《随机游走大气扩散》软件需求说明书

1、随机游走大气扩散软件软件需求说明书2009年11月随机游走大气扩散软件系统设计方案第1页共43页目录TOC o 1-5 h z1、引言2 HYPERLINK l bookmark2 1.1总体技术要求2 HYPERLINK l bookmark4 1.2软件系统目标2 HYPERLINK l bookmark6 1.3系统术语定义表22、软件模块功能要求4 HYPERLINK l bookmark8 2.1数值模式模块功能需求4 HYPERLINK l bookmark10 2.2诊断模式模块功能要求5 HYPERLINK l bookmark16 2.3反演矫正模块功能要求：63、模块具体技

2、术指标6 HYPERLINK l bookmark18 3.1数值模式模块具体技术指标6 HYPERLINK l bookmark20 3.1.1流场模式6 HYPERLINK l bookmark24 3.1.2扩散模式模块具体技术指标83.2诊断模式模块具体技术指标8 HYPERLINK l bookmark26 3.2.1流场的诊断模式8 HYPERLINK l bookmark28 3.2.2浓度场的诊断模式9 HYPERLINK l bookmark30 3.3浓度反演模式模块指标94、接口设计要求9 HYPERLINK l bookmark32 4.1外部接口技术指标10 HYPE

3、RLINK l bookmark40 4.2内部接口技术指标125、软件成果提交要求14随机游走大气扩散软件技术指标中国安全生产科学研究院第 页共18页1、引言总体技术要求以现有的北京大学大气环境模式(PekingUniversityModelofAtmosphericevironment,PUMA)为基础，根据大气本身随机扩散的特点，建立科学的随机游走大气扩散模型。随机游走大气扩散模型能够较好的模拟空气污染事故发生条件下的大气扩散过程，可作为空气扩散事故应急决策系统的一个大气扩散模块，为事故的早期应急和后期后果评价提供更接近实际的信息。本软件包括了随机游走大气扩散软件相关的模式计算(包括流场

4、模式、扩散模式)设计，动态格网设计，不同精度计算数据的交互与结合，以及流场、扩散场计算数据的获取等多方面的内容。软件系统目标随机游走大气扩散软件将建立水平范围为几公里和几百米两种尺度区域，在各类地表状态和各类气象条件下，以大气流场的数值计算模式、诊断模式以及污染物的随机游走扩散模式为基础，在空气污染突发事件中，实时的计算出空气污染物的浓度分布和演变，为事故应急、响应、指挥提供决策支持作用。系统术语定义表缩写、术语解释UBL气象数据模块浓度计算模块输入的气象数据是经过UBL模块处理的MM5模式预测气象数据.UBL（城市边界层）模块根据贵阳城市地形和地表状态而形成的城市边界层风廓线特征，将MM5气

5、象数据调整成适用于课题边界层中的气象场，冋时计算出垂直运动速度w以及垂直和水平扩散系数，做为浓度计算模块的输入数据，其模块结构图如下：/帥形数幄亠/土地类型数据屮/XIXI5气家数据a/VUBL控制模块心1垂直遠度计算模块屮1F扩散系数计算模块d*/输出UBL气家数据亠/V浓度计算模块P+图5.2UBL模块流程图冠层模式冠层模式是在UBL气象数据模块计算的基础上，综合考虑了城市建筑物或树冠对气象影响后的流场计算模式。街道尺度模式水平分辨率1-5m，范围在100m*100m,此模式可模拟建筑物、建筑群引起的流场扰动。质点模式质点模式主要特点是在处理单点源扩散问题时，在计算速度上的优势。烟团模式烟

6、团模式可以实现各类地形、地表、建筑群的修正，而且计算速度快。诊断模式处理单点源扩散问题时，在计算速度上有优势浓度反演模式浓度反演模式是根据诊断浓度场反算事故源的位置和强度，并对计算的浓度作出修正。随机游走大气扩散软件技术指标中国安全生产科学研究院2、软件模块功能要求随机游走大气扩散软件系统模块包括了,数值模式模块、诊断模式模块和反演模式模块三部分。数值模式模块功能需求数值模式运行流程,首先由气象站获取风向与风速等气象数据,通过数据交换机制共享到模式运算平台中。其次使用冠层模式或街道尺模式计算生成流场数据,流场数据中包含三维风矢量、湿度与湍流能量。流场数据生成完毕，调用随机游走模式接口输入位置、

7、强度等事故源数据进行计算，可得到浓度与时间演算结果等最终扩散场数据。第4页共18页随机游走大气扩散软件技术指标中国安全生产科学研究院页1第 页共18页图1：数值模式流程结构图2.2诊断模式模块功能要求诊断模式运算需要首先先采集多个气象站点的风向与风速等观测数据，通过数据交换机制汇总到模式计算平台中，通过诊断流畅模式计算，生成三维风矢量数据。三维风数据可与位置、强度、持续时间等数据通过随机游走模式计算成最终扩散场数据。随机游走模式diffusionmodel事故源数据、|位强持续时2008-8-6图2：诊断模式流程结构图随机游走大气扩散软件技术指标中国安全生产科学研究院第 页共18页反演矫正模块

8、功能要求：以上两种模式所产生的最终结果，可通过浓度反演模式进行计算，根据计算结果进行反演矫正，最终得到矫正后的扩散场数据。页1图3：反演模式结构流程图3、模块具体技术指标数值模式模块具体技术指标3.1.1流场模式在本系统中计算流场采用街道尺度模式和冠层模式冠层模式冠层是指树冠或城市建筑物影响的大气层（UrbanCanopyLayer,UCL）。这类模式应能反映树林和建筑群对流场的影响，地表类型（植被、建筑物、道路、水体等）不同产生的地表温度差异及响应的热力环流（如热岛环流），地形起伏引起的环流（如绕流、阻塞、背风涡等）。冠层模式计算的水平范围为110km,水平分辨率（水平格距）为1050m,通

9、常用于模拟城市小区、小城镇、小尺度地形的流场。街道尺度模式水平分辨率15m,模拟水平范围为102m.此模式可模拟建筑物、建筑群引起的流场扰动，如绕流、尾流区、狭道流、屋顶急流等。不同于一般商业CFD软件之处为，此模式可计算城市各几何面（墙面、路面、屋顶、绿地等）的热力状态，即由于各表面热平衡差异所产生的温度差异以及相应的热力环流。在某些大气条件下，热环流可能对整体流场有明显影响。流畅模式的嵌套冠层模式在系统中设设定了6X6km评价区域为区域A,其流场计算采用冠层模式为模式A,网格距为50M；街道尺度模式包括500X500m评价区域为B,采用街道尺度模式为模式B网格距为2m。粗网格模式A与细网格

10、模式B的嵌套采用单向嵌套，即将A计算出的流场作为模式B的初条件和边条件计算区域B流场。这样可保持在区域A、B的连接处流场和浓度场的光滑性。利用模式A模拟整个评价区在典型气象条件下的温度场结构（大气稳定度）,主要包括下列气象条件：a）,不稳定大气层结：晴朗白天；b）,中性大气层结：阴雨天、大风、早晨或傍晚层结转换期c）,稳定大气层结：晴朗夜间。结合气象观测到的气象数据确定评价区的大气稳定度分类，并建立各类稳定度分类下的温度场数据库。区域A地理信息区域A温度场图3-1：建立评价区温度场数据库3.1.2扩散模式浓度场的计算有三种方法：扩散方程数值解；质点随机游走模式；烟团模式扩散方程数值模式此方法适

11、合各种尺度、各类地表的扩散问题，包括污染物的化学转化和物理衰减。质点模式处理单点源扩散问题时，在计算速度上有优势。烟团模式Aermod,adms,calpuff,三种美国EPA推荐的烟团模式，可做各类地形、地表、建筑群的修正，计算速度快。扩散模式应用在实际的系统应用中,对于不同的模型,它们在描述污染物扩散、迁移、转化过程的复杂程度有很大的不同,通常,需要根据研究对模型复杂程度的需求来确定模式规模的大小。模式的选择需要在简单性、最小数据需求、最小计算代价（包括运算时间和存储空间）以及模拟结果的有效性等诸多因素之间进行平衡取舍。CALPUFF模型包含详细的算法考虑下垫面条件和城市微气象条件,对这些

12、参数很敏感。因此,在做模型的验证时,应当尽可能选取城市不同区域上的环境监测资料分别与模型模拟值进行比较。诊断模式模块具体技术指标3.2.1流场的诊断模式流场的诊断模式实现方式主要有以下几点：在区域A和B内，设置一定数量的风向风速自动观测站，并将采集的数据实时传递到计算中心。建立包括区域A和B的风场诊断模式建立不同稳定度不同风向条件下的诊断风场数据库确定风廓线的幂指数确定诊断风场和数值计算风场的耦合方案。3.2.2浓度场的诊断模式在区域A和B内设置一定数量的浓度自动检测站，在接到事故报告后能够自动监测，并将监测数据传递到计算中心，建立浓度场诊断模式。浓度反演模式模块指标建立浓度反演模式，根据诊断

13、浓度场反算事故源的位置和强度，并对计算的浓度场作出修正。4、接口设计要求随机游走大气扩散软件的系统接口包括外部接口（与系统外的数据和系统进行交互）和内部接口（与系统内不同的模块进行交互）。图4-1：随机游走大气扩散软件接口流程图4.1外部接口技术指标1、流场模式气象数据获取接口名称、标识符流场模式气象数据获取接口功能描述从气象站（或监测仪）获取相关气象数据的外部接口，输入到流场模式计算模块进行流场模式计算。1、输入端气象站随机游走大气扩散软件技术指标中国安全生产科学研究院第 页共18页气象监测仪器2、接口功能实现输入设备（气象监测站和气象监测仪）计算输出的气象数据通常以文件的格式存在，文件包含

14、了风向、风速、温度差等流场模式计算模块需要的数据。输入设备输出的数据将以数据迁移的方式（如:ftp）定期（最好实时）的专储到指定位置。流场模式计算模块通过输入参数知悉气象数据文件存储的位置，然后会动态监测该位置是否有新的气象数据文件生成，如果有新文件生成，则把该气象数据文件作为流场模式计算模块的计算对象进行计算。优先级高输入输入参数：1、气象数据文件名称（包括路径、文件名、扩展名）2、流场模式类型（冠层模式、街道模式）输入气象观测数据：包括：1、风向；2、风速；3、温度差输入模块扩散场模式计算模块输出包括1、风向；2、风速；3、温度差度量值的格网文件数据，该文件将作为扩散场模式计算模块的输入数

15、据。补充说明无名称、标识符扩散场模式污染源（事故源）获取接口2、扩散场模式污染源数据获取接口名称、标识符扩散场模式污染源（事故源）获取接口功能描述提供污染源（事故源）源强获取接口，把污染源（事故源）源强数据输入到扩散场模式计算模块中进行扩散场模式计算。1、输入端前台系统（如：管理系统）2、接口功能实现管理系统通过管理界面可以输入污染源（事故源）项数据，包括事故源位置、强度、持续时间。管理系统可以调用扩散场模式污染源（事故源）获取接口，该接口会把输入的污染源（事故源）项数据与流场计算的流场数据共冋组成扩散场模式计算模块数据模型进行计算。优先级高输入输入参数：1、事故源项（包括：事故源位置、强度、

16、持续时间）输入模块扩散场模式计算模块输出包括了流场模式流场数据和污染源强数据的扩散场数据模型。补充说明无4.2内部接口技术指标1、流场-扩散场接口名称、标识符流场-扩散场接口功能描述从流场模式计算模型计算输出的流场数据会结合污染源（事故源）强数据，作为扩散场模式计算模块的数据模型进行计算。调用本接口实现了实时从流场模式计算模块获取流场数据，并输入到扩散场模式计算模块的功能。1、输入端流场模式计算模块扩散场模式计算模块2、接口功能实现流场模式计算模型计算输出的流场数据将包括三维数据，风矢量（U,V,W）温度,湍流能量流场。作为输入参数。系统接口将实时获取流场模式计算模块输出的流场数据，结合污染源

17、（事故源）强数据，作为扩散场模式计算模块的数据模型进行计算。优先级高输入输入参数：1、流场数据：三维数据，风矢量（U,V,W）温度,湍流能量流场2、流场模式类型（冠层模式、街道模式）输入模块扩散场模式计算模块输出结合了污染源（事故源）强数据和流量数据的数据模型补充说明无2、扩散场输出接口名称、标识符扩散场输出接口功能描述通过扩散场模式计算模块输出的扩散场数据要用到前端展示系统（GIS）进行展示、分析、计算和决策等操作，为了实现模式计算与前端系统的有机无缝结合，需要把扩散场计算模型输出的数据通过接口功能转换成前端系统可以直接调用的数据格式（如：数组变量）。1、输入端扩散场模式计算模块2、输出端前

18、端展示（GIS）系统2、接口功能实现扩散场模式计算模块计算输出的扩散场数据通常以文件格式存在，这给前端展示系统（GIS）进行数据转换等操作带来了困难。为了解决这个问题，调用该接口可以把输出数据以数组变量形式提供给前端展示系统。优先级高输入输入参数：扩散场模式计算模块输出的空气浓度扩散数据输入模块前端展示系统（GIS系统）输出数组变量形式的空气浓度扩散数据补充说明无5、软件成果提交要求提交的数据成果包括模式、代码、文档资料及支持服务，具体提交成果如下列表：A：模式列表A-011流场模式一一包括冠层模式、街道尺度模式A-022扩散模式包括扩散方程数值模式、质点模式和CalPuff、Aermod,adms、calpuff模式A-033动态格网生成模块完成网格动态生成、动态组合和不同精度网格的数据父互。A-044矢量数据转换模块一一根据数值模式计算结果，实时的把计算得到的流场、扩散场数据转换成可视化的矢量数据（.shp）,供系统使用。A-055反算模式A-066反演矫正模式B：接口及动态链接库B-011流场模式气象数据获取接口）一一从气象站（或监测仪）获取相关气象数据的外部