[发明专利]一种基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法

权利要求书

1.一种基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集研究区域内的观测数据；

步骤2：利用3Dvar同化方法对污染物观测数据进行初始场同化，得到二氧化硫浓度分析场；

步骤3：将所述二氧化硫浓度分析场作为化学初始场，基于大气化学模式进行预报；

步骤4：基于四维变分目标泛函的公式建立4Dvar同化系统；

所述四维变分目标泛函的公式如下：

其中，x₀为同化系统中的状态变量，x_0.b是背景场，B是背景误差协方差；y_i是观测变量，i代表时刻，n为同化时间窗口，R_i为观测误差协方差；H_i为观测算子；M_0,i为模式操作算子，用于将x₀向下一时刻积分，计算出i时刻的结果，T代表向量转置；

步骤5：利用所述4Dvar同化系统对二氧化硫地面观测资料进行同化，将3Dvar同化后的初始场作为背景场，大气化学模式模拟的物理化学变量作为参数输入所述4Dvar同化系统，得到同化后的二氧化硫排放源。

2.根据权利要求1所述的基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法，其特征在于，观测数据包括污染物观测数据、气象再分析资料和先验排放源数据。

3.根据权利要求1所述的基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法，其特征在于，步骤2中采用3Dvar方法先对二氧化硫初始场进行同化。

4.根据权利要求1所述的基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法，其特征在于，步骤3中将3Dvar方法同化后的二氧化硫分析场作为化学初始场进行预报，将预报结果作为参数输入到所述4Dvar同化系统中。

5.根据权利要求1所述的基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法，其特征在于，步骤4中将二氧化硫排放源作为状态变量x₀。

6.根据权利要求1所述的基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法，其特征在于，步骤4中，模式操作算子包含如下物理化学过程：

扩散过程，其质量守恒方程可以表示为：

其中，C是干空气质量，V是x,y,z方向的风速(u，v，w)；

排放过程，将二氧化硫排放到大气中并转化为二氧化硫浓度，具体公式如下：

其中，C_emi为二氧化硫排放造成的浓度增加量，E是排放强度，V_m＝22.4×10^-3m^-3，ρ是实际空气密度，ρ_air＝1.29kg m^-3，ΔS是单位面积,dz为模式高度；

干沉降过程，用如下公式表示：

C_dry＝-v_d×C

其中，C_dry为干沉降造成的二氧化硫浓度的沉降量，v_d为沉降速度，C为沉降前的二氧化硫浓度；

湿沉降过程，包括云内清除和云下清除，湿清除的公式为：

C_wet＝C×e^-Λdt

C_wet为湿清除过程造成的二氧化硫浓度改变量，Λ为二氧化硫的损失率；

二氧化硫化学反应过程，包括二氧化硫的氧化反应、液相反应和非均相反应。

7.根据权利要求6所述的基于四维变分同化的二氧化硫排放源反演方法，其特征在于，在4Dvar程序中采用了三对角线求解来对垂直混混合过程进行求解。