一种用臭氧雷达探测大气边界层的方法技术

一种用臭氧雷达探测大气边界层的方法，属于大气污染监测技术领域，包括以下步骤：S1臭氧雷达产生激光信号发射到大气中，受到气溶胶的反射产生回波信号，采集回波信号；S2选择回波信号中的一组，记作A；S3设定一定高度以上的大气层为洁净大气层，将其回波信号作为背景噪声，记作Am，将信号A依次减去Am，获得去噪后的信号数据；S4使用Fernald反演算法处理去除噪声后的信号数据，计算出大气气溶胶消光系数，记作E；S5使用小波协方差函数计算出大气边界层高度H。本发明专利技术计算结果满足要求，实现臭氧雷达一物多用；同时为分析大气逆温层，评估臭氧污染的扩散势能，提供了数据支撑。提供了数据支撑。提供了数据支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种用臭氧雷达探测大气边界层的方法


[0001]本专利技术属于大气污染监测
，涉及一种用臭氧雷达探测大气边界层的方法。

技术介绍

[0002]近年来，臭氧污染逐步成为环境污染的主要参考因素，当其浓度超过一定限值后，会刺激人的呼吸系统，破坏中枢神经，严重影响人们的正常生产与生活。大气边界层高度是逆温层的一个主要参考指标，而逆温层则直接影响了城市臭氧污染的扩散。
[0003]公布号为CN103135113A的中国专利技术申请，公开了一种测量大气边界层高度的方法。该方法采用基于重力波理论的算法——重力波梯度法获取边界层高度，直接将气溶胶在重力波作用下的垂直分布引入到算法理论中。
[0004]公布号为CN112146623A的中国专利技术申请，公开了一种大气边界层顶高度估算方法，利用探空资料统计某区域逆温层的季节分布特征；在近地面逆温占主导地位的季节，统计近地面逆温顶部所在高度的数分布特征，取其上四分之一位数作为该季节的数阈值；在对流层低层逆温占主导地位的季节，统计对流层低层逆温底部所在高度的数分布特征，取其下四分之一位数作为该季节的数阈值。
[0005]公布号为CN114282170A的中国专利技术申请，公开了一种准确计算大气边界层高度的方法，首先通过三次样条差值法，把探空资料的原始数据转换成垂直分辨率为10m的m行
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12列的数据，从转化后的数据文件中读取温度值、海拔高度值和气压值；然后计算绝对温度和位温值；再计算两层位温差，计算时设定从距地面600m以上开始，最早出现该层位温与100m以下层的位温差超过0.3℃，同时设定该层以上100m处位温与该层位温差超过0.3℃，表明该层所在高度为大气稳定出现逆温层的高度，则将该层底部以下范围确定为边界层高度。
[0006]公布号为CN110058258A的中国专利技术申请，公开了一种基于混合型激光雷达的大气边界层探测方法。其基本原理为：利用一台混合型激光雷达，集成直接探测气溶胶激光雷达系统和相干测风激光雷达系统，同时探测气溶胶光学特性和湍流强度的垂直廓线，分别反演出大气边界层高度，利用两者差值与选定阈值的比较，判定出不同类型的大气边界层。
[0007]上述现有技术在探测大气边界层时，都需要专门的设备。如果在臭氧雷达探测臭氧时空分布的同时，利用臭氧雷达探测出边界层高度，一方面可以使臭氧雷达一物多用、降低城市污染监测治理成本；另一方面可以将臭氧污染分布与边界层高度快速结合，为分析城市臭氧污染的扩散特性，预测未来时间内臭氧的变化趋势提供数据参考。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种用臭氧雷达探测大气边界层的方法，在臭氧雷达探测臭氧时空分布的同时，利用臭氧雷达探测出边界层高度，实现臭氧雷达一物多用，降低城市污染监测治理成本；同时将臭氧污染分布与边界层高度快速结合，为分析城市臭氧污染的扩
散特性，预测未来时间内臭氧的变化趋势提供数据参考。本专利技术的目的通过以下技术方案实现。
[0009]一种用臭氧雷达探测大气边界层的方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0010]S1臭氧雷达产生三组不同波长的激光信号发射到大气中，这三组激光信号在大气中受到气溶胶的反射产生回波信号，计算机采集回波信号。
[0011]S2选择计算机所采集的回波信号中的一组，记作A。所选择的回波信号具备高度特性，若高度分辨率为30米，监测总高度为30千米，则共计有1000个信号梯度点。
[0012]S3根据经验一定高度以上为洁净的大气层，这个范围内的回波信号基本是由大气分子所产生，故将其作为背景噪声，记作Am，将信号A依次减去Am去除背景噪声，获得去噪后的信号数据。
[0013]S4使用Fernald反演算法对去除噪声后的信号数据进行处理，计算出大气气溶胶消光系数，记作E。
[0014]S5根据气溶胶消光系数E在大气边界层位置附近有突变的特性，使用小波协方差函数计算出大气边界层高度H。
[0015]上述方法中，步骤S1同时是臭氧雷达探测臭氧时空分布的步骤，臭氧雷达探测臭氧时空分布的过程为：通过高能紫外激光器发射多组波长接近的脉冲激光，激光经过扩束器发射到大气中与臭氧、气溶胶等发生相互作用，后向散射光被望远镜接收，得到各波长的回波信号，由差分吸收激光雷达算法反演出大气中臭氧的浓度。
[0016]进一步地，步骤S2选择三组激光信号中波长最长的那一组的回波信号。
[0017]进一步地，步骤S3所述的一定高度为25千米。
[0018]进一步地，步骤S4所述Fernald反演算法的计算公式如下：
[0019][0020]式中：
[0021]α
a
(R)为R处气溶胶消光系数，无因次；
[0022]α
m
(R)为R处大气分子消光系数，无因次，根据标准大气分子模型确定；
[0023]R为探测高度，单位千米；
[0024]R
c
为不含气溶胶的洁净大气层所在高度，单位千米，可设定为25千米；
[0025]P(R)为R处的回波信号，无因次；
[0026]r为高度，单位千米；
[0027]S
m
为大气分子后向散射比，无因次，取值8π/3；
[0028]S
a
为气溶胶消光后向散射比，无因次。
[0029]进一步地，步骤S5所述小波协方差函数的计算公式如下：
[0030][0031]式中：
[0032]z
t
为信号h距离上限，单位米；
[0033]z
b
为信号h距离下限，单位米；
[0034]a为相邻信号距离间隔，单位米；
[0035]z为高度，单位米；
[0036]E(z)为Z处信号对应的气溶胶消光系数；
[0037]W
f
(a,b)取得最小值时，对应的位置b即为边界层高度。
[0038]本专利技术具有以下有益技术效果：
[0039]在臭氧雷达监测臭氧时空分布的同时，可计算出大气边界层高度，计算结果与专门的气溶胶雷达监测结果相比，满足误差要求，实现臭氧雷达一物多用、降低城市污染监测治理成本；同时为分析大气逆温层，评估臭氧污染的扩散势能，提供了有效的数据支撑。
附图说明
[0040]图1是实施例1在时间点T1、T2分别采用臭氧雷达和气溶胶雷达获得的反演消光数据。
[0041]图2是实施例1在时间点T3、T4分别采用臭氧雷达和气溶胶雷达获得的反演消光数据。
[0042]图3是实施例1分别采用臭氧雷达和气溶胶雷达获得的边界层高度。
[0043]图4是实施例2利用臭氧雷达计算的边界层高度曲线。
具体实施方式
[0044]下面结合说明书附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施方式仅仅是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术的实施方式，本领域普通技术人员在没有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用臭氧雷达探测大气边界层的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1臭氧雷达产生三组不同波长的激光信号发射到大气中，这三组激光信号在大气中受到气溶胶的反射产生回波信号，计算机采集回波信号；S2选择计算机所采集的回波信号中的一组，记作A；S3设定一定高度以上的大气层为洁净大气层，将其回波信号作为背景噪声，记作Am，将信号A依次减去Am去除背景噪声，获得去噪后的信号数据；S4使用Fernald反演算法对去除噪声后的信号数据进行处理，计算出大气气溶胶消光系数，记作E；S5根据气溶胶消光系数E在大气边界层位置附近有突变的特性，使用小波协方差函数计算出大气边界层高度H。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2选择三组激光信号中波长最长的那一组的回波信号。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3所述的一定高度为25千米。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4所述Fernald反演算法的计算公式如下：式中：α
a<...

【专利技术属性】
技术研发人员：付江辉，
申请(专利权)人：北京环拓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：