污染物通量的扫描激光雷达探测方法研究

发布时间：2020-09-30 21:26

　　大气污染物通量即是单位时间内通过单位面积的污染物的流量,是表征污染物输送强度的物理参量,是一个包含污染物浓度和风速风向信息的综合性参数,具有大小和方向,在评估大气环境状况以及污染天气预报中有重要作用。因此,构建污染物通量的扫描激光雷达探测方法对于研究大气边界层内污染物的时空分布结构和输送机制具有重要的实际意义和明确的应用背景。本文以大气边界层内污染物通量为研究目标,基于大气污染物通量探测的基本原理,依托于三维扫描激光雷达和相干多普勒测风激光雷达实验系统,提出空间及时间尺度模式并依据该模式构建污染物通量的多数据融合模型,进而推算并分析时空尺度上的污染物水平、垂直输送特性。首先,利用扫描激光雷达对大气边界层内的气溶胶分别以垂直、三维锥扫描状态进行探测,根据气溶胶消光系数与质量浓度之间的数学回归关系将其转换为质量浓度,从而分析污染物质量浓度的高度分层及时间变化特性。其次,利用多普勒测风激光雷达对大气风场进行持续观测,多角度分析和验证水平风速风向的高度、时段分层特征。取日均污染物质量浓度的情况下,以大气风场数据作为唯一量进行构建空间、时间尺度的污染物通量分层计算模型,并基于该模型进行推算区域内污染物通量,分析时间、空间以及结合时空尺度下的风速风向数据对于污染物通量的影响价值。最终,实现扫描激光雷达和测风激光雷达的联合实时观测,分别反演所得污染物质量浓度和大气风场数据,利用污染物质量浓度与风速风向数据的数据匹配融合模型,包括反演空间、时间两种尺度和水平、垂直两类状态的污染物通量;分别设定空间、时间尺度基准,通过探究分析时空尺度上的污染物浓度差垂直分布结构及垂直通量输送特性。利用扫描激光雷达对大气边界层内气溶胶质量浓度的探测及反演,数据空间特征表明浓度随高度增加而减小的分布规律,且主要集中于1km以下高度层;时间尺度的变化规律依赖于大气风场,进一步验证了浓度转换公式及时空探测方法的可行性。大气风场连续观测数据显示,水平风速高空层大于低空层,晚间时段大于早间时段的特性,进而验证了分层理论的合理性和普适性。基于通量融合模型及实验结果,得出风场信息对污染物通量的影响价值由风速风向主导。污染物通量融合结果显示,空间尺度上垂直、水平输送强度均存在高度分层、低空强度大于高度的特征,垂直输送方向向下;时间尺度上水平输送强度须综合污染物浓度差和水平风速风向联合分析,输送方向即水平风向,初步探索性地分析了污染物的时空输送机制。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X831
【部分图文】：

污染物通量,扫描激光雷达,研究方法

大气污染物通量的探测与初步分析，须同步获得气溶胶质量浓度和参数。激光雷达作为一种具有高时空分辨率和高探测灵敏度的主动泛应用于大气特征参量探测、激光大气传输、全球气候预测、大气安理工大学激光雷达大气遥感研究中心已经研发了具有自主知识激光雷达系统，为探测水平、垂直通量提供技术支持。本章将从大理出发，简要介绍通量探测的理论模型，气溶胶质量浓度反演方法术路线，包括空间、时间尺度通量探测技术方案等。染物通量探测原理污染物通量理论探测模型量的探测是研究边界层内污染物空间分布与输送机制的重要物理为水平、垂直污染物通量，均可表示单位时间内流经与气流方向垂物质量，其方向与风向相同，即与流经平面垂直正交。污染物通量

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污染物通量激光雷达探测技术风场数据探测理论用相干多普勒测风激光雷达实现对大气风场数据的实时探测，该系扫描[52]即 8 个视线方位，固定仰角 70°，呈现一个细长的倒锥形状用直角坐标系进行描述，采用一定的数据反演方法，可以对探测区演提取，再根据需要通过颜色或者数值曲线对风速大小和方向进行8 米[53]。探测原理如图 2-2 所示。

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系统结构如图3-1 所示，系统参数如表 3-1 所示。图 3-1 扫描激光雷达系统构成示意图Fig. 3-1 Schematic diagram of scanning laser radar system其中激光发射系统采用 Nd:YAG 脉冲激光器作为探测光源。为保证激光能量的稳定工作能力，激光发射系统采用加入了温度控制单元。发射系统产生的脉冲激光经过准直扩束器，该器件是由目镜与物镜构成的伽利略望远镜，一般倒置使用，激光由目镜射入，物

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