風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的方法及氣溶膠時(shí)空分布與風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分布的疊加方法與流程
本發(fā)明涉及大氣監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的方法，及氣溶膠時(shí)空分布與風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分布的疊加方法。
背景技術(shù)：
大氣氣溶膠是指懸浮于大氣中的固體和液體顆粒，氣溶膠粒子通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射以及地球長(zhǎng)波輻射影響天氣和氣候的變化。由于自然因素和人為因素,氣溶膠屬性在時(shí)間和空間上都有很大的變動(dòng)性,基于全球變化以及環(huán)境保護(hù)方面研究的需要,對(duì)氣溶膠垂直分布的觀測(cè)研究需要不斷加強(qiáng)。
激光雷達(dá)通過(guò)向大氣發(fā)射激光束，利用大氣中的氣溶膠為媒介，進(jìn)行大氣遙感探測(cè)。由于激光波長(zhǎng)較短以及脈沖寬度很窄，因而可以實(shí)現(xiàn)大氣層內(nèi)高精度高時(shí)空分辨率探測(cè)。
激光在大氣介質(zhì)中傳輸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生分子和小尺度大氣氣溶膠粒子的瑞利(rayleigh)散射、大尺度大氣氣溶膠粒子的米(mie)散射、非球形粒子的退偏振(depolarization)散射、散射頻率發(fā)生變化的喇曼(raman)散射以及散射強(qiáng)度比分子瑞利散射大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的共振熒光(resonancefluorescence)散射等多種散射過(guò)程。與其他散射放式相比，米散射具有較大的散射截面，使米散射雷達(dá)回波信號(hào)通常較大，成為探測(cè)氣溶膠分布的有效工具。
當(dāng)一個(gè)激光脈沖發(fā)射到大氣中時(shí)，在傳播路徑上激光脈沖被大氣氣溶膠粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距離)的后向散射光的大小與此高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的散射特性有關(guān)，其后向散射光強(qiáng)度由激光雷達(dá)探測(cè)，通過(guò)求解米散射激光雷達(dá)方程就可以反演相對(duì)應(yīng)高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的消光系數(shù)。
在二維平面中，如果以時(shí)間為橫坐標(biāo)，徑向距離為縱坐標(biāo)，則一定時(shí)間內(nèi)的激光雷達(dá)信號(hào)及消光系數(shù)會(huì)分布于這個(gè)二維平面中，建立回波信號(hào)和消光系數(shù)濃度與顏色的索引關(guān)系，則可以形成二維可視化偽彩圖，可以直觀顯示出氣溶膠濃度隨時(shí)間空間的變化趨勢(shì)。
根據(jù)氣溶膠濃度梯度可以計(jì)算污染邊界層高度，對(duì)氣溶膠濃度徑向積分可以得到氣溶膠光學(xué)厚度。
激光脈沖，微波或聲波發(fā)射到大氣中，根據(jù)多普勒效應(yīng)，后向散射光、微波或聲波的頻率會(huì)發(fā)生改變，檢測(cè)頻率的改變量，從而獲得空間的風(fēng)速分布。氣溶膠粒子在風(fēng)力作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，氣溶膠粒子的運(yùn)動(dòng)速度與風(fēng)速一致。因此，風(fēng)力對(duì)于氣溶膠空間分布的變化具有重要的作用，兩者在空間及時(shí)間的分布具有內(nèi)在的邏輯關(guān)系。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
因此，本發(fā)明提供了風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的方法，同時(shí)還提供了使得大氣氣溶膠時(shí)間空間分布與風(fēng)場(chǎng)時(shí)間空間分布的內(nèi)在邏輯關(guān)系以直觀可視的方式呈現(xiàn)出來(lái)的疊加方法。
本發(fā)明提供的風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的方法，空間風(fēng)向上各點(diǎn)的風(fēng)向均可分解為水平向與垂直向，將水平向的各角度風(fēng)向轉(zhuǎn)化為二維平面呈現(xiàn)，二維平面的水平向?yàn)闀r(shí)間方向，垂直向?yàn)榭臻g方向，以形成二維平面的時(shí)空表現(xiàn)形式。
進(jìn)一步，風(fēng)場(chǎng)各方向風(fēng)速用函數(shù)
其中，水平風(fēng)速在時(shí)間方向變換表示為
vt(h0,t0)＝(t1-t0)/(h1-h0)vh(h0,t0)
垂直風(fēng)速投影到時(shí)間空間二維平面后變換表示為
vh(h0,t0)＝(t1-t0)vv(h0,t0)
h0,t0表示當(dāng)前計(jì)算采樣點(diǎn)的徑向距離和時(shí)間，h1表示同一次脈沖采集過(guò)程中下一徑向距離采樣點(diǎn)，t1表示下一采樣時(shí)刻。
本發(fā)明還提供了氣溶膠時(shí)空分布與風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分布的疊加方法，包括以下步驟：
s1.獲取一段時(shí)間的氣溶膠廓線數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包括時(shí)間、徑向距離及氣溶膠數(shù)據(jù)值；
s2.獲取與s1同一時(shí)間段的風(fēng)場(chǎng)廓線數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包括時(shí)間、徑向距離、水平風(fēng)速及垂直風(fēng)速；
s3.建立二維平面，橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，縱坐標(biāo)為徑向距離軸，將氣溶膠濃度數(shù)據(jù)在二維平面上顯示，氣溶膠濃度用函數(shù)ρ(h,t)表示，h表示徑向距離，t表示時(shí)間；
s4.在二維平面圖上疊加風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)矢量箭頭圖層，風(fēng)速用函數(shù)
其中，水平風(fēng)速在時(shí)間方向變換表示為
vt(h0,t0)＝(t1-t0)/(h1-h0)vh(h0,t0)
垂直風(fēng)速投影到時(shí)間空間二維平面后變換表示為
vh(h0,t0)＝(t1-t0)vv(h0,t0)
h0,t0表示當(dāng)前計(jì)算采樣點(diǎn)的徑向距離和時(shí)間，h1表示同一次脈沖采集過(guò)程中下一徑向距離采樣點(diǎn)，t1表示下一采樣時(shí)刻；
風(fēng)場(chǎng)作用方向用箭頭方向表示，箭頭方向?yàn)棣龋絫an-1(vh/vt)。
進(jìn)一步，s1中，氣溶膠數(shù)據(jù)值可以用氣溶膠濃度或與氣溶膠濃度正相關(guān)的pbl、回波信號(hào)、消光系數(shù)、pm2.5、pm10及能見(jiàn)度數(shù)據(jù)表示。
進(jìn)一步，大氣氣溶膠濃度數(shù)據(jù)的各采樣點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為像素坐標(biāo)，非采樣點(diǎn)像素通過(guò)插值填充，大氣氣溶膠濃度值與像素值建立索引關(guān)系。
進(jìn)一步，風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力矢量強(qiáng)度通過(guò)
進(jìn)一步，若s1氣溶膠數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)與s2中風(fēng)場(chǎng)采樣點(diǎn)位置不一致，將風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)插值處理，使風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與氣溶膠數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)一致。
進(jìn)一步，氣溶膠的擴(kuò)散距離可以由公式s＝vδt，若擴(kuò)散距離s確定，則δt＝s/v。
進(jìn)一步，所述二維平面為偽彩圖和/或折線圖和/或散點(diǎn)圖。
本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.本發(fā)明實(shí)施例提供的風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的方法，空間風(fēng)向上各點(diǎn)的風(fēng)向均可分解為水平向與垂直向，水平向上的分解量可能是水平向上的任意角度，因此根本無(wú)法用二維的方式呈現(xiàn)，本發(fā)明將風(fēng)場(chǎng)的空間方向轉(zhuǎn)化為時(shí)間方向，即風(fēng)場(chǎng)水平方向的分量轉(zhuǎn)化為時(shí)間方向，垂直方向的分量轉(zhuǎn)化為空間方向，并在二維平面呈現(xiàn)，以形成二維平面的時(shí)空表現(xiàn)形式。
2.本發(fā)明實(shí)施例提供的大氣氣溶膠空間時(shí)間濃度分布與風(fēng)場(chǎng)空間時(shí)間分布的關(guān)聯(lián)疊加方法，將激光雷達(dá)的氣溶膠濃度探測(cè)數(shù)據(jù)與風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)合，揭示了大氣氣溶膠的空氣動(dòng)力學(xué)過(guò)程，通過(guò)將風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的合理算法轉(zhuǎn)換，使之與大氣氣溶膠濃度探測(cè)數(shù)據(jù)坐標(biāo)邏輯一致，通過(guò)二維平面疊加顯示，以一種直觀可視化的形式展示出大氣氣溶膠濃度與風(fēng)場(chǎng)的內(nèi)在聯(lián)系，將氣溶膠的發(fā)生、發(fā)展與消散進(jìn)程根據(jù)不同的時(shí)間段進(jìn)行研究與分析，獲得氣溶膠某時(shí)間段的移動(dòng)特征，有助于氣溶膠對(duì)大氣環(huán)境的科學(xué)研究，為大氣環(huán)境保護(hù)目標(biāo)制定提供科學(xué)的支持。
3.本發(fā)明可以將風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的二維圖像與氣溶膠濃度的二維圖像單獨(dú)對(duì)比呈現(xiàn)，也可以為了進(jìn)一步直觀展現(xiàn)出二者的聯(lián)系，將風(fēng)場(chǎng)的空間時(shí)間數(shù)據(jù)與氣溶膠濃度的空間時(shí)間數(shù)據(jù)疊加呈現(xiàn)。
附圖說(shuō)明
為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的示意圖；
圖2為風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為時(shí)間軸的二維平面圖；
圖3為大氣氣溶膠濃度空間時(shí)間濃度分布與風(fēng)場(chǎng)空間時(shí)間分布的關(guān)聯(lián)疊加偽彩圖；
圖4為pbl空間時(shí)間濃度分布與風(fēng)場(chǎng)空間時(shí)間分布的關(guān)聯(lián)疊加折線圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
此外，下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。
實(shí)施例1
本實(shí)施例提供的風(fēng)場(chǎng)空間分布轉(zhuǎn)化為風(fēng)場(chǎng)時(shí)間方向的方法，參見(jiàn)圖1所示，垂直空間風(fēng)向上各點(diǎn)的風(fēng)向均可分解為水平向與垂直向，水平向上的分解量可以是水平向上的任意角度，將該點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)水平方向的分量轉(zhuǎn)化為時(shí)間方向，垂直方向的分量轉(zhuǎn)化為空間方向，以形成二維平面的時(shí)空表現(xiàn)形式，參見(jiàn)圖2所示。
在二維平面的建立過(guò)程中，將風(fēng)場(chǎng)上各點(diǎn)的風(fēng)速用函數(shù)
其中，水平風(fēng)速在時(shí)間方向變換表示為
vt(h0,t0)＝(t1-t0)/(h1-h0)vh(h0,t0)
垂直風(fēng)速投影到時(shí)間空間二維平面后變換表示為
vh(h0,t0)＝(t1-t0)vv(h0,t0)
h0,t0表示當(dāng)前計(jì)算采樣點(diǎn)的徑向距離和時(shí)間，h1表示同一次脈沖采集過(guò)程中下一徑向距離采樣點(diǎn)，t1表示下一采樣時(shí)刻。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提供的大氣氣溶膠空間時(shí)間分布與風(fēng)場(chǎng)空間時(shí)間分布的關(guān)聯(lián)疊加算法，包括以下步驟：
s1.獲取第一時(shí)間段t1的氣溶膠濃度廓線數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包括時(shí)間、徑向距離及濃度值；
s2.獲取t1時(shí)間段的風(fēng)場(chǎng)廓線數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)包括時(shí)間、徑向距離、水平風(fēng)速及垂直風(fēng)速；
s3.建立二維平面，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為徑向距離，將氣溶膠濃度數(shù)據(jù)在二維平面上以偽彩圖的形式顯示，氣溶膠濃度廓線數(shù)據(jù)為與之正相關(guān)的激光回波強(qiáng)度信號(hào)，也可以為消光系數(shù)或后向散射系數(shù)或其它與之正相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)表示，氣溶膠濃度用函數(shù)ρ(h,t)表示，h表示徑向距離，t表示時(shí)間，ρ(h,t)在任意坐標(biāo)h，t的函數(shù)值通過(guò)坐標(biāo)變換為偽彩圖橫向和縱向像素值，采樣點(diǎn)坐標(biāo)通過(guò)設(shè)定單位像素所代表的徑向距離及時(shí)間長(zhǎng)度轉(zhuǎn)換為像素坐標(biāo)，非采樣點(diǎn)像素通過(guò)插值得到濃度值，氣溶膠濃度值與像素值建立索引關(guān)系，這里的索引關(guān)系是指由濃度數(shù)值轉(zhuǎn)換到rgb顏色分量的數(shù)學(xué)函數(shù)，ρ(h,t)在任意坐標(biāo)h，t的函數(shù)值可以顏色來(lái)表征；
s4.在二維平面的偽彩圖層上疊加風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力學(xué)矢量箭頭圖層，風(fēng)速用函數(shù)
其中，水平風(fēng)速在時(shí)間方向變換表示為
vt(h0,t0)＝(t1-t0)/(h1-h0)vh(h0,t0)
垂直風(fēng)速投影到時(shí)間空間二維平面后變換表示為
vh(h0,t0)＝(t1-t0)vv(h0,t0)
h0,t0表示當(dāng)前計(jì)算采樣點(diǎn)的徑向距離和時(shí)間，h1表示同一次脈沖采集過(guò)程中下一徑向距離采樣點(diǎn)，t1表示下一采樣時(shí)刻；
風(fēng)場(chǎng)作用方向用箭頭方向表示，箭頭方向?yàn)棣龋絫an-1(vh/vt)，風(fēng)場(chǎng)動(dòng)力矢量強(qiáng)度通過(guò)
當(dāng)s1的氣溶膠數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)與s2中風(fēng)場(chǎng)采樣點(diǎn)位置不一致，將風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)插值處理，使風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)與氣溶膠數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)一致。
如圖3所示，為大氣氣溶膠濃度分布與風(fēng)場(chǎng)空間時(shí)間分布疊加的顯示圖像，本發(fā)明氣溶膠空間分布圖像及其疊加風(fēng)場(chǎng)后的圖像不限于用偽彩圖的形式顯示，也可以是折線圖或散點(diǎn)圖等其它二維平面圖，如圖4所示，為pbl與風(fēng)場(chǎng)空間時(shí)間分布疊加的折線圖。
需要說(shuō)明的是，本發(fā)明也不限于使用激光雷達(dá)獲得氣溶膠廓線數(shù)據(jù)，其它如遙感雷達(dá)、微波雷達(dá)及超聲雷達(dá)等獲得的氣溶膠數(shù)據(jù)同樣可以應(yīng)用于本發(fā)明。
顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
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