CN111103591A - 区域污染物三维分布及输送定量评价的激光雷达稽查系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了区域污染物三维分布及输送定量评价的激光雷达稽查系统，该系统主要包括：从移动稽查车获取监测区域的地理位置信息，从多轴差分吸收光谱装置获得气态污染物的斜柱浓度，扫描雷达获取颗粒态气溶胶的消光系数廓线，从风廓线雷达得到风场信息；将气态污染物斜柱浓度转化为浓度垂直廓线，将颗粒态污染物的消光廓线转化为质量浓度廓线；根据气态污染物的浓度垂直廓线，并结合风场信息计算气态污染物输送通量；根据颗粒态污染物的质量浓度和风场数据，计算颗粒态污染物的输送通量；根据上述地理位置信息及反演数据，实时展示污染物的三维分布，并进行区域污染物通量的定量评价。本发明装置装配简单，计算过程容易实现。
Description
技术领域
本发明涉及环境科学、激光雷达技术领域，具体为区域污染物三维分布及输送定量评价的激光雷达稽查系统。
背景技术
近二十年，我国大气污染日益严重，我国城市大气环境中总悬浮颗粒物浓度普遍超标，二氧化硫污染保持在较高水平，机动车尾气污染物排放总量迅速增加，氮氧化物污染呈加重趋势，全国形成华中、西南、华东、华南多个酸雨区，以华中酸雨区为重。我国是继欧洲、北美之后世界第三大重酸雨区。
大气中的SO2、NO2等是大气中的重要污染气体，其参与了臭氧的光化学反应及气溶胶的生成，对人类的健康有着重大危害。当前探测气态污染物的方法有很多，其中，多轴差分光学吸收光谱技术(Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy)利用大气中的各种痕量气体如SO2、NO2、O3、HCHO 等对太阳散射光的“指纹”特性吸收强度来反演这些痕量气体在大气中的浓度，进而得到其在整层大气的垂直分布信息，在测量气态污染物方面得到广泛应用。
与此同时，激光雷达技术也逐步发展，利用扫描激光雷达进行区域颗粒态污染物探测也是研究区域污染情况的重要手段之一。使用车载扫描激光雷达进行移动监测时，结合地理位置信息，可以实时展示颗粒态污染物的在区域内的三维分布，有利于深入了解污染形成的外部条件，为区域污染联合防治提供科学支持。但由于缺乏整层大气的风场分布，在计算进行污染物通量计算以及污染物来源判定方面受到极大的局限。
风廓线雷达是一种新型的测风雷达，能够连续提供大气水平风场、垂直气流等气象要素的垂直分布，结合多轴差分吸收光谱装置、扫描激光雷达，能够有效地对工业区、面源或区域源(大城市)的污染物进行监测，通过计算污染物输送通量，定量评价污染物来源。
颗粒物激光雷达在大气复合污染立体监测中的应用，(中国环境监测2015年 05期)，针对由于局地污染、沙尘输入、外源性输入与局地污染物相互叠加所导致的3种灰霾污染发生过程,分别选取3个典型案例,采用颗粒物激光雷达对污染物的时空分布特征进行解析。研究发现,在局地污染发生时,污染物从地面开始垂直向上扩散,扩散高度约1km。重度污染过程中,气溶胶的日均垂直消光系数随高度的变化背离指数衰减特征,800m高度处出现消光系数的极大值层,极大值超过 2.5km-1,800m以下消光系数近乎常数,约为0.3km-1。这说明,重污染过程中,有一层较厚重的颗粒物分布,使近地面污染物在垂直方向的扩散能力减弱,形成积累效应,造成大面积空气混浊。当有外源性沙尘输入时,激光雷达能够清晰地监测到污染团输入的全过程。沙团突然出现在高空2～3km。污染团退偏振度较大,超过0.3。随着沙尘粒子的重力沉降,沙团的轮廓在垂直方向上不断地增大。沙团的输入,导致近地面粗颗粒质量浓度的增加幅度明显大于细颗粒。在第3个案例中,激光雷达清晰地监测到高空1.8～3km突然出现含有大量球形细颗粒的污染团,同时还发现此污染团与近地面的污染物有不同的演化特征。近地面污染物随时间垂直向上扩散,12:00左右扩散高度超过1.8km。而高空的污染团逐渐沉降进入边界层内, 与近地面扩散的污染物相互混合,共同导致本地的灰霾天气。综上所述,激光雷达可以清晰地捕获污染物的垂直结构特征,对不同的致霾过程进行立体解析,实现对大气复合污染的监测和机理研判。
发明内容
本发明的目的是提供一种区域污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统，以定量评估污染物在区域内的输送通量。
一种区域污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统，主要包括：
S101:移动稽查车在指定区域内进行走航观测，并实时记录地理位置信息(记为
)；走航观测过程中，车载多轴差分吸收光谱装置实时计算气态污染物的多角度斜柱浓度(记为SCD)；车载扫描激光雷达实时计算颗粒态污染物的消光系数廓线(记为ext(z))；风廓线雷达获取风场数据的水平分量(记为
)；
S102:(1)根据拟合系数法，将αa(z)转化为颗粒态污染物质量浓度垂直廓线(记为ρa(z))；
(2)在辐射传输模型(RTM)中输入同时间的消光系数廓线αa(z)，并输入监测区域内的特征气溶胶单次散射反照率和非对称因子，结合痕量气体浓度垂直分布反演算法(GPRM)，将多角度的SCD转化为浓度垂直廓线(记为ρg(z))；
(3)根据上述结果和风场信息，分别计算监测区域内的颗粒态污染物的传输通量(fluxa)及气态污染物的传输通量fluxg，计算公式可参考下式：
S103:根据上述地理位置信息和反演结果，显示污染物的三维分布；
S104:并根据颗粒态污染物的传输通量及气态污染物的传输通量，对该区域进行污染物输送通量进行定量评价，判断污染物来源。
优选的，风场信息是指获取的风场数据的水平分量。
优选的，步骤S102中，在辐射传输模型中输入同时间的消光系数廓线，并输入监测区域内的特征气溶胶单次散射反照率和非对称因子，结合痕量气体浓度垂直分布反演算法，将多角度斜柱浓度转化为浓度垂直廓线。
优选的，移动稽查车上配备多轴差分吸收光谱装置，所述多轴差分吸收光谱装置实时反演气态污染物的多角度的斜柱浓度。
优选的，移动稽查车配备扫描激光雷达，扫描激光雷达激接收到在监测区域内距离的后向散射回波信号。
优选的，移动稽查车配备风廓线雷达，所述风廓线雷达实时反馈风场信息，所风场信息包括水平分量。
本发明的有益效果：从移动稽查车获取监测区域的地理位置信息，从多轴差分吸收光谱装置获得气态污染物的斜柱浓度，扫描雷达获取颗粒态气溶胶的消光系数廓线，从风廓线雷达得到风场信息；将气态污染物斜柱浓度转化为浓度垂直廓线，将颗粒态污染物的消光廓线转化为质量浓度廓线；根据气态污染物的浓度垂直廓线，并结合风场信息计算气态污染物输送通量；根据颗粒态污染物的质量浓度和风场数据，计算颗粒态污染物的输送通量；根据上述地理位置信息及反演数据，实时展示污染物的三维分布，并进行区域污染物通量的定量评价。本发明装置装配简单，计算过程容易实现。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明中关于多轴差分吸收光谱装置计算区域内气态污染物通量流程图；
图3为本发明中关于扫描激光雷达计算区域内颗粒态污染物通量流程图；
图4为本发明中关于移动稽查车进行区域污染物监测示意图。
具体实施方式
利用车载扫描激光雷达结果计算颗粒态污染物输送通量的算法流程如图3，根据扫描激光雷达算法结合风廓线雷达输出的风场信息，结合地理位置信息及通量计算公式，可以估算监测区域内颗粒态污染物传输通量。
利用车载多轴差分吸收光谱装置结果计算气态污染物输送通量的算法流程如图2，根据多轴差分吸收光谱装置算法结合风廓线雷达输出的风场信息，结合地理位置信息及通量计算公式，可以估算监测区域内气态污染物传输通量。
第一步，利用扫描激光雷达反演颗粒态污染物浓度。
扫描激光雷达接收到的大气气溶胶的米散射回波功率为：
其中：P(z,λ)为激光雷达接收到距离R处的后向散射回波信号(W)；C为激光雷达系统常数(W·km3·Sr)，βa(R,λ)和βm(z,λ)分别为距离z处的气溶胶后向散射系数(km-1·Sr-1)和大气分子后向散射系数(km-1·Sr-1)，αa(z,λ)和αm(z,λ)分别为距离z处气溶胶消光系数(km-1)和大气分子的消光系数。
根据Fernarld方法计算得到标定高度(zc)以下及标定高度以上的气溶胶消光系数的垂直廓线：
式中Sa为气溶胶颗粒的雷达比，Sm为大气分子的雷达比，PRR为距离平方校正信号。
利用拟合系数，通过转换关系
得到颗粒态污染物质量浓度垂直廓线ρg(z)。
根据通量计算公式，计算监测区域内的颗粒态污染物输送通量。
第二步，利用多轴差分吸收光谱装置反演气态污染物浓度。
多轴差分吸收光谱装置是以太阳散射光为光源的被动DOAS技术，光束在大气中经过多次散射候，被多轴差分吸收光谱装置测量得到气态污染物浓度沿光程的积分，即柱浓度，根据Lambert-Beer定律可知：
式中，I(λ)为多轴差分吸收光谱装置探测器接收光强，I0(λ)为探测器接收到的不含气态污染物的太阳辐射强度。公式中
εR(λ)、εM(λ)为气态污染物的慢变化部分，统一写作I′0(λ)，整理为：
将∫cjds记为SCDj，则整理得到：
获取同一时刻扫描激光雷达输出的消光系数廓线αa(R,λ)，输入到辐射传输模型(RTM)，并输入监测区域内的特征气溶胶单次散射反照率和非对称因子，结合痕量气体浓度垂直分布反演算法(GPRM)，获得气态污染物的提及混合比垂直廓线，并转化为质量浓度廓线ρg(z)。
根据通量计算公式，计算监测区域内的气态污染物输送通量。
第三步，结合地理位置信息，将上述污染物分布进行三维分布绘图，并根据计算得到的输送通量进行污染物来源的评价。
Claims (7)
1.本发明公开了区域污染物三维分布及输送定量评价的激光雷达稽查系统，该系统主要包括：
S101:从移动稽查车获取监测区域的路径信息，从多轴差分吸收光谱装置获得气态污染物的多角度斜柱浓度，从扫描激光雷达获取颗粒态污染物的消光系数廓线，从风廓线雷达得到风场信息；
S102:将气态污染物斜柱浓度转化为浓度垂直廓线，根据风场信息计算气态污染物的输送通量；
将颗粒态污染物的消光廓线转化为质量浓度廓线，并结合风场信息计算颗粒态污染物输送通量；
S103:根据上述移动稽查车获取的路径信息及反演数据，实时显示污染物的三维分布；
S104:根据上述结果定量评价污染物输送通量。
2.根据权利要求1所述的车载扫描激光雷达计算污染物排放通量的方法，其特征在于，所述移动稽查车实时记录其路径信息，所述路径信息包括地理位置信息。
3.根据权利要求1所述的车载扫描激光雷达计算污染物排放通量的方法，其特征在于，所述风场信息是指获取的风场数据的水平分量。
4.根据权利要求1所述的车载扫描激光雷达计算污染物排放通量的方法，其特征在于，所述步骤S102中，在辐射传输模型中输入同时间的消光系数廓线，并输入监测区域内的特征气溶胶单次散射反照率和非对称因子，结合痕量气体浓度垂直分布反演算法，将多角度斜柱浓度转化为浓度垂直廓线。
5.根据权利要求1所述的车载扫描激光雷达计算污染物排放通量的方法，其特征在于，所述移动稽查车上配备多轴差分吸收光谱装置，所述多轴差分吸收光谱装置实时反演气态污染物的多角度的斜柱浓度。
6.根据权利要求1所述的车载扫描激光雷达计算污染物排放通量的方法，其特征在于，所述移动稽查车配备扫描激光雷达，扫描激光雷达激接收到在监测区域内距离的后向散射回波信号。
7.根据权利要求1所述的车载扫描激光雷达计算污染物排放通量的方法，其特征在于，所述移动稽查车配备风廓线雷达，所述风廓线雷达实时反馈风场信息，所风场信息包括水平分量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
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Application publication date: 20200505 |