[发明专利]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

说明书

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。

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