，配置用于梯度信息寻优的软件包；将伴随变量C*、目标函数值J、以及所需维度的待求解排放源数据向量输入到所述软件包中，软件包自动解算输出本次迭代的排放源数据寻优结果Sk；上角标k表示第k次迭代；基于梯度的最优解解算模块输出排放源数据寻优结果Sk到空气质量预报模型中，获得新的空气质量预报数据；该新的空气质量预报数据进入梯度值解算模块和模板函数J计算模块，进行下一轮的计算迭代，产生新的Sk，以此类推，进行多次循环迭代，直到判断模块确定空气质量预报数据与空气质量监测数据的差异满足设定条件，则获得了所述反演结果S1。优选地，所述判断模块从梯度值解算模块提取伴随变量，在第k次迭代时，对比第k次和第k-1次迭代时获得的伴随变量Ck*和Ck-1*，判断||Ck*-Ck-1*||是否小于设定门限，如果是，则认为满足设定条件，退出迭代循环，所述排放源数据寻优结果Sk-1作为所述排放源数据S1；否则继续迭代。有益效果：1、本专利技术定义衡量空气质量监测数据Co和空气质量预报数据C差异的目标函数，反演令目标函数J最小的排放源数据；利用反演得到的排放源数据S1再次进行空气质量预报计算，提高空气质量预报准确性；由于反演过程基于空气质量监测数据。2、本专利技术对于安装了烟气在线监测设备的排放源，直接从烟气在线监测系统中获取排放参数，利用该排放参数计算排放源数据，而在反演算法中对这些排放源不做调整，从而充分利用可靠的监测数据提升空气质量预报准确性。3、对于未安装烟气在线监测设备的排放源，根据其排放源清单的获取手段，分析数据获取的相对误差σ，则将反演前的排放源数据S和反演调整后的排放源数据S1进行组合得到新的排放源数据Snew，既考虑了排放源数据来源误差，又利用了空气质量监测的信息，更加客观地反映了排放源的现状。4、排放源数据的反演过程采用基于梯度信息的寻优方案。而且因为目标函数的非线性，在调整污染源数据的过程中，目标函数下降了，目标函数梯度的方向也在发生变化，因此本专利技术设计了逐步迭代渐进的解算过程，每迭代一次均重新计算行数梯度，从而保证解算准确性。附图说明图1为本专利技术基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统。图2为图1中排放源数据反演单元的组成框图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报方案，其基本思想是，利用排放源数据、空气质量监测数据Co和气象场预报数据进行空气质量预报时，进一步定义衡量空气质量监测数据Co和空气质量预报数据C差异的目标函数，反演令目标函数J最小的排放源数据；利用反演得到的排放源数据S1再次进行空气质量预报计算，获得准确的空气质量预报结果。由于用于反演排放源数据的空气质量监测数据Co本身也有误差，而且监测站点分布不均匀，因此空气质量监测数据只是部分地反本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统，其特征在于，包括：第一排放源数据生成单元、第二排放源数据生成单元、第三排放源数据生成单元、空气质量监测数据下载单元、气象场预报数据下载单元、空气质量预报单元、排放源数据反演单元和组合单元；/n空气质量监测数据下载单元，用于获取空气质量监测数据Co；/n气象场预报数据下载单元，用于获取气象场预报数据；/n第一排放源数据生成单元，用于从安装有烟气在线监测设备的排放源获取排放参数，基于排放参数计算第一排放源数据Sa；/n第二排放源数据生成单元，用于根据原始排放源清单产生第二排放源数据Sb；/n第三排放源数据生成单元，用于利用第一排放源数据Sa替换第二排放源数据Sb中的相应内容，生成第三排放源数据Sc；/n空气质量预报单元，用于利用排放源数据Sc、气象场预报数据和空气质量监测数据Co获得空气质量预报数据C；/n排放源数据反演单元，用于根据定义的衡量空气质量预报数据C和空气质量监测数据Co之间差异的目标函数J，反演令目标函数J最小的排放源数据S

【技术特征摘要】
1.一种基于动态反演排放源数据的空气质量预报系统，其特征在于，包括：第一排放源数据生成单元、第二排放源数据生成单元、第三排放源数据生成单元、空气质量监测数据下载单元、气象场预报数据下载单元、空气质量预报单元、排放源数据反演单元和组合单元；
空气质量监测数据下载单元，用于获取空气质量监测数据Co；
气象场预报数据下载单元，用于获取气象场预报数据；
第一排放源数据生成单元，用于从安装有烟气在线监测设备的排放源获取排放参数，基于排放参数计算第一排放源数据Sa；
第二排放源数据生成单元，用于根据原始排放源清单产生第二排放源数据Sb；
第三排放源数据生成单元，用于利用第一排放源数据Sa替换第二排放源数据Sb中的相应内容，生成第三排放源数据Sc；
空气质量预报单元，用于利用排放源数据Sc、气象场预报数据和空气质量监测数据Co获得空气质量预报数据C；
排放源数据反演单元，用于根据定义的衡量空气质量预报数据C和空气质量监测数据Co之间差异的目标函数J，反演令目标函数J最小的排放源数据S1；反演时，对来自于第一排放源数据Sa中的数据不做调整；
组合单元，用于对于未安装烟气在线监测设备的排放源，将反演前后的排放源数据进行组合，获得新的排放源数据Snew，替换反演后排放源数据S1中的相应内容，得到最终的排放源数据Sfinal，反馈给排放源数据反演单元；
空气质量预报单元进一步利用排放源数据Sfinal获得最终的空气质量预报结果。


2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，将所述排放源数据S1的优化求解表述为：






其中，公式(I)为目标函数寻优表达，公式(II)为空气质量预报模型；T为所采用监测数据的时间段，t为时间；Ω表示在全空间范围内积分；λ为权系数，反映了不同空...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰，程超，桑萌，贾智彬，李军，郭莉莉，
申请(专利权)人：北京众蓝科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11