激光云高仪在空气质量监测的应用

激光云高仪在空气质量监测的应用⻢马杨维萨拉(北京）测量技术有限公司销售经理

/ May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala

提纲

1. 激光云高仪⼯工作原理技术特点

2. 边界层分析边界层演变边界层探测⽅方法-梯度法

3. 边界层探测实例典型天⽓气 2014年12⽉月北京边界层⽉月变化


LADAR激光云高仪


LIDAR工作原理

§  一束短脉冲光从云高仪的发射器发出至天空。

§  粒子 (例如云滴，气溶胶等) 散射部分光能返回至云高仪的接收器。

§  造成散射的粒子所在的高度可由光发出和返回的时间差推算出 (光速为 30 厘米/奈秒，约 1 英尺/奈秒)。

§  采用几束激光脉冲返回信号叠加的总和来提高

信噪比。

LIDAR = 激光探测和测距 (Light Detection and Ranging)

86 µs时的采样光束旅行的

总距离86,000英尺

7.5千米 / 25,000 英尺

10米 / 33英尺

0英尺

50 µs时的采样

反射光

67 ns时的采样

光束旅行的总距离66 英尺

顶层 13千米 / 43,000英尺

0 ns时的采样


LIDAR 方程

Pr(z) is the instantaneous power received from distance z

(Watts - W). Eo is the effective pulse energy

(taking all optics attenuation into account) (Joules = J, 1J = 1 Watt - second).

c is the speed of light (meters per second - m/s). A is the receiver aperture (m2). z is the distance in question (m). ß(z) is the volume backscatter coefficient at z (m-1srad-1).

is the two-way atmospheric transmittance (equals to 1 in a clear weather)

P ( ) ( ) r z Eo c A

z z =

2 2 β

z

0 e ∫ σ(z’) dz’ -2

z

0 e ∫ σ(z’) dz’ -2


§  由镜头和镜子区分出发射区和接收区。

§  发出光束和接收器的视场同轴，避免了机械对准。

§  相对基于双镜头的系统，大程度得扩展了低空测量的范围。

§  允许从地面高度测量起。

LIDAR先进技术 —— 单镜头技术

发射器

接收器

镜子

镜头

Nord站, 格陵兰岛由 DTU Wind Energy 运作

~150 米

基于双镜头的系统

发射器接收器


CL51激光云高仪技术数据 I 测量范围: 0...13 km (0...25,000 ft) 测量间隔: 6...120 s 报告分辨率: 5 m (10 ft) 数据信息: 触云数（最⼤大三层〕和状态

触云数，状态和后散射廓线触云数，状态和监控数据 CT12K, CT25K, LD-25/40 仿真

人眼安全: Class 1M (IEC/EN 60825-1) 激光: 910 nm 二极管, 脉冲频率 10 kHz 输出接⼝口数据线 RS232 / RS485 / modem

维护线 RS232 数据速率 RS-线: 300...57600

Modem: 300...2400, V.21, V.22, V.22bis


技术数据 II 重量 : 总重46kg

Measurement unit 18.6kg 倾斜位置 : 垂直或倾斜12° 输⼊入功率 : 115 or 230 VAC, 45-65 Hz 功耗 : 最大 310 W

测量单元 15 W 加热器 100 W 吹⻛风机 20 W 吹⻛风机加热器 175 W

备⽤用电池: 12V 密封铅酸性, 2 Ah


边界层分析边界层是

§ 是对流层的一部分。 § 与地⾯面温度相关且受其驱动。

§ 边界层是大气层中唯一的具有明确边界的层 (地球的表面)。

§ 边界的存在造成了边界层的独特大气结构。


边界层演变（晴天）

夜间的边界层混合层

残留层

夹卷层

地面表层

日出

日出


典型的一天中的大气边界层(PBL)的演变

残留层

雾

对流层


Boundary Layer Profiling - Method

§  In a reasonably transparent atmosphere the Lidar backscatter profiles can be expected to track the aerosol concentration.

§  This concentration, in turn, can be expected to reveal details about the vertical structure of the atmospheric boundary layer, such as mixing layer height.

§ The known methods to assess this quantity from backscatter profiles are generally based on the assumption that the mixed layer has a somewhat constant aerosol concentration that is distinctly higher than that of the air above.


Boundary Layer Analysis – Gradient Method

§  The mixed layer is expected to have a somewhat constant concentration that is higher than in the layers above.

§ Consequently, the difference between the mixed layer and the air above is assumed to be seen as a shift from a relatively strong backscatter inside the mixed layer to a lower backscatter level above it.

§  The technique selects the maximum of the negative gradient of the backscatter coefficient to be the top of the mixed layer.

Mixing height definition: The height value z where -dβ/dz, the negative gradient of the backscatter coefficient β has a maximum.


边界层探测实例


“蓝天白云”“繁星闪烁”

云

降水


强的雾霾层


悬浮在空中的沙尘层

混合层自由大气

沙尘层


Volcanic Ash clouds in Antarctica

Ash clouds

Cloud

•  北京朝阳区日坛路点位的边界层演变全纪录

•  2014年12月1—31日 •  设备：维萨拉CL51云高仪 •  12月9日，18日，27日分别出现三次AQI峰值（分别为276,165和243，数据来自北京市环境监测保护中心站）

12月1日 AQI 54

12月2日 65

12月3日 51

12月4日 31

12月5日 62

12月6日 80

12月7日 74

12月8日 138

12月9日

276！

12月10日 153

12月11日 52

12月12日 41

12月13日 69

12月14日 113

12月15日 82

12月16日 31

12月17日 99

12月18日

165

12月19日 53

12月20日 32

12月21日 44

12月22日 103

12月23日 100

12月24日 44

12月25日 73

12月26日 155

12月27日

243!

12月28日 155

12月29日 125

12月30日 65

12月31日 43

Further studies

谢谢!

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