一种微生物气溶胶大气扩散危害评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种生物危害评估可视化方法，具体涉及一种微生物气溶胶大气扩散 危害评估方法。
【背景技术】
[0002] 在发生蓄意施放微生物气溶胶或者事故导致微生物气溶胶泄露的事件后，迅速 预判微生物气溶胶云团随大气扩散的趋势、污染区域范围、地面污染浓度等级，预评估可 能造成的感染人数及死亡人数等对制定合理有效的应急响应措施具有至关重要的指导意 义。美军野战手册中介绍了使用梯形法快速划定生物战剂气溶胶污染区域的方法，用于战 时使用。中国专利申请"CN101894353A -种突发生物事件现场危害评估模拟系统"同样采 用梯形法计算微生物气溶胶大气扩散后的污染区域。中国专利"CN102254088B -种基于 谷歌地图的生物危害评估可视化方法"采用伯努利曲线函数作为模拟突发生物危害事件微 生物气溶胶大气扩散的模型；文献：Meselson M, Guillemin J, Hugh-Jones M，et al. The Sverdlovsk Anthrax Outbreak of 1979[J]· Science，1994,266(5188) :1202-1208.利 用高斯烟羽模型对1979年前苏联斯维尔德洛夫斯克炭疽泄漏事件进行分析。文献:Wein LM, Craft DL, Kaplan EH. Emergency Response to Anthrax Attack[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences，2003,100 (7) :4346-4351.同样使用高斯烟羽模型对 一起假想的炭疽芽孢杆菌气溶胶生物恐怖袭击的污染区域进行划定并进而进行危害评估。 梯形法、伯努利曲线函数法、高斯烟羽模型是目前进行微生物气溶胶大气扩散污染区域划 定较常采用的三种方法，这三种方法不需考虑地形地貌因素，对天气因素也仅需要风速、风 向、大气稳定度等几个基本参数，计算简单，使用方便。无论突发事件发生于何时、何处，均 可采用这三种方法快速进行污染区域划定。
[0003] 微生物气溶胶大气扩散是个复杂的过程，不仅包含微生物气溶胶云团在大气中的 输送、扩散、沉降等过程，还包含微生物的存活过程，整个过程受天气因素如风速、风向、温 度、相对湿度、紫外线强度等，下垫面因素如土地利用类型、地形高度等，微生物自身因素如 气溶胶形式、粒子大小、微生物衰亡等众多因素的影响。其中，风向、风速是影响微生物气溶 胶云团大气扩散方向、扩散范围及地面浓度的最重要因素。然而，由于地表的地理特征、地 形高度、土地利用不一致等原因，导致形成局地风场或局地环流，如海边、山谷、城市等地带 通常会形成海陆风、山谷风、城市热岛环流等。风场除了局地差异外，在微生物气溶胶扩散 时间内，整体风向通常不是稳定的一个方向，中间甚至可能出现完全翻转，如北转南风等， 这些风场因素都直接影响微生物气溶胶云团的扩散方向及扩散范围。其他影响微生物气溶 胶大气扩散的天气因素还包括温度、相对湿度、紫外线强度等，这些天气因素在局地也存在 差异。
[0004] 上文中所述三种微生物气溶胶污染区域划定方法都是基于经验的方法，计算简 单、使用方便，在事件发生后获取必要的数据资料即可立即展开，时效性较好。另外，因为无 须考虑突发事件发生地点的特异地形、地貌等数据，因此具有良好的通用性。但上述三种方 法良好的时效性和通用性是以牺牲准确性为代价的，具体的说，上述三种方法存在如下主 要缺陷：
[0005] (1)对风场数据的使用上过于简化，均设定为突发事件发生地点的风向、风速，没 有考虑风场随空间的变化，难以精确描述复杂地形条件下的微生物气溶胶大气扩散模式。
[0006] (2)均没有考虑风场随时间的变化，对微生物气溶胶大气扩散态势的预评估能力 不足。
【发明内容】
[0007] 基于以上所述三种污染区域划定方法存在的缺陷，本发明的目的是提出一种时效 性强、基于高时空解析度天气场数据的微生物气溶胶大气扩散污染区域预测与人员杀伤效 应预评估方法，为科学有效应急处置蓄意施放致病微生物气溶胶恐怖袭击事件和微生物气 溶胶泄漏事件提供决策和技术支持。
[0008] 本发明提供了一种微生物气溶胶大气扩散危害评估方法，所述方法包括以下步 骤：
[0009] 步骤1 :针对所关注的地区建立自动化数值天气预报业务系统获得天气数据； [0010] 步骤2 :结合天气数据和微生物病原体气溶胶施放信息模拟获得微生物气溶胶大 气扩散态势；
[0011] 步骤3 :绘制微生物气溶胶在施放后不同时间的扩散态势预判微生物气溶胶污染 区域及浓度分布；
[0012] 步骤4 :评估每日可能感染人数及死亡人数；
[0013] (1)收集所关注地区的人口数据；
[0014] (2)利用公式1计算污染区域中人群吸入致病微生物病原体数；
[0015] 公式 1:
[0016] 其中，D (t)为致病微生物病原体吸入剂量，单位：致病微生物病原体数；
[0017] C(t)为气溶胶浓度，单位：g/m3;
[0018] P为致病微生物病原体密度，单位：致病微生物病原体数/g ;
[0019] b为呼吸速率，单位：m3/min ;
[0020] Pb为建筑物保护因子；
[0021] t为时间，单位min ;
[0022] (3)结合微生物病原体剂量反应关系，计算污染区域中人群感染概率；
[0023] (4)结合微生物疾病进程模型，预评估事件发生后每日可能发病病例数及每日可 能死亡病例数。
[0024] 可选的，通过WRF中尺度数值天气模式或MM5模式建立自动化数值天气预报系统 获得天气数据。
[0025] WRF (Weather Research and Forecasting):是由美国国家大气研究中心 (National Center for Atmospheric Research，NCAR)、NOAA 国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP)、国家天气预报系统实验室（Forecast Systems Laboratory，FSL)等机构联合开发的新一代中尺度数值天气模式。该模式采用完 全可压缩非静力模式，控制方程组为通量形势，网格形式采用Arakawa C格点。WRF模式包 含一整套完整的物理过程，如辐射过程、对流参数化过程、微物理过程、次网格湍流扩散过 程等，具有可移植、易维护、可扩充、高效率等诸多特性，已在国际上广泛应用于数值天气模 拟与预报。
[0026] 可选的，于每日零时自动下载美国国家环境预报中心48小时GFS (Global Forecast System)数值天气预报场资料，作为WRF中尺度数值或MM5模式天气预报系统的 天气背景场资料，运行WRF模式或MM5模式，对所关注的地区进行数值天气预报获得天气数 据。
[0027] 可选的，所述天气数据包括：风场数据、温度场数据和相对湿度场数据。
[0028] 可选的，所述微生物病原体气溶胶施放信息包括释放时间、微生物种类、施放地 点、施放点高度、微生物样式、密度、释放剂量。
[0029] 可选的，在步骤2中利用FLEXPART-WRF耦合模式模拟微生物气溶胶大气扩散。
[0030] 其中，FLEXPART是由挪威大气研究所（Norwegian Institute for Air Research， NILU)开发的一种拉格朗日粒子扩散模式。它通过计算点、线、面或体积源释放的大量粒 子的轨迹，来描述示踪物在大气中长距离传输、扩散、干湿沉降和辐射衰减等过程。该模式 可以通过时间的前向运算来模拟示踪物由源区向周围的扩散，也可以通过后向运算来确 定对于固定站点有影响的潜在源区的分布，尤其当研究区域内观测站点数量少于排放源 数量时，后向运算更具有优势。FLEXPART模式的核心内容是研究大气污染物的源汇关系 (Source-receptor relationship):污染排放为"源"，观测站点为受体，类似于"汇"。通过 研究污染物的水平输送、扩散、对流、干、湿沉降、辐射衰减和一阶化学反应等过程，可以得 到随时间序列变化的格点污染浓度或格点驻留时间。
[0031] 可选的，WRF数值天气预报系统参数如表1所示：
[0032] 表 1
[0033]
LlN 丄UOldS/10 A I ^ 4/5 }J^
[0034] 可选的，所述人口数据包括人口地理分布数据，人口年龄结构数据，人口性别数 据。所述人口数据可以利用LandScan全球人口地理分布数据及人口普查数据为基础。
[0035] 可选的，所述微生物为病原体选自炭疽芽孢杆菌、土拉热弗朗西斯菌、鼠疫耶尔森 菌、贝氏立克次体中的至少一种。
[0036] 可选的，所述微生物病原体为炭疽杆菌。
[0037] 可选的，所述剂量反应关系计算公式如公式2所示：
[0038] 公式 2 :P (s，a) = Φ ( α + β log s+γ a+δ a2)
[0039] 其中：α = -9· 733, β = I. 025, γ = -0· 016, δ = 〇· 〇〇6，P(s, a)表示吸入炭疽 杆菌孢子数为s的年龄为a的个体感染吸入性炭疽的概率。
[0040] 本发明所述评估方法的流程如图1所示。
[0041] 与现有技术相比，本发明所提供的方法引入数值天气预报，充分考虑所关注地区 影响微生物气溶胶云团大气扩散的天气场的时空变化，提高了对污染区域预评估的可信 性。以LandScan全球人口地理分布数据及人口普查数据为基础，充分结合微生物生物学、 流行病学特性等进行人员杀伤效应评估，提高了预评估的准确性，并对事件发生后每日可 能发病人数及死亡人数进行预判，可为决策者及应急响应人员提供决策支持。与现有技术 相比，本发明在提高微生物气溶胶大气扩散危害评估计算精度及可信性的基础上，时效性 仍然能够满足应急相应的时间需求。同时，本发明具有较强的通用性，通过更换相应数据及 参数，即可实现对其他地区、其他种类微生物气溶胶大气扩散的危害评估。
【附图说明】
[0042] 图1为本发明所述评估方法的流程。
[0043] 图2为自动化WRF数值天气预报系统运行流程。
[0044] 图3为北京地区某日数值天气预报结果：
[0045] (a)为（a) 10米高度风场；(b)为2米高度温度场；（c)为250米高度相对湿度场； (d)海平面气压场。
[0046] 图4为炭疽芽孢杆菌气溶胶大气扩散态势：
[0047] (a) 1小时扩散态势；(b) 4小时扩散态势；（c) 8小时扩散态；（d) 12小时扩散态势。
[0048] 图5为L