基于MATLAB的风向和天气条件下污染物扩散模拟与可视化系统

摘要：随着城市化进程的加速，空气污染问题日益严重，尤其是由多种污染源引起的污染物扩散对环境和人类健康的影响。为了更好地预测和评估污染物在不同气象条件下的扩散情况，本文提出了一种基于风速、风向和天气条件的污染物扩散模拟方法，并通过MATLAB图形用户界面（GUI）实现了可视化展示。该方法采用连续污染源模型，通过计算污染源与各网格点的距离和方向，结合风场和天气因素，估算污染物的浓度分布。污染物浓度的计算基于污染源的强度、风向和风速，同时考虑天气条件对污染物扩散的修正作用。

项目概述

随着城市化进程的加快，空气污染已成为全球性问题，尤其是由多源污染源引起的污染物扩散问题，直接影响着环境质量与人类健康。为了准确模拟和预测污染物在复杂气象条件下的扩散过程，本文提出了一种基于风速、风向和天气条件的污染物扩散浓度模拟方法，并通过MATLAB图形用户界面（GUI）进行可视化实现。

采用连续污染源模型，对不同区域内多个污染源的污染物扩散进行模拟。模型考虑了风速、风向以及天气因素对污染物扩散的影响，利用污染源与网格点之间的距离和方向关系，结合风场信息和污染源的强度，计算每个网格点的污染物浓度。此外，天气条件对污染物扩散的修正作用通过特定的系数进行调整，以提高模拟结果的准确性。

开发了一个基于MATLAB的GUI界面，用户可以通过该界面交互式地设置风速、风向、天气类型等参数，并实时查看污染物浓度的变化情况。通过污染物浓度的可视化图，能够直观地展示不同区域和不同条件下污染物的扩散趋势，为环境监测和决策提供科学依据。

实验结果表明，所提出的污染物扩散模型能够有效模拟污染物在不同气象条件下的分布情况，并且具备较高的计算效率与可操作性。最后，本文还对该方法的应用前景与进一步优化方向进行了探讨。

系统设计

本系统基于MATLAB图形用户界面（GUI）实现，通过输入风速、风向、天气条件等参数，模拟和可视化多源污染物在不同气象条件下的扩散浓度，帮助用户直观分析污染物的空间分布和控制效果。

图1 系统整体流程图

硬件配置

该系统硬件配置如上，如果您的电脑配置低于下述规格，运行速度可能会与本系统的存在差异，请注意。

表1 惠普(HP)暗影精灵10台式整机配置(系统硬件配置)

软件环境

对本实验所需的各类软件及工具的基本信息进行了清晰汇总。

表2 系统软件配置(真实运行环境)

运行展示

运行ourGUI.m

图2 主界面展示

系统主界面展示了风向、风速、天气、污染源及治理措施等全部可调参数，为污染物扩散模拟提供完整交互入口。

图3 污染源为高新区时的污染物扩散浓度图

高新区作为主要污染源时，污染物在东北风作用下向下风向迅速扩散，形成明显的高浓度梯度区域。

图4 经开区为污染源时的扩散浓度分布

当经开区污染强度增大时，污染物呈同心扩散分布，周边区域浓度明显提升，风场影响扩散方向。

图5 小寨为污染源时的扩散浓度分布

小寨污染源强度较高时，在强风条件下污染物迅速稀释，但近源区浓度仍保持较高值。

图6 兴庆区污染源扩散在阴阴天气下的浓度图

阴阴天气降低扩散能力，使兴庆区污染物积聚更加明显，近区污染浓度显著升高。