[发明专利]一种化学危害同化系统

权利要求书

1.一种化学危害同化系统，其特征在于，包括：释放信息估算模块、气象场模块、浓度预测模块、观测数据处理模块、数据同化模块、结果分析和显示模块；

释放信息估算模块，用于为预测模型提供气溶胶云团初始的源强信息，如果通过可靠信息获取释放信息数据，则直接代入其他模块进行预测；如果无法准确获取释放源项信息，则根据监测到的危害浓度数据，通过遗传算法进行数据的同化反演，得到释放初始状态信息，所述初始状态信息包括释放源位置、释放总量和释放率；

气象场模块，用于获取相关的气象场信息，进行风场诊断，得出危害区域内各点的气象信息，并送至浓度预测模块；所述气象场信息包括风向、风速、降雨和温度；

浓度预测模块，用于危害扩散的预测估算，根据释放信息估算模块和气象场模块提供的释放初始状态信息和气象场信息，对扩散参数进行估算，进而得到未来时刻各位置的危害浓度预测值，并传输至数据同化模块；

观测数据处理模块，用于对各监测点获取的监测浓度数据和气象数据进行处理，通过划分时间窗口，将不同时刻的监测浓度值进行归一化处理，组成观测矩阵；

数据同化模块，用于对预测的浓度值和监测的浓度数据进行综合处理，提高浓度预测模块的预测精度；根据浓度预测模块得到的未来不同时刻各个监测点浓度预测值，采用化学危害变分同化基础模型、化学危害变分同化梯度函数和释放信息初始状态分析值模型，将未来不同时刻各个监测点浓度预测值与各监测点对应时刻的观测矩阵进行同化迭代，得到误差最小化时的释放信息初始状态分析值；

结果分析和显示模块，用于分析结果误差，并输出显示，根据数据同化模块求得的释放初始状态信息、背景误差协方差矩阵、观测误差协方差矩阵、扩散参数和观测算子，对各个区域的预测误差进行分析，得到当前时刻和未来时间段内的危害浓度分布和变化趋势。

2.根据权利要求1所述的化学危害同化系统，其特征在于：所述数据同化模块中，所述构建化学危害变分同化基础模型如下：

其中，表示t_i时刻的观测值；指由模式算子由t₀时刻积分到t_i时刻的模式变量；表示将预报模式从t₀时刻积分到t_i时刻的模式预报算子；指将t_i时刻的模式变量经观测算子H_i映射得到得观测场；δx＝x₀-x_b，为分析增量，x_b为模型背景场；R为观测误差协方差矩阵；对于各个观测系统来说，不同位置上的观测误差在统计上是相互独立的，将R简化为对角矩阵；B是背景误差协方差矩阵；

其中，ε_b为背景误差，ε_b＝x^true-x_b，x^true为背景真值。

3.根据权利要求1所述的化学危害同化系统，其特征在于：所述数据同化模块中，化学危害变分同化梯度函数如下：

对标量函数J关于自变量x求导，得到其梯度函数：

其中，x为需要求解的状态参量；x_b为模型背景场，由高斯扩散模型输出的参量组成；B是背景误差协方差矩阵；y为观测场数据；H是观测算子，是将观测场数据的类型映射到与状态量相一致；R为观测误差协方差矩阵。

4.根据权利要求1所述的化学危害同化系统，其特征在于：所述数据同化模块中，释放信息初始状态分析值模型如下：

x_a＝x_b+(B^-1+H^TR^-1H)^-1H^TR^-1(y-H(x_b))

其中，x_a为初始状态分析值；x_b是模型的背景场；y为观测场数据。