【基于气溶胶激光雷达数据的污染物水平输运典型事件分析案例2200字】

基于气溶胶激光雷达数据的污染物水平输运典型事件分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u18994基于气溶胶激光雷达数据的污染物水平输运典型事件分析案例 [38]。取一次散射近似，则单波长米散射激光雷达方程为：P式中：P(z)表示观测距离为z时的大气后向散射的回波接收功率；C为常数，由系统决定；G(z)表示几何校正因子；β(z)为距离z处大气总后向散射系数，σ(z)为z处总消光系数。在公式的左右两边同乘z2ln当距离z>R时，G(z)=1，即lnG(z)=0。数据可采用多项式回归的方法拟合:ln式中：N表示多项式的阶数，近场几何重叠因子公式为：Gz在实际中一般根据天气条件来选择N值，一般选择N=2，晴朗的天气选择N=1，误差也很小。而在特殊天气，例如雾霾天和沙尘暴的天气，N则选择地大一些。图1.1中对某天某时刻济南市高新区的原始激光回波信号做一阶多项式拟合，从图中明显发现1.5km范围内，尤其在0-1km，两种曲线相差甚大。拟合信号越靠近雷达站点回波越强，而原始信号在近场信号衰减严重，确实需要被校正。如果激光雷达的结构合理、稳定，则系统几何重叠因子应该具有不变性。拟合用到从2.1km到5km的数据，计算得到拟合曲线与原始曲线的相关系数为0.84。图1.2为几何重叠因子校正处理前后对比图，经过几何因子校正，曲线在1km之下信号有所增强，线性效果较好，但在3公里以后有抖动。图1.3是将这一组几何校正因子运用到另一天某一时刻某一个角度处理前后对比图，可以观察到线性效果较好，但也存在3公里以外抖动的现象。几何重叠因子校正仍可以改进，可以选取比较干净的一天，选取多个不受遮挡的角度，多个周期进行叠加，再次比较校正前后的曲线，观察效果应该会更好。图1.1多项式拟合图1.2几何因子校正（1） 图1.3几何因子校正（2）1.2.2背景信号去除 去除背景信号之前，如图1.4所示，图中信号的近大远小现象非常明显，遮盖了局部污染物异常分布的特征，无法进行典型污染事件分析。图1.4背景信号去除前水平分布图 对某时刻的数据文件，进行完前面各个步骤的处理，得到几何因子校正后的信号，为了提高信噪比，采用了一种以帕斯卡三角形为权重的五点滑动式径向基空间滤波算法，对数据进行平滑处理。之后，选取有效的角度所对应的数组，计算出背景数据，拟合出背景斜线，再对所有角度的数据去掉背景，即可有效消除近大远小的现象。图1.5显示了对某一个角度(angle=321.76°)的数组依次进行预处理，距离平方校正，平滑处理，几何因子校正和背景斜线校正后的效果，图中可以观察到几何因子校正后近端数据变得正常，背景斜线几乎与几何因子校正后的曲线重合，扣除背景斜线后，如图中绿色曲线所示，在1km-2km内捕捉到了微小的起伏，说明该方法对局部异常的敏感性比较高。图1.5数据处理各曲线1.3典型事件分析为了尽可能避免高楼遮挡，开展连续污染物观测实验，激光雷达安装在济南市高新区大山坡公园半山腰，该雷达面向西南方，水平方位角约为204°，能进行全天24小时监测西面5km内跨度约100°范围内的污染物分布和传输过程。图1.6为2021年4月7日当天监测到多处局部污染源，图1.6显示了济南市历下区工业南路与颖秀路交口附近的万达广场局部污染源产生和扩散的过程，污染物主要分布在角度范围：300°-330°，距离范围1.5km-2.5km的区域。图1.7为雷达的安放位置以及万达广场的所在位置。可以看到，在310度方向，2公里处07:57产生了局部污染源，在7:57-8:20持续增加并向周围扩散。图1.6典型事件一图1.7雷达及万达广场位置从图1.6中还可以看出该污染团长度大约为1km,通过测量雷达所在位置的海拔可以确定污染团所处高度大约为150m。但由于没有进行三维扫描观测，因此无法区分污染物沿高度的分布。该事件给出了一个1.5μm气溶胶激光雷达在城市实时预报污染物的典型应用场景，在08:20左右时可以判别出污染团大小和扩散范围。如图1.8，万达广场附近气象微站的时间分辨率为1分钟，PM10在7:30-8:30整体大于100μg·m-3，属于轻度污染，此次污染源分布在工业南路与颖秀路交口附近，其来源可能为汽车尾气排放。图1.8万达广场附近气象微站PM10图1.9为雷达站内另一次污染源的产生过