本发明涉及大气污染防控领域，具体涉及一种耦合aermod扩散模型与atchem零维化学盒子模型的工业园区大气中臭氧浓度的快速模拟预测方法和装置。
背景技术：
1、深入打赢蓝天保卫战对大气污染防治工作提出了更高的要求，臭氧污染的提前防治也愈发受到国家重视。目前臭氧污染浓度预测主要面临前期准备工作复杂，预测精度较低，预测局限于大、中尺度的问题，使得当前臭氧浓度预测面临成本高，效率低的严峻挑战。严重的臭氧污染会对生态环境，农业以及人民健康造成危害，准确高效的臭氧预测是臭氧污染防控的重要环节。
2、当前主要使用大气扩散模型进行臭氧浓度预测，以cmaq(community multiscaleair quality)、calpuff(the california puff model)、naqpms(nested air qualityprediction modeling system)为代表的空气质量模型计算量较大、基础数据要求较高，且三维模型适用于较大尺度。模型通过各种污染源源强、气象等资料及大气物理、化学等过程模拟来模拟臭氧浓度。aermod模型(air quality dispersion modeling)广泛适用在小尺度区域的大气模拟，但因其模型设计并不包含化学反应，无法单独作为臭氧模拟预测工具使用。原位光化学模拟方面atchem化学盒子模型具有较广泛的应用，其编程和计算过程简单高效；搭载mcm(master chemical mechanism)详细化学机理且易于修改；可以进行臭氧浓度预测，但因模型所需输入臭氧前体物组分数据要求较高，获取难度大等局限影响其实际预测效率。
3、面对当前区域大气臭氧污染管控要求的提升，对臭氧污染预测效率和准确度的要求亦然。目前缺乏针对于工业园区等特定小尺度下的臭氧浓度预测模型，直接应用calpuff，cmaq等中大尺度预测模型存在准备文件复杂，成本较高，耗时较长等问题，无法满足高效、精准、科学的管控。
技术实现思路
1、本发明主要解决工业园区小尺度臭氧浓度模拟预测方法缺失的问题，提供一种基于aermod与atchem化学盒子模型耦合的预测方法和装置。
2、本发明利用高空与地面气象数据编制气象输入文件；确定相应的土地类型，并按季节划分土地利用参数构建aermet气象模型。然后，将aermet运行结果文件、区域地理信息文件、受体敏感点信息以及研究区域污染源排放清单源强数据集输入aermod大气扩散模型，预测vocs与nox在受体点的浓度分布；进而利用预测结果设置o3前体物限制文件，输入atchem化学盒子模型进行o3浓度预测，实现受体点臭氧浓度预测。
3、本发明的第一个方面涉及耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，
4、包括如下步骤：
5、s1.利用aermod模型模拟臭氧前体物浓度的模拟与优化；
6、s1.1，制作aermet高空与地面气象文件。利用wrf气象预测模型提取模拟日期高空与地面气象信息，制作aermet输入文件。
7、s1.2，运行aermet。进入aermet，分别在高空数据、地面数据、土地利用数据栏输入文件及参数，运行aermet，获取sfc与pfl格式结果文件。
8、s1.3，aermap地理文件制作。利用自动化工具中选择预测区域范围，制作aermap输入文件。
9、s1.4，设置aermod。分别设置aermod中投影、控制选项，根据源排放清单输入源强信息，设置相应受体点及输出选项。
10、s1.5，aermap运行，aermap中选取预测区域dem输入文件，运行收集污染源强、受体点海拔信息。
11、s1.6，运行aermod。aermap运行结束后校对相应污染源强及受体点海拔信息，确认后保存文件；运行aermod模型，获得受体点前体物(vocs和nox)的模拟预测浓度。
12、s1.7，模型参数优化。拟合模型模拟值与观测值，通过调整相应前体物背景浓度及污染源实际排放速率等参数，提高模型模拟准确率。
13、特别地，步骤s1.2运行aermet过程中地面数据栏气象站点号若未知则输入99999，风速计高度固定为10m，与当地标准时差设置为0；高空数据栏气象站点号若未知则输入99999，与当地标准时差设置为-8。
14、特别地，步骤s1.2土地利用数据栏中选择使用自定义地表特性参数，频次选择按季节；土壤条件根据实际情况选择干燥、平均或潮湿；扇区选择12扇区。
15、特别地，步骤s1.2土地利用数据栏中地表粗糙度列表利用python自动化工具收集并设置各扇区土地类别为水体、城市、耕地等类型；将收集的土地信息输入excel计算工具表格获得反照率、鲍恩比和表面粗糙度参数输入至场地特性参数列表。
16、特别地，步骤s1.4所述的投影设置中选择用户自定义地图投影，地图投影选择universal_transverse_mercator，大地基准面选择wgs_84，utm分区根据实际预测区域地理信息设置控制选项设置。
17、特别地，步骤s1.4所述污染物选择用户自定义并输入需要预测污染物名称，模拟类型设置为浓度计算，削减选项选择没有削减；输出选项选择输出详细记录文件并根据预测需要选择1小时浓度数据。
18、特别地，步骤s1.7取得与观测值接近的模拟值时，则认为aermod模型优化完成，可应用于本地的臭氧前体物预测工作。
19、s2.用atchem盒子模型对臭氧浓度的模拟与优化，包括如下步骤：
20、s2.1，优势vocs物种选择。利用监测的vocs组分数据，对臭氧污染时段不同vocs物种浓度计算平均值，选取前20种vocs物种输入模型。
21、s2.2，mcm机理文件提取。根据官网(https://mcm.york.ac.uk/mcm/)export栏中搜索nox和相应的vocs物种，提取机理文件至usr/atchem2/mcm文件。
22、s2.3，制作前体物浓度变化文件。根据aermod预测前体物浓度制作1小时分辨率的前体物浓度变化文件。
23、s2.4，模型运行参数文件设置。进入usr/atchem2/model/configuration文件夹下的model.parameters文件，设置模型运行步长、预测地点经纬度及日期。
24、s2.5，模型环境变量文件设置。进入usr/atchem2/model/configuration文件夹下的environmentvariables.config文件，设置环境变量，包括温度temp、湿度rh、气压press。
25、s2.6，模型输出物种设置。进入usr/atchem2/model/configuration文件夹下的outputspecies.config文件，输入待预测对象为o3。进入outputrate.config文件，设置输出小时反应速率物种为o3、no2、no、oh。
26、s2.7，设置限制前体物物种。进入usr/atchem2/model/configuration文件夹下的speciesconstrained文件，输入需限制的前体物名称。
27、s2.8，设置限制光解速率物种。进入usr/atchem2/model/configuration文件夹下的photolysisconstrained.config文件，输入需限制光解速率的前体物名称。
28、s2.9，环境与前体物限制文件输入，分别进入usr/atchem2/model/constr-aint s下的environment、photolysis和species文件夹，输入制作好的限制文件。
29、s2.10，编译模型反应机理并运行模型。
30、s2.11，o3模拟浓度拟合。将模型模拟o3浓度与观测值拟合，通过调整模拟时段光解修改因子及vocs物种光解速率，提高模型模拟准确率，完成atchem盒子模型优化。
31、特别地，步骤s2.2所述的mcm机理文件提取，勾选include inorganic reactions，include generic rate coefficients以及勾选输出文件格式为facsimile。
32、特别地，步骤s2.3所述的制作前体物浓度变化文件时间单位应以模型设置步长为单位s，文件时间应为模型识别utm时间，与北京时间相差8小时，模型开始时间0s为北京时间8时，北京时间8时之前则用负数表示，即时间列从-28000s开始按3600s递增。
33、特别地，步骤s2.4所述的模型环境变量设置中，对于获取的气象文件中的温度、湿度和气压信息可直接应用于模型，制作成小时分辨率时间变化文件。environmentvariables.config文件中环境变量相应行后改为constrained。什么参数修改设置为condtrained。
34、特别地，步骤s2.4所述的模型环境变量设置中，若environmentvariables.config文件中rh设置为constrained，则其下一行h2o后必须设置为calc。
35、特别地，步骤s2.4所述的模型环境变量设置中，太阳倾角(del)默认0.41，光解速率调整因子(jfac)默认为0.41，可根据当日(具体监测光解速率)具体情况修改。
36、特别地，步骤s2.4所述的模型环境变量设置中，光解开关(roof)必须设置为open；边界层高度(blheight)、稀释速率(dilute)、气溶胶表面积(asa)均设置为默认值notused，当模型考虑非化学过程，如化合物沉积、化学物质稀释和非均相化学反应时可改为constrained，并设置相应时间变化文件输入。
37、特别地，步骤s2.6所述的o3、no2、no、oh输出小时反应速率物种设置中，输出结果可用作臭氧敏感性分析。
38、特别地，步骤s2.7所述的限制物种名称应与搜索cas编号并输入mcm提取机理中物种名称相对应。
39、s3.耦合aermod大气扩散模型与atchem盒子模型进行臭氧浓度预测，包括如下步骤：
40、s3.1，预测日期气象文件提取。利用wrf气象预测模型获取待预测时段相应高空与地面气象文件。
41、s3.2，优化aermod模型运行。按上述步骤s2—s6设置并运行aermod模型，获得前体物小时浓度变化文件。
42、s3.3，aermod模拟结果格式化。提取aermod输出气象文件以及前体物浓度变化文件相应数据，整理为atchem盒子模型输入文件格式。
43、s3.4，优化atchem盒子模型运行。按上述步骤s8—s16设置并运行模型，完成耦合模拟，获得受体点臭氧浓度。
44、特别地，步骤s3.3中，气象文件中提取温度、气压和湿度参数，按步骤s2.5编制成文本文档格式(.txt)文件。
45、特别地，步骤s3.3中，提取nox小时浓度，编制文本文档(.txt)文件。
46、特别地，步骤s3.3中，提取平均浓度前20种vocs物种浓度，编制文本文档(.txt)文件。
47、特别地，步骤s3.3中，atchem盒子模型实际运行环境为linux系统，若从其他系统导入输入文件需删除后缀名“.txt”。
48、本发明的第二个方面涉及耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测装置，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现本发明的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法。
49、本发明的第三个方面涉及一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现本发明的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法。
50、本发明通过大气扩散模型与盒子模型的耦合，显著提高臭氧浓度预测效率，减轻了三维模型法复杂气象数据的获取压力以及化学盒子模型观测法vocs前体物组分测量压力。
51、本发明的优点是：耦合了aermod大气扩散模型对臭氧前体物的扩散模拟和基于atchem盒子模型的臭氧化学过程模拟，建立了从前体物源排放到臭氧污染形成的全过程模拟，实现了工业园区小尺度臭氧浓度预测。
1.耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，其特征在于，步骤s1.2运行aermet过程中地面数据栏气象站点号若未知则输入99999，风速计高度固定为10m，与当地标准时差设置为0；高空数据栏气象站点号若未知则输入99999，与当地标准时差设置为-8。
3.如权利要求1所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，其特征在于，步骤s1.2土地利用数据栏中选择使用自定义地表特性参数，频次选择按季节；土壤条件根据实际情况选择干燥、平均或潮湿；扇区选择12扇区。
4.如权利要求1所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，其特征在于，步骤s1.2土地利用数据栏中地表粗糙度列表利用python自动化工具收集并设置各扇区土地类别为水体、城市、耕地等类型；将收集的土地信息输入excel计算工具表格获得反照率、鲍恩比和表面粗糙度参数输入至场地特性参数列表。
5.如权利要求1所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，其特征在于，步骤s1.7取得与观测值接近的模拟值时，则认为aermod模型优化完成，可应用于本地的臭氧前体物预测工作。
6.如权利要求1所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，其特征在于，步骤s2.2所述的mcm机理文件提取，勾选include inorganicreactions，include generic rate coefficients以及勾选输出文件格式为facsimile。
7.如权利要求1所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，其特征在于，步骤s2.4所述的模型环境变量设置中，对于获取的气象文件中的温度、湿度和气压信息可直接应用于模型，制作成小时分辨率时间变化文件；environmentvariables.config文件中环境变量相应行后改为constrained；若environmentvariables.config文件中rh设置为constrained，则其下一行h2o后必须设置为calc；太阳倾角(del)默认0.41，光解速率调整因子(jfac)默认为0.41，可根据当日(具体监测光解速率)具体情况修改；光解开关(roof)必须设置为open；边界层高度(blheight)、稀释速率(dilute)、气溶胶表面积(asa)均设置为默认值notused，当模型考虑非化学过程，如化合物沉积、化学物质稀释和非均相化学反应时可改为constrained，并设置相应时间变化文件输入。
8.如权利要求1所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法，其特征在于，步骤s3.3中，气象文件中提取温度、气压和湿度参数，按步骤s12编制成文本文档格式(.txt)文件；提取nox小时浓度，编制文本文档(.txt)文件；提取平均浓度前20种vocs物种浓度，编制文本文档(.txt)文件；并且atchem盒子模型实际运行环境为linux系统，若从其他系统(windows)导入输入文件需删除后缀名“.txt”。
9.耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测装置，其特征在于，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器中存储有可执行代码，所述一个或多个处理器执行所述可执行代码时，用于实现权利要求1-8中任一项所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，其上存储有程序，该程序被处理器执行时，实现权利要求1-8中任一项所述的耦合扩散模型与零维化学盒子模型的工业园区臭氧浓度模拟预测方法。
