CN106768080B - 浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同时获得多个大气参数垂直廓线的新方法。基于多种原理、能够同时测量多个参数的测量设备，按照指定的距离间隔固定于浮空器的电缆线上，各测量设备完成所处高度的大气参数测量，并将数据实时传输至地面采集设备，实现多个大气参数实时测量廓线的同步获取。该廓线数据不存在任何假设前提，在为气象和环境治理部门提供常规气象参数和大气污染数据的同时，能够为同地点测量的雷达等地面遥感设备提供标定数据。本发明所研制装备实时性好，自动化程度好，测量精度高，工作稳定，性能可靠。

Description

浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法
技术领域
本发明涉及一种多大气参数(包括气象、污染物和光学参数)的垂直廓线获取新方法，通过测量设备在垂直方向的布设，实现对设备所在位置处大气参数的同步测量，在形成多参数垂直廓线实时测量的同时，为雷达和卫星等遥感设备的反演结果提供标定数据。
背景技术
大气参数的探测是气象和环境保护部门掌握大气状况、进行气象和空气质量预报以及制定相应紧急控制策略所必须的输入参数和参考依据，随着我国对环境治理工作的日益重视，释放探空气球、建造气象塔、雷达遥感和气象卫星等传统大气参数的测量方式面临诸多需要解决的问题。
释放探空球是获取大气参数垂直廓线的传统技术，且至今仍然是大气测量上的常用技术，在气象学发展和天气预报工作中起到了重要作用。探空气球投资少，成本低，见效快，飞行时间长，携带仪器姿态稳定，观测数据资料精度高，灵活性大，施放不受地域和气候因素影响。目前，探空气球仍常用于作为其他探测仪器的标定设备。探空气球作为一个载体，携带探空仪器升空，上升过程中探空仪器测定不同高度和经纬度的温度、气压、空气湿度和风等气象数据并将其通过无线电信号发回地面，从而获得空中的气象要素值。探空气球可升达离地数十千米，但是探空球受其飞行速度的限制，获取一条完整廓线往往需要一个甚至几个小时的时间，实时性较差。在探空球上升时间内，探空球所经过的低层空间气象参数可能已经发生了较大的变化，而且，受到风速的影响，探空球可能早已偏离了释放地点的垂直上方空间。
将测量设备安置在气象塔上实现参数的垂直测量，这也是气象上常用的方法。例如中国科学院大气物理研究所325米气象观测塔，主要服务于首都北京的空气污染研究和大气边界层、大气湍流扩散等研究。气象塔上目前主要有两套观测系统：15层气象梯度观测系统和7层湍流通量观测系统。象梯度观测系统从1979年开始进行常规气象要素的观测，包括风速、风向、温度和湿度。湍流系统也已观测多年，内容包括三维风速、水汽、二氧化碳和气压等。两套系统积累多年的观测数据在大气科学研究领域得到了广泛应用。但是，气象塔的建造成本高昂，其测量高度受到铁搭高度的限制，且一旦建成，只能实现气象塔所在位置的观测，不具备移动性。
气象雷达是专门用于大气探测的雷达，属于主动式微波大气遥感设备，用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度等参数的垂直分布。激光雷达的迅猛发展为SO2、NO2、颗粒物等污染物的垂直分布研究提供了强有力的手段。雷达技术实现了待测量的实时获取，不仅拥有较为理想的测量高度，同时能够安置在待检测地点甚至进行车载式测量等。不过无论是气象雷达还是激光雷达，均存在假设前提，而其假设前提在实际测量过程中总是面临各种挑战，有时误差相当大。
卫星是获得大区域或者全球大气信息最为快速、有效手段之一，比如MODIS有36个通道，其中的31和32通道可用于地表温度的反演，但是，卫星的各种反演是存在假设前提的，实际测量中总会遇到背离假设前提的情况，而且卫星的分辨率通常在1000m左右甚至更大，其数据过于粗略，对局地大气信息的指导意义迅速弱化。
综上所述，为了适应气象和大气污染探测的新形势，有必要研发可移动、测量周期长、无假设前提的新型垂直廓线测量方法，在克服气象塔、探空球和卫星遥感等技术缺点的基础上，形成多大气参数的稳定可靠获取。
发明内容
本发明的目的是针对气象参数和重要的大气污染成分，通过沿浮空器电缆线规律排列的测量设备，同时获得测量设备所在高度的多种大气参数，所有高度大气参数的组合形成多个参数的垂直廓线。该发明提供了一种多种大气参数垂直廓线的实时获取新方法，同时为同等大气条件下卫星和地面雷达等遥感测量设备的校准提供了不含假设前提的定标数据。
本发明采用的技术方案是：
浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：采用多个按预定间距搭载在浮空器系统上呈垂直分布的相同性能的多参数测量设备，分别实现不同高度多个气象场参数的同时测量，其测量数据通过无线方式传入地面接收设备，实时获得这些气象参数随高度的垂直廓线。
进一步的，所述的浮空器系统包括浮空器球体，浮空器球体上方设置有姿态调整器，下方连接有搭载多参数测量设备的高压电缆线，所述的高压电缆线另一端缠绕在绞线器上，所述的多个多参数测量设备在操作台上依次按照预定间距安装在高压电缆线上，之后所述的多参数测量设备随同浮空器球体上升至预定高度，浮空气球上的姿态控制器调整浮空器球体姿态使工作时高压电缆线维持竖直上以使得其上加载的多个多参数测量设备设备竖直分布，每个多参数测量设备获得其所在高度的多个气象参数，每个气象参数沿高度的组合形成该参数的垂直廓线，多个气象参数沿高度的组合形成多大气参数垂直廓线。。
进一步，所述的操作台上设置有传送履带，传送履带末端设置有机械手，操作台上方通过支架设置有电控开闭限位孔，下方通过支架设置有定滑轮，所述的高压电缆线由限位孔和定滑轮限定位于机械手位置并为绷紧和竖直，所述的多参数测量设备通过传送履带传送并被机械手按照预定间距依次固定在被限定的高压电缆线上。
进一步的，所述的绞线器、电控开闭限位孔、传送履带以及机械手均由控制及数据处理系统控制，所述的控制及数据处理系统根据多参数测量设备之间的预定间距进行配合控制，在多参数测量设备加载到高压电缆线的过程中，电缆线的上升速度通过浮空器的绞线器由控制及数据处理系统决定，机械手、履带和限位孔的工作状态由控制及数据处理系统的时序控制程序根据绞线器的速度控制实施。
优选的，所述的浮空器系统、操作台以及控制及数据处理系统可以放置在载车上，实现可移动式测量。
优选的，所述的多参数测量设备背后设置固定卡环，通过机械手固定在浮空器电缆线上。
优选的，所述的多参数测量设备由连接市电的轻质输电线供电，由市电控制工作状态；所述的轻质输电线表面涂覆了磁性材料，能够自动粘贴在通电状态下的浮空器高压电缆线上，多参数测量设备取下时，轻质输电线因高压电缆线断电而自动脱离。
优选的，多参数测量设备测量的参数包括：常规气象参数、大气污染物浓度、气溶胶粒子的数浓度、尺度谱、表面积浓度、体积浓度和复折射率和折射率结构常数。
优选的，所述的常规气象参数包括温度、湿度、大气压、风速、风向。
优选的，所述的大气污染物包括二氧化氮、一氧化碳、挥发性有机物、二氧化硫、臭氧、炭黑。
在实际运用过程中，多参数测量设备的悬挂数量和间距根据实际需要和浮空器的载重量决定，其测量数据通过无线方式进入地面接收设备，形成多参数垂直廓线的同时，为雷达等遥感设备提供标定数据。
本发明的创造点为：
1.实时获取多个大气参数的垂直廓线；
2.垂直廓线数据的获取过程不存在假设前提；
3.测量高度人为可控，能够根据需要调控测量点的数量和间隔；
4.浮空器及其搭载的测量设备放置在载车上，属于可移动式测量系统。
附图说明
图1是浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法的原理图；
图2是测量两点间温差的四路导线双电阻温度探测器示意图；
图3是电化学测量装置原理图；
图4是双角度光学粒子计数器的原理图，其中A光源，B照明透镜，C散射粒子，D接收透镜，E光电倍增管；
图5(a)是常规气象参数湿度的实测垂直廓线图；
图5(b)是常规气象参数温度的实测垂直廓线图；
图5(c)是常规气象参数风速的实测垂直廓线图；
图5(d)是常规气象参数风向的实测垂直廓线图；
图5(e)是常规气象参数气压的实测垂直廓线图；
图5(f)是折射率结构常数的实测垂直廓线图；
图5(g)是大气污染物二氧化氮浓度的实测垂直廓线图；
图5(h)是大气污染物二氧化硫浓度的实测垂直廓线图。
具体实施方式
如图1所示，浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：采用多个按预定间距搭载在浮空器系统上呈垂直分布的相同性能的多参数测量设备，分别实现不同高度多个气象场参数的同时测量，其测量数据通过无线方式传入地面接收设备，实时获得这些气象参数随高度的垂直廓线。
进一步的，所述的浮空器系统包括浮空器球体，浮空器球体上方设置有姿态调整器，下方连接有搭载多参数测量设备的高压电缆线，所述的高压电缆线另一端缠绕在绞线器上，所述的多个多参数测量设备在操作台上依次按照预定间距安装在高压电缆线上，之后所述的多参数测量设备随同浮空器球体上升至预定高度，浮空气球上的姿态控制器调整浮空器球体姿态使工作时高压电缆线维持竖直上以使得其上加载的多个多参数测量设备设备竖直分布，每个多参数测量设备获得其所在高度的多个气象参数，每个气象参数沿高度的组合形成该参数的垂直廓线，多个气象参数沿高度的组合形成多大气参数垂直廓线。
进一步，所述的操作台上设置有传送履带，传送履带末端设置有机械手，操作台上方通过支架设置有电控开闭限位孔，下方通过支架设置有定滑轮，所述的高压电缆线由限位孔和定滑轮限定位于机械手位置并为绷紧和竖直，防止电缆线因风速影响产生的摆动而脱离机械手作用范围，所述的多参数测量设备通过传送履带传送并被机械手按照预定间距依次固定在被限定的高压电缆线上。
进一步的，所述的绞线器、电控开闭限位孔、传送履带以及机械手均由控制及数据处理系统控制，所述的控制及数据处理系统根据多参数测量设备之间的预定间距进行配合控制，在多参数测量设备加载到高压电缆线的过程中，电缆线的上升速度通过浮空器的绞线器由控制及数据处理系统决定，机械手、履带和限位孔的工作状态由控制及数据处理系统的时序控制程序根据绞线器的速度控制实施。
优选的，所述的浮空器系统、操作台以及控制及数据处理系统可以放置在载车上，实现可移动式测量。
优选的，所述的多参数测量设备背后设置固定卡环，通过机械手固定在浮空器电缆线上。
优选的，所述的多参数测量设备由连接市电的轻质输电线供电，由市电控制工作状态；所述的轻质输电线表面涂覆了磁性材料，能够自动粘贴在通电状态下的浮空器高压电缆线上，多参数测量设备取下时，轻质输电线因高压电缆线断电而自动脱离。
优选的，多参数测量设备测量的参数包括：常规气象参数、大气污染物浓度、气溶胶粒子的数浓度、尺度谱、表面积浓度、体积浓度和复折射率和折射率结构常数。
优选的，所述的常规气象参数包括温度、湿度、大气压、风速、风向。
优选的，所述的大气污染物包括二氧化氮、一氧化碳、挥发性有机物、二氧化硫、臭氧、炭黑。
在实际运用过程中，多参数测量设备的悬挂数量和间距根据实际需要和浮空器的载重量决定，其测量数据通过无线方式进入地面接收设备，形成多参数垂直廓线的同时，为雷达等遥感设备提供标定数据。
下面进一步介绍本发明在使用时风速风向测量、大气折射率结构常数测量、大气污染物浓度测量以及气溶胶粒子的复折射率和数浓度等参数测量的理论依据。
(1)风速风向测量
同一水平面上的三个等间距超声波变换器组成一个变换器阵列，测量超声波从一个变换器传播到另外两个变换器的时间确定风速和风向。风传感器测量沿变换器阵列所形成的三条路径的双向传送时间，此传送时间取决于沿超声波路径的风速，在风速为零时，正向和反向传送时间相同，当风向与声音路径的方向相同时，上风向传送时间变长，下风向传送时间缩短。使用下述公式测量得到的传送时间计算风速：
Vw＝0.5×L×(1/tf-1/tr) (1)
其中Vw、L、tf、tr分别为风速，两个变换器间的距离，正向传送时间和反向传送时间。
通过测量6个传送时间，计算超声波路径中每条路径的风速。使用阵列路径的风速计算风向，北表示0°，东表示90°，南表示180°，西表示270°。
(2)大气折射率结构常数测量
通常通过测量湍流温度场的起伏特性来研究湍流折射率场的起伏特性，这也是目前进行局域大气湍流光学性质研究最常用和有效的手段。折射率结构常数与温度结构常数的关系为：
其中P为大气压，T为绝对温度。
假设湍流温度场满足Kolomogrov假设，则在惯性区内温度结构常数满足：
其中r是两个测量点间距，T(r)是测量点的温度值，根据(3)式，测出惯性区内两点温差的时间变化，对足够大的样本数进行平均，即可求得温度结构常数，进而求得折射率结构常数。
通过测量铂丝的电阻，可以得到其所在位置的温度：
RT＝Rref[1+α(T-Tref)] (4)
其中，RT是温度T下的铂丝电阻，Rref是参考温度Tref下的铂丝电阻，α是温度系数。在[0，100℃]的温度范围内，铂丝的阻值与温度拥有非常好的线性关系，其中Tref＝0℃，α＝3.85×10-3℃-1。
将两个电阻温度探测器置于电桥的两臂，如图2所示，如电阻R1＝R2，导线等效电阻L1＝L2＝L3＝L4＝L，则：
上式中RT2、RT1分别为处于两个位置处的铂丝电阻，在已知电阻和输入电压Vin的情况下，根据Vout可求出两点间的温差，一般可以获得0.001℃的精度。
(3)大气污染物浓度测量
表1几种常见污染气体的电化学过程
电化学传感器利用测量电流的方式实现目标气体的检测，其精度可以达到亿万分之一(PPB)量级。电化学传感器的电极包括感应电极、参考电极和计数电极三部分，相互之间由过滤层隔开，电解液通过毛细管作用经过滤层形成电极之间的电荷流动。感应电极表面通常涂覆特定种类的催化剂以提供更大的表面积，从而加速待测气体的反应速度。感应电极与待测气体反应，在感应电极表面产生电子电荷。几种常见污染气体的反应过程如表1所示。通过氧化还原反应，感应电极产生的电荷被计数电极平衡掉，从而形成一个化学反应的氧化还原对。电子迁移所造成的电流与待测气体的浓度成正比，从而实现待测气体的检测，其原理图如图3所示。
(4)气溶胶粒子的复折射率和数浓度等参数的测量
当一个气溶胶粒子通过一束激光后，部分光会被散射，通过计量到达检测器散射光的脉冲数，可以检测颗粒物的数浓度。由于粒子光散射的强度和颗粒物的粒度有一定的相关关系，通过散射光还能够估算每个颗粒物的粒度，继而获得表面积浓度和体积浓度。
双散射角光学粒子计数器的原理图如图4所示。双散射角光学粒子计数器测量单个粒子渡越其散射腔内聚焦光照区的角散射强度，光电探测元件将它转变为一定高度的电压脉冲。电压脉冲强度与粒子大小的响应曲线对粒子复折射率m(m＝nr-jni，nr和ni是折射率的实部和虚部)敏感。为了更有效地计算折射率，两个最佳散射角须满足三个条件：(a)两个散射角度上的响应量对折射率都很敏感，(b)两个散射角度上的响应量不能线性相关。即两个散射角系统的响应量的比值要随着折射率的变化而变化，这也是反演折射率的物理基础，(c)对散射角的选择，应考虑响应曲线的多值性和散射信号强度等。
由于折射率实部的影响较小，这里只讨论虚部的影响。为了描述响应量对折射率的敏感程度，定义虚部的敏感函数fi(α,θ,m)：
上式中α为R为消光系数，折射率为m、半径为r的粒子的散射响应量：
式中γ和β分别是照明透镜和接收透镜张角的一半，ψ是照明和接受透镜光轴的交角，θ是散射角变量，φ是会聚入射光线与接收透镜光轴的夹角变量，S(λ)是接收散射光的光电倍增管的光谱灵敏度，F(θ,φ)是几何因子。由于激光光源的方向性很好，不需要会聚透镜，只需要接收透镜，所以γ＝0，对应的F(θ,φ)为：
利用敏感函数确定受折射率影响最大和最小的两个角度，在折射率影响最小的角度附近获得粒子数量为N，在折射率影响最大的角度附近依据虚部的不同可以获得多个粒子数量Ni，当Ni＝N时，对应的虚部即为折射率虚部，继而联同折射率实部获得气溶胶粒子的复折射率。
在得到上述参数在各个高度处的测量值后，将其按照高度形成数列，即形成了多个大气参数的高度廓线，如下表2所示。
表2多参数垂直廓线的阵列表格
本发明具体操作过程如下：
1.根据需求确定多参数测量设备的数量，对多参数测量设备进行定标，所有设备在误差范围内的响应特性保持一致；
2.在预定地点展开车载控制及数据处理系统，摆放好浮空器球体及附属设备，布置好电缆线操作区、多参数测量设备和传送履带；
3.待浮空器球体充入适量氦气后，通过绞线器按照预定速度匀速释放，同时在时序程序的控制下通过机械手将多参数测量设备在操作区固定于电缆线上；
4.待浮空器球体上升至指定高度后，绞线器、传送履带和机械手协同停止工作；
5.各高度处的多参数测量设备将各自所在位置的大气参数通过无线方式传输给地面采集设备；
6.整合所获大气参数与高度的阵列数据，形成多个大气参数的垂直廓线。
本实施例中测量了包含温度、湿度、风速、风向、气压等常规气象参数、大气折射率结构常数参数和几种常见污染气体，分别获得了其垂直廓线，测量结果分别如图5(a)、5(b)、5(c)、5(d)、5(e)、5(f)、5(g)、5(h)所示，实现多大气参数垂直廓线的实时测量。

Claims (8)

1.浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：采用多个按预定间距搭载在浮空器系统上呈垂直分布的相同性能的多参数测量设备，实现不同高度多个气象场参数的同时测量，其测量数据通过无线方式传入地面接收设备，实时获得这些气象参数随高度的垂直廓线；
所述的浮空器系统包括浮空器球体，浮空器球体上方设置有姿态调整器，下方连接有搭载多参数测量设备的高压电缆线，所述的高压电缆线另一端缠绕在绞线器上，所述的多个多参数测量设备在操作台上依次按照预定间距安装在高压电缆线上，之后所述的多参数测量设备随同浮空器球体上升至预定高度，每个多参数测量设备获得其所在高度的多个气象参数，每个气象参数沿高度的组合形成该参数的垂直廓线，多个气象参数沿高度的组合形成多大气参数垂直廓线；
所述的操作台上设置有传送履带，传送履带末端设置有机械手，操作台上方通过支架设置有电控开闭限位孔，下方通过支架设置有定滑轮，所述的高压电缆线由限位孔和定滑轮限定位于机械手位置并为绷紧和竖直，所述的多参数测量设备通过传送履带传送并被机械手按照预定间距依次固定在被限定的高压电缆线上。
2.根据权利要求1所述的浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：所述的绞线器、电控开闭限位孔、传送履带以及机械手均由控制及数据处理系统控制，所述的控制及数据处理系统根据多参数测量设备之间的间距需要对以上设备进行配合控制。
3.根据权利要求1所述的浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：所述的浮空器系统、操作台以及控制及数据处理系统可以放置在载车上，实现可移动式测量。
4.根据权利要求1-3任一项所述的浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：所述的多参数测量设备背后设置固定卡环，通过机械手固定在浮空器电缆线上。
5.根据权利要求1-3任一项所述的浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：所述的多参数测量设备由连接市电的轻质输电线供电，由市电控制工作状态；所述的轻质输电线表面涂覆了磁性材料，能够自动粘贴在通电状态下的浮空器高压电缆线上，多参数测量设备取下时，轻质输电线因高压电缆线断电而自动脱离。
6.根据权利要求1-3任一项所述的浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：多参数测量设备测量的参数包括：常规气象参数、大气污染物浓度、气溶胶粒子的数浓度、尺度谱、表面积浓度、体积浓度和复折射率和折射率结构常数。
7.根据权利要求6所述的浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：所述的常规气象参数包括温度、湿度、大气压、风速、风向。
8.根据权利要求6所述的浮空器搭载的多大气参数垂直廓线实测新方法，其特征在于：所述的大气污染物包括二氧化氮、一氧化碳、挥发性有机物、二氧化硫、臭氧、炭黑。
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