CN109975492B - 沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统 - Google Patents

沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统，包括如下步骤：(1)沿海和高空多云雾独特环境下多平台气体颗粒物监测仪器大气进样系统和低损失除盐除湿一体化采样系统；(2)开展近海地区大气边界层污染物浓度和三维气象要素垂直探测；(3)大载荷飞艇、无人机和机载大气理化参数集成监测，优化试验平台；(4)车船载高精度常规气象参数、云的物理参数、主要污染气体、颗粒物监测；(5)建立多平台一体化监测指挥与决策平台；(6)多平台大气监测数据集成分析与处理系统，得到沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统。本发明的多平台系统集成度高，对多尺度、多平台融合的天地空一体化监测技术和试验组织起到示范作用。

Description

沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统
技术领域
本发明涉及大气环境监测技术领域，具体涉及一种沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统。
背景技术
东部沿海地区受东亚季风系统控制，独特的天气气候条件，加之该地区城市化高度集中，化石燃料消耗巨大，大气污染排密集，导致大气复合污染和灰霾天气多发，引起了广大民众和政府的高度重视。传统的监测局限于地面站点，在城市区域建立常规要素观测站点，全组分观测的超级站点较少，尤其是缺少对于整个城市区域、东部海洋和边界层不同高度大面积的综合观测。东部沿海地区颗粒物浓度高、湿度大、盐分高，对仪器采样、分析和仪器寿命都有较大的影响。大气垂直探测技术、自由对流层-边界层交换的探测技术、大气污染的垂直结构等是理解区域重污染发生、发展及实现空气污染跨区域协同控制的关键。但在这方面，探测技术的基础相对薄弱，成为制约大气复合污染过程认识的瓶颈。
大气物理和化学过程在多种尺度上影响着大气复合污染的形成，控制着污染物的发生、发展、积累和长距离传输。发展大气污染多尺度、多平台、多参数的一体化实时测量和监控预警技术是厘清大气污染问题、实现“有的放矢”优化控制的基础，也是国家生态环境监测网络建设的重要步骤。
鉴于以上所述现有技术的不足，目前，缺乏一种集成度高的沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成度高的沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统。
本发明的目的是通过下列技术方案实现的：本发明的沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统，包括如下步骤：
(1)沿海和高空多云雾独特环境下多平台气体颗粒物监测仪器大气进样系统和低损失除盐除湿一体化采样系统；
(2)基于高山站点和地基站点开展近海地区大气边界层污染物浓度和三维气象要素垂直探测；
(3)大载荷飞艇、无人机和机载大气理化参数集成监测，优化试验平台；
(4)车船载高精度常规气象参数、云的物理参数、主要污染气体、颗粒物监测；
(5)建立多平台一体化监测指挥与决策平台；
(6)多平台大气监测数据集成分析与处理系统，得到沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统。
进一步地，在步骤(1)中，沿海和高空多云雾独特环境下多平台气体颗粒物监测仪器大气进样系统和低损失除盐除湿一体化采样系统，包括如下过程：开发适用于高湿度环境条件下气体颗粒物监测仪：干燥进样的进样装置和变径尺寸的导流罩，实现飞机高速飞行过程中迎面气流的减速、降压、稳流和稳压，使得气体和颗粒物开展等动力学采样；建立低损失除盐、除湿一体化采样系统。
进一步地，在步骤(1)中，沿海和高空高山多云雾、高湿环境气体和颗粒物测量中云雾大气不能有效分离、干扰测量、进水造成仪器故障，开发适用于高湿度环境条件下气体颗粒物监测仪器干燥进样的进样装置；通过流体动力学仿真计算和风洞试验相结合的方法，设计导流罩变径尺寸，实现飞机高速飞行过程中迎面气流的减速、降压、稳流和稳压，使气体和颗粒物开展等动力学采样；针对扩散损失较大的化学反应活性气体和大气纳米气溶胶颗粒，建立低损失除盐、除湿一体化采样系统。
更进一步地，在步骤(2)中，基于高山站点和地基站点开展近海地区大气边界层污染物浓度和三维气象要素垂直探测主要包括：
(a2)利用高分辨率在线监测仪器对污染物浓度和三维风向风速进行同步测量。
(b2)整理观测获得的三维气象要素，利用涡度相关法计算各污染物的垂直交换通量；
(c2)针对特定天气系统开展跨边界层综合探测实验，计算污染物在边界层和自由对流层间的垂直交换通量。
(d2)利用激光雷达斜程探测和集成探测技术，克服盲区解决激光雷达在沿海地区边界层高度较高情况下的测量。
进一步地，在步骤(a2)中，基于高山观测站，利用高分辨率在线监测仪器对污染物浓度和三维风向风速进行同步测量，同时监测热力气象因子，大气温度，湍流强度；
在步骤(c2)中，在空气质量预报模型和拉格朗日溯源预报模式指导下，针对特定天气系统开展跨边界层综合探测实验，同时测量边界层和自由对流层的污染物浓度，通过对其污染物的化学和物理过程进行“闭合”和过程分析，计算污染物在边界层和自由对流层间的垂直交换通量。
进一步地，在步骤(3)中，所述的大载荷飞艇、无人机和机载大气理化参数集成监测，优化试验平台主要包括：
(a3)对飞行平台供电系统进行全面改造，依次安装电源逆变器、大功率UPS稳压电源、交流电流快速测量或实时显示装置以及电力过载保护装置；
(b3)将监测仪器的供电模块进行集约化设计，实现集中供电，减少系统冗余，提高平台的有效载荷重量；
(c3)消除近地面监测盲区，确保垂直梯度监测结果的完整性，实现时间、高度、气象参数、污染物的同步采集以及高空采样设备的反馈控制，能够实时监测数据的动态及历史数据的查询和统计；
(d3)对飞机进行采样口采样器安装与机舱布局、载重和减震改造；建立同步搭载常规气象参数、云物理参数、主要污染气体、颗粒物及其理化性质等高分辨监测技术的航测平台。
更进一步地，在步骤(a3)中，对飞行平台供电系统进行全面改造，依次安装电源逆变器、大功率UPS稳压电源、交流电流快速测量或实时显示装置以及电力过载保护装置，从地面到高空的连续供电，为飞机航测实验仪器提供稳定、安全的220V交流电；
在步骤(d3)中，对飞机进行采样口采样器安装与机舱布局、载重和减震改造；测试不同类型的高分辨率在线监测仪器在飞机航测中的实际表现，对比同一参数不同仪器在航测平台上的工作性能，集成飞行测试和优化的监测技术，建立同步搭载常规气象参数、云物理参数、主要污染气体、颗粒物及其理化性质等高分辨监测技术的航测平台。
进一步地，在步骤(4)中，车船载高精度常规气象参数、云物理参数、主要污染气体、颗粒物监测，包括：针对扩散损失较大的化学反应活性气体和大气纳米气溶胶颗粒，设计低损失除盐、除湿一体化采样系统，集成对船载不同分辨率观测技术，同步校正及集成分析、在线和离线观测；开发导流罩、扩张管、吸气管速采样技术，发展针对不同航速下的等速采样系统，实现大气颗粒物质量和数浓度等对流量响应较为敏感的测量参数的准确测量。
进一步地，在步骤(5)中，基于欧拉空气质量模型和拉格朗日溯源模型的实时决策显示系统，空气质量模型采用区域大气-动力化学耦合的WRF-Chem模式，反向溯源计算采用反向溯源由中尺度气象模式WRF驱动拉格朗日粒子输送与扩散模式；利用气象预报结果为驱动场，交互显示风、温、湿、压和降水等关键气象参数在沿海区域的实时提取和图形界面，提供大尺度环流背景场信息，为空气质量预报和反向溯源分析提供较精准的气象预报场；拉格朗日模拟模型为提供地、基超级站平台、飞机、无人机、大载荷系留气艇、高山站、车载移动平台等各个观测平台所观测气团的每小时潜在源区的三维分布，为具体试验方案设计提供支撑。
更进一步地，在步骤(6)中，多平台大气监测数据集成分析与处理系统，具体如下：
多平台大气监测数据集成分析与处理系统，具体如下：
(a6)建立数据传输和格式转换模块，模块包括数据源采集、多元数据规整、数据存储管理、系统稳定性管理部分；
(b6)数据源采集确定不同类型仪器获取数据的信号格式，集成不同的仪器的数据信号源采集到数据系统中；
(c6)建立数据实时分析系统，针对各个观测平台建立数据质控和数据融合对数据进行初步处理和整理分析，反馈分析结果至数据分析平台，快速显示数据结果；
(d6)在数据集成分析系统的基础上建立与高性能服务器之间的数据传输系统，利用高性能服务器所搭载的数据分析模型对于实时观测数据进行分析，获取重污染过程实时成因。
有益效果：本发明的多平台系统集成度高，对多尺度、多平台融合的天地空一体化监测技术和试验组织起到示范作用。
与现有技术相比，本发明具有如下优点:
(1)能够使用天空地观测组合手段揭示地区大气复合污染的传输、混合、转化和消散的物理化学过程,能够监测研究东部沿海地区大气复合污染发生、发展、演变和传输规律。
(2)东部沿海地区大气复合污染和灰霾天气多发，传统的监测局限于地面站点，全组分观测的超级站点较少，尤其是缺少对于整个城市区域、东部海洋和边界层不同高度大面积的综合观测。东部沿海地区颗粒物浓度高、湿度大、盐分高，对仪器采样、分析和仪器寿命都有较大的影响。
(3)大气垂直探测技术、自由对流层-边界层交换的探测技术、大气污染的垂直结构等是理解区域重污染发生、发展及实现空气污染跨区域协同控制的关键。发展大气污染多尺度、多平台、多参数的一体化实时测量和监控预警技术是厘清大气污染问题的基础，对国家生态环境监测网络建设起到技术支撑作用。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
通过以下实施例进一步详细说明本发明，但应注意本发明的范围并不受这些实施例的任何限制。
实施例1
如图1所示，本发明的沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统，包括如下步骤：
(1)沿海和高空高山多云雾、高湿环境气体和颗粒物测量中云雾大气不能有效分离、干扰测量、进水造成仪器故障，开发适用于高湿度环境条件下气体颗粒物监测仪器干燥进样的进样装置；通过流体动力学仿真计算和风洞试验相结合的方法，设计导流罩变径尺寸，实现飞机高速飞行过程中迎面气流的减速、降压、稳流和稳压，使气体和颗粒物开展等动力学采样；针对扩散损失较大的化学反应活性气体和大气纳米气溶胶颗粒，建立低损失除盐、除湿一体化采样系统。
(2)基于高山站点和地基站点开展近海地区大气边界层污染物浓度和三维气象要素垂直探测；
基于高山站点和地基站点开展近海地区大气边界层污染物浓度和三维气象要素垂直探测主要包括：
(a2)基于高山观测站，利用高分辨率在线监测仪器对污染物浓度和三维风向风速进行同步测量，同时监测热力气象因子，大气温度，湍流强度；
(b2)整理观测获得的三维气象要素，利用涡度相关法计算各污染物的垂直交换通量；
(c2)在空气质量预报模型和拉格朗日溯源预报模式指导下，针对特定天气系统开展跨边界层综合探测实验，同时测量边界层和自由对流层的污染物浓度，通过对其污染物的化学和物理过程进行“闭合”和过程分析，计算污染物在边界层和自由对流层间的垂直交换通量。
(d2)利用激光雷达斜程探测和集成探测技术，克服盲区解决激光雷达在沿海地区边界层高度较高情况下的测量。
(3)大载荷飞艇、无人机和机载大气理化参数集成监测，优化试验平台；优化试验平台主要包括：
在步骤(a3)中，对飞行平台供电系统进行全面改造，依次安装电源逆变器、大功率UPS稳压电源、交流电流快速测量或实时显示装置以及电力过载保护装置，从地面到高空的连续供电，为飞机航测实验仪器提供稳定、安全的220V交流电；
(b3)将监测仪器的供电模块进行集约化设计，实现集中供电，减少系统冗余，提高平台的有效载荷重量；
(c3)消除近地面监测盲区，确保垂直梯度监测结果的完整性，实现时间、高度、气象参数、污染物的同步采集以及高空采样设备的反馈控制，能够实时监测数据的动态及历史数据的查询和统计；
(d3)对飞机进行采样口采样器安装与机舱布局、载重和减震改造；测试不同类型的高分辨率在线监测仪器在飞机航测中的实际表现，对比同一参数不同仪器在航测平台上的工作性能，集成飞行测试和优化的监测技术，建立同步搭载常规气象参数、云物理参数、主要污染气体、颗粒物及其理化性质等高分辨监测技术的航测平台。
(4)车船载高精度常规气象参数、云物理参数、主要污染气体、颗粒物监测，包括：针对扩散损失较大的化学反应活性气体和大气纳米气溶胶颗粒，设计低损失除盐、除湿一体化采样系统，集成对船载不同分辨率观测技术，同步校正及集成分析、在线和离线观测；开发导流罩、扩张管、吸气管速采样技术，发展针对不同航速下的等速采样系统，实现大气颗粒物质量和数浓度等对流量响应较为敏感的测量参数的准确测量。
(5)基于欧拉空气质量模型和拉格朗日溯源模型的实时决策显示系统，空气质量模型采用区域大气-动力化学耦合的WRF-Chem模式，反向溯源计算采用反向溯源由中尺度气象模式WRF驱动拉格朗日粒子输送与扩散模式；利用气象预报结果为驱动场，交互显示风、温、湿、压和降水等关键气象参数在沿海区域的实时提取和图形界面，提供大尺度环流背景场信息，为空气质量预报和反向溯源分析提供较精准的气象预报场；拉格朗日模拟模型为提供地、基超级站平台、飞机、无人机、大载荷系留气艇、高山站、车载移动平台等各个观测平台所观测气团的每小时潜在源区的三维分布，为具体试验方案设计提供支撑。
(6)多平台大气监测数据集成分析与处理系统，得到沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统。多平台大气监测数据集成分析与处理系统，具体如下：
(a6)建立数据传输和格式转换模块，模块包括数据源采集、多元数据规整、数据存储管理、系统稳定性管理部分；
(b6)数据源采集确定不同类型仪器获取数据的信号格式，集成不同的仪器的数据信号源采集到数据系统中；
(c6)建立数据实时分析系统，针对各个观测平台建立数据质控和数据融合对数据进行初步处理和整理分析，反馈分析结果至数据分析平台，快速显示数据结果；
(d6)在数据集成分析系统的基础上建立与高性能服务器之间的数据传输系统，利用高性能服务器所搭载的数据分析模型对于实时观测数据进行分析，获取重污染过程实时成因。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (4)

1.沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统的构建方法，其特征在于包括如下步骤： (1)沿海和高空多云雾独特环境下多平台气体颗粒物监测仪器大气进样系统和低损失除盐除湿一体化采样系统，包括如下过程：开发适用于高湿度环境条件下气体颗粒物监测仪：干燥进样的进样装置和变径尺寸的导流罩；建立低损失除盐、除湿一体化采样系统；开发适用于高湿度环境条件下气体颗粒物监测仪器干燥进样的进样装置；通过流体动力学仿真计算和风洞试验相结合的方法，设计导流罩变径尺寸，针对扩散损失较大的化学反应活性气体和大气纳米气溶胶颗粒，建立低损失除盐、除湿一体化采样系统；
(2)基于高山站点和地基站点开展近海地区大气边界层污染物浓度和三维气象要素垂直探测，包括： (a2)利用高分辨率在线监测仪器对污染物浓度和三维风向风速进行同步测量； (b2)整理观测获得的三维气象要素，利用涡度相关法计算各污染物的垂直交换通量；(c2)针对特定天气系统开展跨边界层综合探测实验，计算污染物在边界层和自由对流层间的垂直交换通量； (d2)利用激光雷达斜程探测和集成探测技术，克服盲区解决激光雷达在沿海地区边界层高度较高情况下的测量；
(3)大载荷飞艇、无人机和机载大气理化参数集成监测，优化试验平台，包括： (a3)对飞行平台供电系统进行全面改造，依次安装电源逆变器、大功率UPS稳压电源、交流电流快速测量或实时显示装置以及电力过载保护装置； (b3)将监测仪器的供电模块进行集约化设计； (c3)消除近地面监测盲区，确保垂直梯度监测结果的完整性，实现时间、高度、气象参数、污染物的同步采集以及高空采样设备的反馈控制，实时监测数据的动态及历史数据的查询和统计； (d3)对飞机进行采样口采样器安装与机舱布局、载重和减震改造；建立同步搭载常规气象参数、云物理参数、污染气体、颗粒物及其理化性质高分辨监测技术的航测平台；
(4)车船载高精度常规气象参数、云物理参数、污染气体、颗粒物监测，包括：针对扩散损失较大的化学反应活性气体和大气纳米气溶胶颗粒，设计低损失除盐、除湿一体化采样系统，集成对船载不同分辨率观测技术，同步校正及集成分析、在线和离线观测；开发导流罩、扩张管、吸气管速采样技术，发展针对不同航速下的速采样系统；
(5)建立多平台一体化监测指挥与决策平台；
(6)多平台大气监测数据集成分析与处理系统，多平台大气监测数据集成分析与处理系统，具体如下： (a6)建立数据传输和格式转换模块，模块包括数据源采集、多元数据规整、数据存储管理、系统稳定性管理部分； (b6)数据源采集确定不同类型仪器获取数据的信号格式，集成不同的仪器的数据信号源采集到数据系统中； (c6)建立数据实时分析系统，针对各个观测平台建立数据质控和数据融合对数据进行初步处理和整理分析，反馈分析结果至数据分析平台，快速显示数据结果； (d6)在数据集成分析系统的基础上建立与高性能服务器之间的数据传输系统，利用高性能服务器所搭载的数据分析模型对于实时观测数据进行分析，获取重污染过程实时成因，得到沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统。
2.根据权利要求1所述的沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统的构建方法，其特征在于：在步骤(a2)中，基于高山观测站，利用高分辨率在线监测仪器对污染物浓度和三维风向风速进行同步测量，同时监测热力气象因子，大气温度，湍流强度；在步骤(c2)中，在空气质量预报模型和拉格朗日溯源预报模式指导下，针对特定天气系统开展跨边界层综合探测实验，同时测量边界层和自由对流层的污染物浓度，通过对其污染物的化学和物理过程进行闭合和过程分析，计算污染物在边界层和自由对流层间的垂直交换通量。
3.根据权利要求1所述的沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统的构建方法，其特征在于：在步骤(a3)中，对飞行平台供电系统进行全面改造，依次安装电源逆变器、大功率UPS稳压电源、交流电流快速测量或实时显示装置以及电力过载保护装置，从地面到高空的连续供电，为飞机航测实验仪器提供稳定、安全的220V交流电；在步骤(d3)中，对飞机进行采样口采样器安装与机舱布局、载重和减震改造；测试不同类型的高分辨率在线监测仪器在飞机航测中的实际表现，对比同一参数不同仪器在航测平台上的工作性能，集成飞行测试和优化的监测技术，建立同步搭载常规气象参数、云物理参数、污染气体、颗粒物及其理化性质高分辨监测技术的航测平台。
4.根据权利要求1所述的沿海大气复合污染天空地一体化监测预警系统的构建方法，其特征在于：在步骤(5)中，基于欧拉空气质量模型和拉格朗日溯源模型的实时决策显示系统，空气质量模型采用区域大气-动力化学耦合的WRF-Chem模式，反向溯源计算采用反向溯源由中尺度气象模式WRF驱动拉格朗日粒子输送与扩散模式；利用气象预报结果为驱动场，交互显示风、温、湿、压和降水关键气象参数在沿海区域的实时提取和图形界面，提供大尺度环流背景场信息；拉格朗日模拟模型为提供地基超级站平台、飞机、无人机、大载荷系留气艇、高山站、车载移动平台各个观测平台所观测气团的每小时潜在源区的三维分布。
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