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源解析模型

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CAS-HERM源解析模型

发布时间:2017-11-06 16:12:38

        CAS-HERM软件采用的模型,是在PMF和CMB受体模型的基础上,由中国科学院地球环境研究所建立的一种改进的大气污染物源解析模型。该源解析模型综合了CMB模型和PMF模型的算法特征,可以模拟源谱已知、源谱未知及源谱部分已知的三种情况,最终确定污染源类型及其贡献。其模型基本原理如下:


        假设X为n×m矩阵,n为样品数,m为化学组分数目,那么X可以分解为矩阵G和矩阵F,其中G为n×p的排放源源贡献矩阵,F为p×m的污染源成分谱矩阵,p为主要污染源的数目。同其他源解析软件一样,满足质量守恒定律定:

X=GF+E


        式中,E为残差矩阵,表示X与GF之间存在的差异。


        CAS-HERM模型算法是使目标函数X2即总方差最小化,来获得最优解,X2定义为:


cas1.png

        其中K是样本个数,I是组分个数,J是源个数,Cik是环境浓度,Fij是源谱,Sjk是源贡献度,EVik是环境数据和源谱数据的不确定度。该模型可以在保留已知确定源谱信息的基础上,推断其他源排放信息。另外CAS-HERM较于PMF在目标函数中不仅考虑到受体样品的不确定度,还额外考虑到了源谱的不确定度,其中σCik是环境数据的不确定度,σFij是源谱不确定度,以提高源解析结果的最优解的准确性和精确性。


        CAS-HERM模型在受体成分谱已知的情况下,结合个排放源的标识物和运算结果,推断排放源类型及其对受体的贡献。其中在不考虑σFij的情况下,如果排放源源谱Fij全部已知,则等同于CMB模型;如源谱Fij全部未知,则等同于PMF模型。相对比其他常规源解析模型,CAS-HERM模型既可以根据研究区域的实际情况,直接确定因子数目,也可以在确定部分因子数目的情况下,通过多次运行软件,根据分析结果和误差, X2值以及改变因子数目时X2值得相对变化等,确定合理的因子数目。


        CAS-HERM软件界面清楚,操作方式通俗易懂,应用软件主要包含以下步骤:

        (1)样品数据(浓度及不确定度)的输入;(2)排放源源谱数据(百分比及不确定度)的输入;(3)输入数据的分析;(4)模型的运行;(5)定量解析源贡献。


        CAS HERM软件较于传统受体模型CMB和PMF的优势在于,可以在源谱部分已知的情况下,尽可能保留已知信息,提高未知信息推断的准确性,即可以在保留已知确定的源谱信息的基础上,推断其他源排放信息源解析结果的可靠性。


        CAS-HERM模型虽然只要求在已知受体成分谱的情况下分析,对源谱的要求限制较宽,但是其结果仍然需要对研究的各地区当地的排放特征有详细的调查和了解,要经常分析检测源样品和受体样品,不断更新模型中采用的各污染源的排放源谱。另外将混合源带入模型中进行运算时会出现不合理的结果,也可能产生无法解释的负值,额外设置的因子并不一定直接可以得到合理的结果,需要进行多次运算才能得到理想的结果。此外,该模型无法真实给出二次气溶胶的贡献,需要与其它模型配合使用,才能对SOA的贡献做进一步的分析。


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