CN109991684A - 基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，包括如下步骤：(1)区域空气质量预报模型提供垂直气象及污染分布特征，为飞艇探空方案制定及所观测组分仪器选择提供参考；(2)探空飞艇多任务挂架切换、挂架平台和仪器设备供电系统一体化；(3)常规监测仪器设备组装改进大幅减重；(4)颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物垂直强化观测；(5)气溶胶粒径分布以及气态硫酸和高氧化态有机物垂直分布观测；(6)高空数据采集传输、地面数据接收和分析模块集成。本发明能够强化观测大气光化学过程产物关键组分及粒径谱，能够高时空分辨率观测边界层特定高度污染物及其二次组分生成转化过程。
Description
技术领域
本发明涉及大气环境监测技术领域，具体涉及一种基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统。
背景技术
大气污染的垂直结构是用于理解重污染发生、发展过程的重要信息，而目前我国大气污染垂直探测技术基础相对薄弱，尤其缺少高空气态硫酸、高氧化态有机物及颗粒物粒径谱的垂直观测，已成为制约大气复合污染成因和对流层大气污染物区域输送研究的瓶颈。因此，发展基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，对于当前大气污染的综合治理具有重要的支撑作用。
传统的边界层大气污染物观测手段有铁塔、地基激光雷达、系留气球、飞机航测、卫星遥感。铁塔观测高度固定，只能在特定高度架设仪器观测，垂直分辨率低；地基激光雷达能够观测至数千公里，但近地面存在盲区，且观测数据种类较少；系留气球体积较小，只能搭载几公斤的便携式观测仪器；飞机航测花费较高，空域管制难以申请导致航线固定且难以在低空盘旋观测，仪器预热时间不充分；卫星遥感覆盖面积大，但是容易受到云层影响，且对于边界层污染的观测反演不确定性较大。
目前，鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，用于解决现有技术中大气垂直污染特殊组分和粒径谱观测缺失的问题，且提供了一种新的观测组合手段揭示地区大气重污染过程的大气边界层理化结构。
目前，缺乏一种应用于边界层污染物高分辨率垂直观测的大气边界层污染物组分垂直观测系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于边界层污染物高分辨率垂直观测的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统。
本发明的目的是通过下列技术方案实现的：本发明的一种基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，包括如下步骤：
(1)区域空气质量预报模型提供垂直气象及污染分布特征，为飞艇探空方案制定及所观测组分仪器选择提供参考；
(2)探空飞艇多任务挂架切换、挂架平台和仪器设备供电系统一体化；
(3)常规监测仪器设备组装改进大幅减重，利用小型化仪器集成替代部分常规监测因子；
(4)颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物、挥发性有机物成分垂直强化观测；
(5)气溶胶粒径分布以及气态硫酸和高氧化态有机物垂直分布观测；
(6)高空数据采集传输、地面数据接收和分析模块集成，得到基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统。
进一步地，在步骤(1)中，区域空气质量预报模型提供垂直气象及污染分布特征，为飞艇探空方案制定及所观测组分仪器选择提供参考，包括如下步骤：
(a1)搭建基于大气动力化学耦合模式的空气质量预报模式；
(b1)气象场输入资料的模拟采用中尺度气象预报模式实现，利用同化技术提高气象要素的预报效果；
(c1)利用统计数据、污染源普查、实验调研和卫星产品多套资料采用自下而上的方法建立适用于环境气象数值模式的中国多尺度污染源排放清单，为空气质量模型提供污染源排放数据的输入；
(d1)预报未来三天的各类污染物的三维空间分布规律，在臭氧、细颗粒物污染物预报的时空分布的基础上支持飞艇观测方案的设计。
进一步地，在步骤(a1)中，搭建基于大气动力化学耦合模式的空气质量预报模式，在高性能计算中心每日自动下载全球气象预报资料常规运行，预报未来三天的各类污染物的三维空间分布规律，在臭氧、细颗粒物污染物预报的时空分布的基础上支持飞艇观测方案的设计；
在步骤(b1)中，气象场输入资料的模拟采用中尺度气象预报模式实现，同时利用同化技术提高气象要素的预报效果，为空气质量模型提供较精准的气象预报场；
在步骤(d1)中，利用空气质量模型模拟计算未来三天中国东部及其周边区域气态和颗粒态污染物的传输扩散、化学转化、干湿沉降在大气环境中的一系列物理和化学过程，预报项目包括模拟范围内每小时二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、臭氧O3、一氧化碳CO、细颗粒物PM2.5、可吸入颗粒物PM10各项污染物的浓度分布。
更进一步地，在步骤(2)中，探空飞艇多任务挂架切换、挂架平台和仪器设备供电系统一体化主要包括：
(a2)由于飞艇本身的载荷有限，针对不同的污染类型搭载不同设备，设计三种组分观测挂架；
(b2)根据不同的天气情况在两小时内切换挂架；挂架左右对称设计，有利于载荷的左右平衡，并在中部留有充足空间供大型仪器的固定；
(c2)挂架底部采用薄层铝板封闭，上部及侧面采用防水罩封闭，整个挂架在使用中可形成相对密闭的环境，有利于仪器的稳定运行；
(d2)采用了不间断电源UPS，实现不断电、交流稳压、净化电源污染及智能调控功能；整个UPS系统由整流电路、直流直流交换电路、直流交流逆变电路、电池充放电管理电路、电池及旁路控制电路组成。
进一步地，在步骤(3)中，所述的常规监测仪器设备组装改进大幅减重，利用小型化仪器集成替代部分常规监测因子主要包括：考虑常规气体单台常规监测仪器重量体积较大，将颗粒物计数器及高灵敏度电化学传感器进行集成，实现对常规污染六要素的在线监测。传感器设备主要由气体传感器模块、PM传感器模块、数据采集与传输模块及电池模块组成。集成仪器设有颗粒物进样口和气体进样口。颗粒物计数器内部设有红外传感器，不同粒径颗粒物经颗粒物进样口进入颗粒物计数器后，将产生强度不同的脉冲。气态污染物以一定流量送到传感器室，产生浓度结果数据。
进一步地，在步骤(4)中，颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物、挥发性有机物成分垂直强化观测，包括如下步骤：气溶胶化学组分在垂直方向上大多不是均匀分布，且不同时间的垂直分布存在很大差异；针对不同的天气类型及不同的污染过程，测量垂直廓线，同时可以高空滞空测量；基于气溶胶质谱(TOF-ACSM)测量细颗粒物的组分，测量硫酸盐、硝酸盐、有机物组分；基于在线挥发性有机物监测质谱仪(PTR-MS)，测量甲苯、亚甲苯、苯、甲醛、二甲苯、乙二醇、1,3丁二烯50多种挥发性有机物，无需样品预处理、分辨率为5pptv，响应时间小于100ms。
更进一步地，在步骤(5)中，气溶胶粒径分布以及气态硫酸和高氧化态有机物垂直分布观测，具体包括如下步骤：基于大载荷飞艇的观测平台，利用气溶胶粒径谱SMPS及大气成分、气象要素传感器仪器，结合区域模式预报以及地面激光雷达实时观测，对气溶胶粒径分布进行垂直探空，监测边界层附近新粒子形成现象；气态硫酸和高氧化态有机物HOMs是大气光化学过程的重要终产物，亦是气溶胶新粒子形成及增长的主要前提物；基于常压化学离子化飞行时间质谱CI-APi-TOF；在边界层范围内监测气态硫酸和高氧化态有机物的垂直分布。
进一步地，在步骤(6)中，高空数据采集传输、地面数据接收和分析模块集成，具体包括如下步骤：高空数据采集集成了大气环境监测设备、调试器和数据传输电台，通过通用异步收发传输器与主控模块进行物理连接，而主控模块直接通过无线传输向地面控制台传输数据；飞行数据则直接通过排线和控制模块连接，传输数据至控制模块；在飞艇数据集成传输系统中，大量的外部传感器数据读取、信息实时获取、信息整合和发送；采用的具有强大的处理性能主控；采用多核处理器，处理器主频为1GHz，装载内存芯片和存储ROM芯片，进行浮点数据的处理加快数据处理速度；
在地面站端，主要有调试器、数据传输电台和PC端3个部分，调试器主要负责获取机载控制系统端回传的调试输出信息，并获取地面调试人员的调试信息，将调试信息上传至控制系统；调试器主要是用于系统测试时对整个控制系统进行排错和优化；地面控制端分析模块收集数据，进行初步质控，对气象要素、颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物、挥发性有机成分探空进行立体展示，边界层内不同高度大气污染物分布特征，并利用空气质量模型对不同高度的污染生成、转化、传输进行诊断分析。
有益效果：本发明应用于边界层污染物高分辨率垂直观测，能够强化观测大气光化学过程产物关键组分及粒径谱，能够高时空分辨率观测边界层特定高度污染物及其二次组分生成转化过程。
与现有技术相比，本发明具有如下优点:
(1)可靠性高，集成度高，可连续使用。
(2)传统的边界层大气污染物观测平台中，铁塔观测高度固定，只能在特定高度架设仪器观测，垂直分辨率低；地基激光雷达能够观测至数千公里，但近地面存在盲区，且观测数据种类较少；系留气球体积较小，只能搭载几公斤的便携式观测仪器；飞机航测花费较高，空域管制难以申请导致航线固定且难以在低空盘旋观测，仪器预热时间不充分；卫星遥感覆盖面积大，但是容易受到云层影响，且对于边界层污染的观测反演不确定性较大。垂直观测平台缺少高空气态硫酸、高氧化态有机物及颗粒物粒径谱的垂直观测，发展基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统。
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
本发明的一种基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，包括如下步骤：
(1)区域空气质量预报模型提供垂直气象及污染分布特征，为飞艇探空方案制定及所观测组分仪器选择提供参考；包括如下步骤：
在步骤(a1)中，搭建基于大气动力化学耦合模式的空气质量预报模式，在高性能计算中心每日自动下载全球气象预报资料常规运行，预报未来三天的各类污染物的三维空间分布规律，在臭氧、细颗粒物污染物预报的时空分布的基础上支持飞艇观测方案的设计；
在步骤(b1)中，气象场输入资料的模拟采用中尺度气象预报模式实现，同时利用同化技术提高气象要素的预报效果，为空气质量模型提供较精准的气象预报场；
在步骤(d1)中，利用空气质量模型模拟计算未来三天中国东部及其周边区域气态和颗粒态污染物的传输扩散、化学转化、干湿沉降在大气环境中的一系列物理和化学过程，预报项目包括模拟范围内每小时二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、臭氧O3、一氧化碳CO、细颗粒物PM2.5、可吸入颗粒物PM10各项污染物的浓度分布。
(2)探空飞艇多任务挂架切换、挂架平台和仪器设备供电系统一体化；
(a2)由于飞艇本身的载荷有限，针对不同的污染类型搭载不同设备，设计三种组分观测挂架；
(b2)根据不同的天气情况在两小时内切换挂架；挂架左右对称设计，有利于载荷的左右平衡，并在中部留有充足空间供大型仪器的固定；
(c2)挂架底部采用薄层铝板封闭，上部及侧面采用防水罩封闭，整个挂架在使用中可形成相对密闭的环境，有利于仪器的稳定运行；
(d2)采用了不间断电源UPS，实现不断电、交流稳压、净化电源污染及智能调控功能；整个UPS系统由整流电路、直流直流交换电路、直流交流逆变电路、电池充放电管理电路、电池及旁路控制电路组成。
(3)常规监测仪器设备组装改进大幅减重，利用小型化仪器集成替代部分常规监测因子；所述的常规监测仪器设备组装改进大幅减重，利用小型化仪器集成替代部分常规监测因子主要包括：考虑常规气体单台常规监测仪器重量体积较大，将颗粒物计数器及高灵敏度电化学传感器进行集成，实现对常规污染六要素的在线监测。传感器设备主要由气体传感器模块、PM传感器模块、数据采集与传输模块及电池模块组成。集成仪器设有颗粒物进样口和气体进样口。颗粒物计数器内部设有红外传感器，不同粒径颗粒物经颗粒物进样口进入颗粒物计数器后，将产生强度不同的脉冲。气态污染物以一定流量送到传感器室，产生浓度结果数据。
(4)颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物、挥发性有机物成分垂直强化观测，包括如下步骤：气溶胶化学组分在垂直方向上大多不是均匀分布，且不同时间的垂直分布存在很大差异；针对不同的天气类型及不同的污染过程，测量垂直廓线，同时可以高空滞空测量；基于气溶胶质谱(TOF-ACSM)测量细颗粒物的组分，测量硫酸盐、硝酸盐、有机物组分；基于在线挥发性有机物监测质谱仪(PTR-MS)，测量甲苯、亚甲苯、苯、甲醛、二甲苯、乙二醇、1,3丁二烯50多种挥发性有机物，无需样品预处理、分辨率为5pptv，响应时间小于100ms。
(5)气溶胶粒径分布以及气态硫酸和高氧化态有机物垂直分布观测，具体包括如下步骤：基于大载荷飞艇的观测平台，利用气溶胶粒径谱SMPS及大气成分、气象要素传感器仪器，结合区域模式预报以及地面激光雷达实时观测，对气溶胶粒径分布进行垂直探空，监测边界层附近新粒子形成现象；气态硫酸和高氧化态有机物HOMs是大气光化学过程的重要终产物，亦是气溶胶新粒子形成及增长的主要前提物；基于常压化学离子化飞行时间质谱CI-APi-TOF；在边界层范围内监测气态硫酸和高氧化态有机物的垂直分布。
(6)高空数据采集传输、地面数据接收和分析模块集成，具体包括如下步骤：高空数据采集集成了大气环境监测设备、调试器和数据传输电台，通过通用异步收发传输器与主控模块进行物理连接，而主控模块直接通过无线传输向地面控制台传输数据；飞行数据则直接通过排线和控制模块连接，传输数据至控制模块；在飞艇数据集成传输系统中，大量的外部传感器数据读取、信息实时获取、信息整合和发送；采用的具有强大的处理性能主控；采用多核处理器，处理器主频为1GHz，装载内存芯片和存储ROM芯片，进行浮点数据的处理加快数据处理速度；
在地面站端，主要有调试器、数据传输电台和PC端3个部分，调试器主要负责获取机载控制系统端回传的调试输出信息，并获取地面调试人员的调试信息，将调试信息上传至控制系统；调试器主要是用于系统测试时对整个控制系统进行排错和优化；地面控制端分析模块收集数据，进行初步质控，对气象要素、颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物、挥发性有机成分探空进行立体展示，边界层内不同高度大气污染物分布特征，并利用空气质量模型对不同高度的污染生成、转化、传输进行诊断分析。
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 (8)
1.一种基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于包括如下步骤：
(1)区域空气质量预报模型提供垂直气象及污染分布特征，为飞艇探空方案制定及所观测组分仪器选择提供参考；
(2)探空飞艇多任务挂架切换、挂架平台和仪器设备供电系统一体化；
(3)常规监测仪器设备组装改进大幅减重，利用小型化仪器集成替代部分常规监测因子；
(4)颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物、挥发性有机物成分垂直强化观测；
(5)气溶胶粒径分布以及气态硫酸和高氧化态有机物垂直分布观测；
(6)高空数据采集传输、地面数据接收和分析模块集成，得到基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统。
2.根据权利要求1所述的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于：
在步骤(1)中，区域空气质量预报模型提供垂直气象及污染分布特征，为飞艇探空方案制定及所观测组分仪器选择提供参考，包括如下步骤：
(a1)搭建基于大气动力化学耦合模式的空气质量预报模式；
(b1)气象场输入资料的模拟采用中尺度气象预报模式实现，利用同化技术提高气象要素的预报效果；
(c1)利用统计数据、污染源普查、实验调研和卫星产品多套资料采用自下而上的方法建立适用于环境气象数值模式的中国多尺度污染源排放清单，为空气质量模型提供污染源排放数据的输入；
(d1)预报未来三天的各类污染物的三维空间分布规律，在臭氧、细颗粒物污染物预报的时空分布的基础上支持飞艇观测方案的设计。
3.根据权利要求1所述的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于：
在步骤(a1)中，搭建基于大气动力化学耦合模式的空气质量预报模式，在高性能计算中心每日自动下载全球气象预报资料常规运行，预报未来三天的各类污染物的三维空间分布规律，在臭氧、细颗粒物污染物预报的时空分布的基础上支持飞艇观测方案的设计；
在步骤(b1)中，气象场输入资料的模拟采用中尺度气象预报模式实现，同时利用同化技术提高气象要素的预报效果，为空气质量模型提供较精准的气象预报场；
在步骤(d1)中，利用空气质量模型模拟计算未来三天中国东部及其周边区域气态和颗粒态污染物的传输扩散、化学转化、干湿沉降在大气环境中的一系列物理和化学过程，预报项目包括模拟范围内每小时二氧化硫SO2、二氧化氮NO2、臭氧O3、一氧化碳CO、细颗粒物PM2.5、可吸入颗粒物PM10各项污染物的浓度分布。
4.根据权利要求1所述的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于：
在步骤(2)中，探空飞艇多任务挂架切换、挂架平台和仪器设备供电系统一体化主要包括：
(a2)由于飞艇本身的载荷有限，针对不同的污染类型搭载不同设备，设计三种组分观测挂架；
(b2)根据不同的天气情况在两小时内切换挂架；挂架左右对称设计，有利于载荷的左右平衡，并在中部留有2-3立方米的空间供大型仪器的固定；
(c2)挂架底部采用薄层铝板封闭，上部及侧面采用防水罩封闭，整个挂架在使用中可形成相对密闭的环境，有利于仪器的稳定运行；
(d2)采用了不间断电源UPS，实现不断电、交流稳压、净化电源污染及智能调控功能；整个UPS系统由整流电路、直流直流交换电路、直流交流逆变电路、电池充放电管理电路、电池及旁路控制电路组成。
5.根据权利要求1所述的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于：
在步骤(3)中，所述的常规监测仪器设备组装改进大幅减重，利用小型化仪器集成替代部分常规监测因子主要包括：考虑常规气体单台常规监测仪器重量体积较大，将颗粒物计数器及高灵敏度电化学传感器进行集成，实现对常规污染六要素的在线监测。
6.根据权利要求1所述的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于：在步骤(4)中，颗粒物前体物、气溶胶化学成分、臭氧以及其前体物氮氧化物、挥发性有机物成分垂直强化观测，包括如下步骤：气溶胶化学组分在垂直方向上大多不是均匀分布，且不同时间的垂直分布存在很大差异；针对不同的天气类型及不同的污染过程，测量垂直廓线，同时可以高空滞空测量；基于气溶胶质谱(TOF-ACSM)测量细颗粒物的组分，测量硫酸盐、硝酸盐、有机物组分；基于在线挥发性有机物监测质谱仪(PTR-MS)，测量甲苯、亚甲苯、苯、甲醛、二甲苯、乙二醇、1,3丁二烯50多种挥发性有机物，无需样品预处理、分辨率为5pptv，响应时间小于100ms。
7.根据权利要求1所述的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于：在步骤(5)中，气溶胶粒径分布以及气态硫酸和高氧化态有机物垂直分布观测，具体包括如下步骤：基于大载荷飞艇的观测平台，利用气溶胶粒径谱SMPS及大气成分、气象要素传感器仪器，结合区域模式预报以及地面激光雷达实时观测，对气溶胶粒径分布进行垂直探空，监测边界层附近新粒子形成现象；气态硫酸和高氧化态有机物HOMs是大气光化学过程的重要终产物，亦是气溶胶新粒子形成及增长的主要前提物；基于常压化学离子化飞行时间质谱CI-APi-TOF；在边界层范围内监测气态硫酸和高氧化态有机物的垂直分布。
8.根据权利要求1所述的基于飞艇的大气边界层污染物组分垂直观测系统，其特征在于：在步骤(6)中，高空数据采集传输、地面数据接收和分析模块集成，具体包括如下步骤：高空数据采集集成了大气环境监测设备、调试器和数据传输电台，通过通用异步收发传输器与主控模块进行物理连接，而主控模块直接通过无线传输向地面控制台传输数据；飞行数据则直接通过排线和控制模块连接，传输数据至控制模块；在飞艇数据集成传输系统中，大量的外部传感器数据读取、信息实时获取、信息整合和发送；采用的具有强大的处理性能主控；采用多核处理器，处理器主频为1GHz，装载内存芯片和存储ROM芯片，进行浮点数据的处理加快数据处理速度；
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