CN111189749A - 实现颗粒态污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了实现颗粒态污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统，包括：读取移动稽查车的地理位置信息，读取车载扫描激光雷达的消光系数、退偏振比，读取风廓线雷达的风场数据；获取湿度传感器的湿度数据，及颗粒物监测仪的污染物浓度；剔除非颗粒态污染物的消光系数，得到污染物的消光系数并进行修正，得到干气溶胶的消光系数；通过仿真模拟的方法获取消光系数的近地面数据与地面监测的污染物浓度的对应关系以及消光系数高度廓线，得到污染物浓度的高度廓线从而计算得到污染物的传输通量和颗粒态污染物通量，根据上述反演结果及地理位置信息，实时展示污染物的三维分布，并进行通量定量评价，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、激光雷达领域，具体为一种可实现颗粒态污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统。
背景技术
工业生产向大气中排放大量污染物是大气污染形成的重要原因。大气中的悬浮颗粒物会通过散射和吸收太阳辐射影响大气气候，并作为一些化学反应的反应床，使空气污染变得错综复杂。近年来，可吸入颗粒物已成为大气的一种主要污染物，大气中的PM2.5、PM10又是大量有害物质的载体，当其通过呼吸道进入人体时，所带来的危险往往高于单一污染物。因此PM2.5、PM10是评价大气质量的重要指标，受到广泛关注，大气污染物测量技术也成为当前环境监测领域的研究热点。
激光雷达技术是大气颗粒物探测的重要手段之一，它能够获得颗粒物的空间分布信息。仅仅知道颗粒物的空间分布还不足以评价污染源排放的强度和对周围区域的污染输送。研究特定时间段污染物输送状况是一项具有极高科学意义和使用价值的工作。使用车载激光雷达进行移动观测时，结合风场数据，计算工业区、面源或区域源(大城市)的颗粒态污染物排放通量，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。
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可实现颗粒态污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统，采用技术方案如下：该系统主要包括：步骤1、从GPS(全球定位系统)读取移动稽查车的地理位置信息；获取由车载扫描雷达反演的消光系数、退偏振比；获取由风廓线雷达测量得到的风场数据；获取由湿度传感器测量的湿度数据；获取由颗粒物仪测量的污染物浓度；
步骤2、根据颗粒态污染物的消光系数和退偏振比范围，筛选并剔除非颗粒态污染物的范围，得到颗粒态污染物对应的消光系数；
步骤3、结合步骤步骤2得到的消光系数，利用步骤步骤1的湿度数据(RH)并计算除湿因子，对步骤步骤2的消光系数按下式进行湿度校准；
步骤4、在步骤步骤3得到的湿度校准的消光系数基础上，将近地面区间的消光系数与地面监测的污染物浓度进行数值拟合，得到二者的关系系数；
步骤5、对实时采集的数据执行步骤步骤1-步骤3，并利用步骤步骤4得到的对应关系得到实时的颗粒态污染物浓度的高度廓线；
步骤6、根据风场数据和颗粒态污染物浓度的高度廓线，计算得到污染物的传输通量；
步骤7、根据风场数据及地理位置信息，计算上风向区域内的流入通量和下风向的流出通量的差，即为污染物排放通量。
优选的，配备有车载扫描激光雷达、风廓线雷达、GPS，扫描雷达能够实时反演颗粒态污染物的消光系数的廓线，风廓线雷达能够实时获取风场数据，GPS能够记录地理位置信息。
优选的，步骤3中，结合步骤步骤2得到的消光系数，利用步骤步骤1的湿度数据RH,得到除湿因子F＝1/(1-RH)，对步骤2中颗粒态污染物的消光系数按下述公式进行湿度校准：extF＝ext/F。
优选的，步骤4中，步骤3中得到的湿度校准的消光系数extF与地面监测的污染物浓度ρ二者对应关系，用公式描述为
式中的a，b，c为关系系数,高度廓线指的是以高度为纵轴、以污染物浓度为横轴所绘制的一条曲线，表征污染物浓度与高度存在关系，无特殊绘图处理，是对污染物浓度的一种描述。
优选的，步骤5中，对实时采集的数据执行步骤步骤1-步骤3，并根据步骤步骤4的对应关系
计算实时的污染物浓度的高度廓线。
优选的，步骤6中，根据风场数据
和步骤5中得到的污染物浓度的高度廓线，可按下式计算得到污染物的传输通量：
其中
为传输通道方向。
优选的，根据地理位置信息
计算上风向区域内的流入通量和下风向的流出通量的差，即沿监测路径的通量矢量和，可得到颗粒态污染物输送通量：
本发明的有益效果：读取移动稽查车的地理位置信息，读取车载扫描激光雷达的消光系数、退偏振比，读取风廓线雷达的风场数据；获取气象模式下的湿度数据，及地面监测的污染物浓度；根据消光系数、退偏振比，判别并剔除非颗粒态污染物的消光系数，得到污染物的消光系数；根据湿度数据对污染物消光系数进行修正，得到干气溶胶的消光系数；根据修正的消光系数的近地面数据以及地面监测的污染物浓度，通过仿真模拟的方法获取消光系数的近地面数据与地面监测的污染物浓度的对应关系；根据上述对应关系以及消光系数高度廓线，得到污染物浓度的高度廓线；根据风场数据和污染物浓度的高度廓线，可计算得到污染物的传输通量；计算上风向区域内的流入通量和下风向的流出通量的差，即为颗粒态污染物通量。根据上述反演结果及地理位置信息，实时展示污染物的三维分布，并进行通量定量评价。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为本发明移动稽查系统的输送通量计算流程图。
具体实施方式
一种可实现颗粒态污染物三维分布及输送定量评价的移动激光雷达稽查系统，主要包括：数据获取：激光雷达消光廓线、退偏振比廓线、风廓线雷达风场数据、近地面PM2.5、走航信息；
数据计算，(1)根据消光廓线与退偏振比廓线，剔除非气溶胶的消光数据；(2)根据近地面的PM2.5及激光雷达消光廓线的近地面数据，拟合得到PM2.5的高度廓线；(3)将走航路径上的风场数据及消光数据进行耦合计算，得到走航区域的净污染物输送通量。
进一步来讲，包括以下步骤，如图1、2所示：步骤1、从GPS(全球定位系统)读取移动稽查车的地理位置信息；获取由车载扫描雷达反演的消光系数、退偏振比；获取由风廓线雷达测量得到的风场数据；获取由湿度传感器测量的湿度数据；获取由颗粒物仪测量的污染物浓度；
步骤2、根据颗粒态污染物的消光系数和退偏振比范围，筛选并剔除非颗粒态污染物的范围，得到颗粒态污染物对应的消光系数；
步骤3、结合步骤步骤2得到的消光系数，利用步骤步骤1的湿度数据(记为RH),得到除湿因子F＝1/(1-RH)，对步骤步骤2的消光系数按下述公式进行湿度校准：
extF＝ext/F,
步骤4、在步骤步骤3得到的湿度校准的消光系数extF基础上，选取近地面的部分，与地面监测的污染物浓度(记为ρ)进行仿真拟合，得到二者对应关系，用公式描述为
式中的a，b，c为关系系数；
步骤5、对实时采集的数据执行步骤步骤1-步骤3，并根据步骤步骤4的对应关系
计算实时的污染物浓度的高度廓线；
步骤6、根据风场数据(记为
)和污染物浓度的高度廓线，可按下式计算得到污染物的传输通量：
其中
为传输通道方向。
步骤7、根据地理位置信息(将监测路径矢量信息记为
)，计算上风向区域内的流入通量和下风向的流出通量的差，即沿监测路径的通量矢量和，可得到颗粒态污染物输送通量：
步骤8、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，并进行通量定量评价。
利用本专利申请，读取移动稽查车的地理位置信息，读取车载扫描激光雷达的消光系数、退偏振比，读取风廓线雷达的风场数据；获取气象模式下的湿度数据，及地面监测的污染物浓度；根据消光系数、退偏振比，判别并剔除非颗粒态污染物的消光系数，得到污染物的消光系数；根据湿度数据对污染物消光系数进行修正，得到干气溶胶的消光系数；根据修正的消光系数的近地面数据以及地面监测的污染物浓度，通过仿真模拟的方法获取消光系数的近地面数据与地面监测的污染物浓度的对应关系；根据上述对应关系以及消光系数高度廓线，得到污染物浓度的高度廓线；根据风场数据和污染物浓度的高度廓线，可计算得到污染物的传输通量；计算上风向区域内的流入通量和下风向的流出通量的差，即为颗粒态污染物通量。根据上述反演结果及地理位置信息，实时展示污染物的三维分布，并进行通量定量评价。本发明装置装配简单，计算过程容易实现。
上述实施例仅例示性说明本专利申请的原理及其功效，而非用于限制本专利申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本专利申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本专利申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本专利请的权利要求所涵盖。
Claims (2)
1.实现颗粒态污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统，其特征在于：该系统主要包括：
步骤1、读取移动稽查车的地理位置信息；读取车载雷达的消光系数、退偏振比；获取风廓线雷达的风场数据；气象模式下的湿度数据；获取地面监测的污染物浓度；
步骤2、根据颗粒态污染物的消光系数和退偏振比范围，筛选并剔除非颗粒态污染物的范围，得到颗粒态污染物对应的消光系数；
步骤3、结合步骤步骤2得到的消光系数，利用步骤步骤1的湿度数据(RH)并计算除湿因子，对步骤步骤2的消光系数按下式进行湿度校准；
步骤4、在步骤步骤3得到的湿度校准的消光系数基础上，将近地面区间的消光系数与地面监测的污染物浓度进行数值拟合，得到二者的关系系数；
步骤5、对实时采集的数据执行步骤步骤1-步骤3，并利用步骤步骤4得到的对应关系得到实时的颗粒态污染物浓度的高度廓线；
步骤6、根据风场数据和颗粒态污染物浓度的高度廓线，计算得到污染物的传输通量；
步骤7、根据风场数据及地理位置信息，计算上风向区域内的流入通量和下风向的流出通量的差，即为污染物排放通量。
2.根据权利要求1所述的实现颗粒态污染物输送定量评价的移动激光雷达稽查系统，其特征在于：配备有车载扫描激光雷达、风廓线雷达、GPS，扫描雷达能够实时反演颗粒态污染物的消光系数的廓线，风廓线雷达能够实时获取风场数据，GPS能够记录地理位置信息。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20200522 |