灰霾和雾监测网的建设内容和技术要求.docx

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灰霾和雾监测网的建设内容和技术要求

灰霾和雾监测网的建设内容和技术要求

一、主要功能

灰霾和雾监测网能监测大气能见度的变化以及大气边界层中逆温层的变化，为城市能见度和雾霾的监测预报提供条件。

主要功能包括整层大气气溶胶光学特性观测、近地层气溶胶物理和化学特性观测、近地面层气象参数观测等。

其主要功能是实时给出与灰霾发生发展密切相关的各类气象观测数据,包括灰霾的气象条件和灰霾光学厚度的空间分布、灰霾粒子的谱分布、气溶胶化学成分和大气能见度等大气环境观测数据。

二、主要建设内容

1．激光雷达

激光雷达是监测大气中云滴和气溶胶浓度变化的主要工具。

2．水平能见度仪

水平能见度仪是一种光、机、电一体化的全自动大气能见度仪器。

3．垂直能见度仪

垂直能见度仪又称为太阳光度计，是一种全自动多波段太阳辐射计，是测量天空混浊程度的主要设备。

4．系留气球探测仪

系留气球是一种无人低空信息平台，它借助于气球浮力漂浮在空中。

在气球缆索的各个节点上装置气象要素感应器，可完成晴好天气下1公里以下大气各层气象参数的探测任务。

三、各子系统功能设计

1、激光雷达

（1）激光雷达主要功能说明

激光雷达是监测大气中云滴和气溶胶浓度变化的主要工具。

微脉冲激光雷达在计算机设定好各个系统工作参数后，在无人看护的情况下，可以连续地对大气进行探测。

计算机存储光子计数器采集的数据，并实时显示激光大气回波的时空分布。

通过对激光雷达回波信号的分析，可以得到气溶胶消光系数的高度分布廓线。

夜晚时MPL的探测高度可达15km；白天因为天空背景辐射太强（通常比夜晚要大三个量级），虽然MPL采用了小接收视场、窄带滤光片等多项技术来抑制天空背景辐射，但探测高度仍有所降低，为6km左右。

（2）激光雷达系统结构设计

硬件结构：

微脉冲激光雷达（MPL）采用同轴光学系统，主要由光学传输单元、激光器电源、光子计数及控制器和主控计算机四个部分组成。

图1是微脉冲激光雷达（MPL）的系统框图。

光学传输单元内的Nd:

YLF激光器发射523nm激光，经光束分束片、目镜、发射望远镜扩束发射到大气中，接收望远镜接收大气或云的后向散射回波经目镜、光束分束片、会聚透镜会聚在探测器APD上，光子计数器对APD信号进行采集、储存，最后计算机对数据进行平均、储存，并实时显示数据结果。

OT:

光学传输单元；BS：

光束分束片；

D：

雪崩光二极管（APD）；OC：

目镜；H：

会聚透镜。

（图1）微脉冲激光雷达（MPL）系统框图

图2是MPL运行时主控计算机的显示状态。

图中，左上图为MPL的控制参数显示；左下图为背景值的时间分布；右上图为信号-高度图；右下图为信号-高度时间图。

图2工作时主控计算机显示状态

软件结构：

激光雷达资料处理软件包括数据订正、求解雷达方程并得到气溶胶高度分布廓线2个部分。

（3）微脉冲激光雷达观测系统工艺技术要求

1）观测场地

微脉冲雷达需要安装在稳定干燥的环境中，雷达透镜外光路必须保证无遮挡。

具体安装要求见微脉冲雷达安装手册。

2）观测平台

观测平台的要求与太阳辐射计相同。

3）供电及防雷要求

供电电源要求：

电压为220V，频率为50Hz。

电线、电路以及相应电气设备的架设需要符合电力部门要求，具有良好接地。

供电质量要求可靠，观测站内配备总的电源稳压器，保证站内供电的电压波动不超过5%，如供电指标达不到要求，则应安装稳压设备。

4）通讯设施的要求

具有数据传送手段，能够进行国内通讯。

通讯符合国家通讯标准。

数据传送通过VSAT通讯系统进行。

5）仪器性能要求

采用二极管泵浦的Nd:

YLF激光器，使得激光雷达体积小、重量轻，MPL整个系统的总重量仅50公斤，这给外场实验带来了很大的便利；激光器单脉冲能量低（约10uJ），可以防止激光灼伤人眼；激光脉冲重复频率很高，达2500Hz，这么高的重复频率可以有效地提高激光雷达探测的信噪比。

微脉冲激光雷达信号接收和数据采集系统更为先进。

其接收光学系统的视场仅为100μrad，滤光片带宽也仅0.1nm。

这样，可以有效地抑制白天探测时的天空背景辐射。

光电探测器为雪崩型光二极管，其量子效率高达50%；数据采集为光子计数方式。

微脉冲激光雷达主要性能指标如下：

激光器：

二极管泵浦Nd:

YLF

工作波长（nm）:

523.5

单脉冲输出能量（μJ）:

10

脉冲重复频率（Hz）:

2500

光束发散角（μrad）:

50

脉冲宽度（ns）:

10

接收望远镜：

卡塞格林型（施米特-卡塞格伦）

直径（cm）:

20

视场（μrad）:

100

滤光片带宽（nm）:

0.1

探测器：

Geiger雪崩光二极管

量子效率：

50%

数据采集系统：

EG&G光子计数器（APD）

空间分辨率（m）30,75,150,300

数据传输：

PC-DIO-24平行I/O

工作界面：

Windows’95

（4）激光雷达系统安装设计

为了保障微脉冲雷达稳定正常的工作，需要建造小型激光雷达室。

雷达室分内室（用于安装设备，东西长3米，南北宽2米）和外室（用于更衣及阻隔进出房间时的风沙，纵深1.5米，内外室高度均为2.5米）两部分。

屋内为水泥地面，铺化纤地毯。

为了减少由于室内外温差所造成的冷凝水，房屋外墙壁厚度应该大于50cm，屋顶采用双层铝塑板加20CM泡沫塑料的结构以保证其良好的可加工性（以便加工观测窗）和保温性。

屋顶西南角距南墙40cm、距西墙50cm（与圆心位置）处开一个直径30cm圆洞向外接20cm“烟囱”作为观测窗，“烟囱”与屋顶保证密闭连接，其内壁涂黑以最大限度地减小反光。

“烟囱”加盖，盖与“烟囱”以不锈钢合叶连接，“盖”窝边以防风沙吹入。

房屋外面西墙安装简单扶梯以便开启观测窗时使用。

雷达室内室北侧开窗，东侧靠北开内室门，东墙靠南开室外门。

窗底离地0.8米，窗宽1.2米、高1米，采用整窗双层铝合金结构以确保良好的密闭性。

两扇房门均为0.8X1.8米，要求具有良好的密闭性。

内外房间屋顶中央配有照明灯，为了给激光雷达、计算机、吸尘器、空调等提供电源，内室配有2千瓦插座两个、200瓦插座4个。

空调选用1.5P冷暖机，此外，还需配备电暖气一台以备急用。

为了保证室内的洁净，需要配备600瓦吸尘器和吹风机以便每日吸尘。

激光雷达支架将根据具体要求制作。

内室西南角砌高80cm，宽70X70cm水泥台，电源插座就近安装，内室西墙南角距南墙40cm、距顶30cm处预留直径10mm、长50mm螺栓一支。

2、水平能见度仪

水平能见度仪是一种光、机、电一体化的全自动大气能见度仪器。

（1）大气能见度仪

大气能见度仪采用前向散射原理测量气溶胶消光系数，然后根据气象视距与消光系数的关系给出能见度。

大气能见度仪采用前向散射原理工作测量大气消光系数，根据气象视距与消光系数间的关系换算得到大气能见度的观测资料。

测量范围优于0.1-20公里能见度，分辨率优于0.1公里，1公里能见度范围内精度优于10%,1公里以上能见度范围的精度优于20%。

平均无故障工作时间优于2000小时。

工作环境温度-50——60度。

（2）大气能见度仪安装设计

水泥基础，0.6X0.6X0.8米。

3．垂直能见度仪

垂直能见度仪又称为太阳光度计，是一种全自动多波段太阳辐射计，是测量天空混浊程度的主要设备。

在垂直能见度仪观测场所配置碳黑度仪和积分式浊度计，可加强垂直能见度的测量效果。

（1）太阳分光光度计的观测功能

CE318太阳光度计是由法国CIMEL公司研制生产、专门用于气溶胶光学特性监测的便携式野外测量仪器。

该仪器的具体观测功能如下：

（a）可自动地跟踪太阳，实时获取太阳直接辐射、平纬圈和主平面天空散射

辐射测量数据，仪器自动记录观测数据并自动存入PC机。

（b）在晴天条件下可自动进行连续观测。

（2）CE318太阳光度计系统结构设计

1）硬件结构：

CE318主要由以下部分组成。

仪器主体：

传感器头部、扫描步进马达和机器人臂；一个控制箱：

提供软件控制预定的扫描和采样指令，获取数据，格式化远程星基传输数据，内置电池；发射天线：

传输数据到GOES卫星。

控制箱与外置电池的安装箱和仪器安装架，安装箱外还装有太阳能电池板和湿度传感器。

仪器主体由法国的CIMEL公司制造，GOES传输器件和天线由美国的VITEL公司制造。

仪器主体的主要部件包括：

安装在机器人臂顶部的方位步进马达，机器人臂的一侧是天顶角步进马达，另一侧是传感器头部。

对准器安装在传感器头部，在传感器内部有两个硅探测器，分别对应于两个对准器。

传感器内还有一个滤光片轮，它安装在对准器窗口和探测器之间。

滤光片轮由八个窄波段干涉滤光片组成。

两个对准器具有同样的视场角（1.2°），但是具有不同的孔径。

它们结构上是一整体，并用一个长的螺钉向下紧固，以阻止光和水浸入。

较大的孔径对准器十倍于太阳对准器，提供必要的动态范围来观测天空。

还有三根电缆（一根粗电缆连接传感器头部和控制箱，另两根电源电缆分别对应于两个马达）。

仪器主体连接在一个基盘上以便仪器安装在一个水平面上。

2）软件结构：

（a）CE318仪器定标

CE318太阳光度计的高精度定标是精确测量气溶胶特性所要解决的关键技术之一。

首先将一台仪器搬运到高海拔和大气干洁的地区（如青海瓦里关山或青海湖）对CE318太阳光度计进行定标，获得仪器定标常数。

而后将其它仪器与之进行比对，获得其它仪器的定标常数。

本项目的CE318太阳光度计的首次定标由仪器生产厂家完成，之后每年进行定标工作（对新购置的仪器在北京气象卫星地面站进行相对比对，获得各观测仪器的定标常数）。

（b）太阳分光光度计资料处理、分析软件结构

太阳分光光度计资料分析软件结构如图8-2所示。

软件的主要部分包括太阳直接辐射和天空散射辐射观测资料的处理和分析。

（c）数据格式

人工干预存储的文件名将存储时刻的时间记入，文件名占8位（月、日、时、分各占两位），扩展名占2位（.k7），例如，2001年12月20日16时30分传输数据，则文件名为：

12201630.k7。

该文件必须转换成纯文本文件后才可读写。

每次数据采集为一行，文本文件每行的格式为：

月/日/年，时：

分：

秒，通道1数据，通道8数据头部温度

（3）CE318太阳光度计工艺技术要求

1）观测场地

观测场地四周要求较为平坦空旷，避免设在陡坡、洼地或邻近有丛林、高大建筑物等地方，周围200米内无树木和建筑物遮挡，远离闹市区。

2）观测平台

观测平台主要用于架设仪器设备。

观测平台应平稳和水平，便于仪器的架设、安装等，同时应安装防雷设施。

3）仪器性能和技术指标

太阳分光光度计采用自动测量方式，可以进行太阳直接辐射的观测，也可以进行天空辐亮度和偏振的观测。

太阳直接辐射测量具有5个探测波段，中心波长分别位于440、670、870、940和1020nm。

天空辐亮度测量在440、670、870、和1020nm4个波段上进行，分为2种方式，一是平纬圈扫描，2是主平面扫描。

平纬圈扫描指的是观测的天顶角与太阳天顶角相同，观测方位角相对于太阳不断变化的扫描。

对于每一个波段，相对于太阳的探测方位角为：

-6o（1o）-4o,-3.5o（0.5o）-2o,2o（0.5o）4o,5o（1o）8o,10o（2o）20o,25o（5o）50o,60o（10o）100o,120o（20o）260o,270o（10o）310o,315o（5o）340o,342o（2o）352o,353o（1o）356o,356.5o（0.5o）363.5o,364o（1o）366o。

主平面扫描指的是方位角不变，观测天顶角不断改变的扫描。

对于每一个波段，扫描天顶角的变化为：

-6o（1o）-4o,-3.5o（0.5o）-2o,0o,2o（0.5o）3o,4o（1o）6o,6o（2o）16o,20o（5o）80o,90o（10o）150o。

偏振测量在870nm通道进行。

扫描角在主平面内，角度为95o（5o）265o。

跟踪精度：

0.1o;探测信噪比：

>1000

4）通讯技术要求

室外到室内的传输：

观测站配置PC机一台或利用原有PC机，并配备传输软件一套、备份电源传输线一套（220V）以及100m电话线及其连接端口利用该线将室外CE318控制箱的DCP数据输出端口与室内PC机的RS232串口相连接，使采集数据自动、实时传入室内，并以数据文件形式存储。

也可采用人工干预进行存储。

测站数据远程传输：

观测站采集数据利用通信系统上传。

上传频次：

2-5月份，每1小时一次，整点上传。

其它月份，每天2次（当地时间12：

00和18：

00）。

观测时间和观测频次要求

观测时间：

从早晨大气质量数ｍ为６时开始测量到下午大气质量数ｍ为6时结束。

即太阳高度角约为9开始观测（太阳升起后不久）一直到日落时结束。

如果风力超过8级停止观测，并使仪器头部垂直朝向地面。

观测频次：

每隔2分钟进行一次测量或按仪器设定的程序自动进行。

4、黑碳气溶胶测量系统结构

光学吸收法测量黑碳气溶胶具有实验操作简单、迅速以及不破坏样品等特点，可对大气中的黑碳气溶胶进行连续监测。

选用美国Magee科学仪器公司生产的黑碳灰度仪进行结构设计。

黑碳气溶胶测量系统结构设计包括硬件和软件两部分：

1、硬件结构

测量系统的硬件主要由黑碳灰度仪、真空采样泵及进气管路等构成。

黑碳灰度仪是利用黑碳气溶胶对可见光的吸收特性来进行测量的，主要由光学装置和光检测器、自动进膜器、控制和显示面板、空气流量控制单元、内部计算机及接口设备等构成。

黑碳灰度仪的结构原理见图4-5-15。

真空采样泵及进气管路用于将环境空气抽入黑碳灰度仪。

2、软件结构

测量系统的运行程序经编译后形成可执行性文件，并存贮于仪器内部的EPROM，所有操作均通过选择菜单进行。

黑碳气溶胶测量系统的软件可以产生两个文件，并以ASCII码字符的形式存贮于磁盘，这两个文件分别是数据文件和信息文件。

黑碳数据文件BCmmddyy.dat（mm、dd、yy分别代表以两位数据表示的月、日、年）包括日期、时间、测量信号、空气流量及计算出的黑碳浓度等。

信息文件（MFMMDDYY.dat）使用可进行阅读的格式存贮有关信息，主要包括测量程序、每个过滤膜采样开始和结束的日期、时间、开始和结束时的信号电压、过滤膜的总运行时间、总空气流量、总黑碳浓度、运行期间仪器稳定度分析、磁盘剩余空间等。

4．系留气球探测仪

系留气球是一种无人低空信息平台，它借助于气球浮力漂浮在空中。

在气球缆索的各个节点上装置气象要素感应器，可完成晴好天气下1公里以下大气各层气象参数的探测任务。

系留气球探空系统。

包括飞艇式系留气球、电子探空仪、电绞车和遥控系统、信号接收和数据处理终端、附属设备。

（1）总体功能

探测0至1000米高度范围的气温、湿度及风速、风向。

温湿度探空仪功能：

用温湿传感器实地测量低层大气的温度和湿度气象要素，并不断把测定的数据传送到地面。

遥测接收机功能：

接收探空仪发射器的无线电信号，并进行滤波、整型处理。

附属设备功能：

包括地面检查、标校仪器设备，调节无线收发信号；气球充气房，用于存储氢气瓶，保证防火安全，以及供电设施、防雷设施等。

数据处理/质量控制功能：

数据处理主要是完成对传感器数据进行过滤、线性化、定标、数据质量控制、从工程单位到气象单位的转换、样本值累计等处理。

（2）系留气球低空探测系统结构设计

总体结构由低空探空仪、气球、接收设备及数据处理微机构成。

低空探空仪结构

采用带有温度及湿度传感器的探空板。

包括热敏电阻、湿敏电阻、电子开关、测量振荡器、调制器、超高频振荡等组成。

接收设备结构

由接收天线、信号跟踪、整型、放大处理部分组成。

数据处理结构

主要包括信号转换接口及数据处理微机，以及低空探空数据接收、分析处理软件包。

（3）布局设计与接口

系统接口

系统的计算机具有RS-232接口，通过MODEM，经PSTN网与气象信息网络连接，传输速率：

9600bps。

（4）带温湿度探空仪低空探测系统工艺技术要求

1）探空仪技术指标

温度传感器测量范围-300C400C

湿度传感器测量范围0100%

发射机载频1372MHz

2）收机技术指标

频率范围：

135152MHz

灵敏度：

不低于1.8V

自动频率跟踪：

不小于3MHz

3）件性能

系统软件应包括实时控制和在线监测模块；信号实时采集与处理模块；风、温数据实时处理模块；测试数据质量控制模块；实时显示（图形、列表）、存储模块；在线帮助和操作培训服务模块；非实时故障诊断和系统维护模块；非实时数据处理模块等。

场地和安装工艺要求

4）硬件系统运行环境要求

（a）室外设备安装场地要求

在气球可能的位置上视线没有障碍。

仪器应安装在正确接地和良好静电释放保护的工作台。

（b）室内设备运行环境

温度0℃—30℃（加空调）

相对湿度≤80%（室温下）

其它设备应具有防盐雾和防霉能力和防电源干扰、电磁干扰能力

5）软件系统运行环境要求

系统软件在Windows9X/2000操作系统上运行

防雷及供电要求

防雷设计

探空仪应有防直击雷设施和有防感应雷设计。

供电要求

市电220V±10%

工频50Hz±5Hz

四、建设布局

1、激光雷达一部拟安装在广州五山气象观测场内。

2、水平能见度仪拟安装在广州市内，布设原则以城市交通网大型互通和干线为主，兼顾内河航道和行政区划。

在城市四大出口和中心场站、交通干线安排能见度仪25套；包括窑口、芳村、海珠、天河客运站；土华、东圃、岑村、丫髻沙、白鹅潭、沙贝、三元里、太和、罗岗、莲花山、黄埔、海珠、芳村、东山、天河、白云、南沙、增城、花都、从化和吕田。

3、垂直能见度仪、臭氧监测仪、碳黑度仪和浊度计各7套拟分别安装在广州市内（天河区、白云区）和增城、花都、从化、番禺和南沙。

4、系留气球观测作为移动观测不需要固定的安装场地

图4仪器布局图

图5仪器间内部布局

图6仪器工作间顶部布局

五、经费概算共：

1,310万

1．设备购置概算（1,100万）

激光雷达（进口美国微脉冲激光雷达MPLModel1000）1套125万

水平能见度仪（进口美国BelfortModel6000VisibilitySensor）12×25套300万

垂直能见度仪（进口法国CIMELCE-318）35×7套245万

臭氧仪（进口澳大利亚Ecotech98101000-100EC）10×7套70万

碳黑度仪（进口美国MageeScientific/AE-16“Single-Beam”Aethalometer）25×7套175万

浊度计（进口澳大利亚Ecotech/PortableIntegratingNephlometerA-ZRA-M9003）15×7套105万

系留气球探测仪（进口美国VasailaAIR-5）1套80万

2．设备安装工程概算（210万）

激光雷达130万

（1）设备安装基础建设15万

（2）观测机房配套设施建设10万

（3）其它5万

水平能见度仪10×11110万

（1）观测地点勘察和安装基础建设每套8万

（2）记录部分环境改造每套2万

垂直能见度仪、臭氧仪、碳黑度仪、浊度计10×770万

（1）观测地点勘察和安装基础建设每套8万

（2）记录部分环境改造每套2万

六、各项建设的进度安排

1、2005年完成可研、实施方案制定、进口的前期准备工作以及部分装备的安装场地的初步选址工作。

2、2006年上半年完成垂直能见度仪的购置和安装。

3、2006年下半年完成水平能见度仪的购置和安装。

4、2007年完成激光雷达和系留气球设备购置和调试安装

七、建设的支撑条件

1、组织措施

在市气象局统一领导下，组成灰霾和雾观测网的领导组织机构，负责协调和安排本子系统的实施。

2、人员保障

本子系统由市气候与农业气象中心负责组织实施，市气候与农业气象中心在保证现有基本业务的基础上，组织有关人员进行重点培训，并负责有关区县观测技术人员的培训工作。

八、业务人员培训

培训在职有关业务、技术和管理人员，包括从事新系统设备和应用软件安装、使用维护以及管理的人员。

通过培训，使业务、管理维护人员掌握新系统的基本结构和原理，具有较好的系统管理、操作使用、维护、维修和故障诊断处理，及有关软件使用的能力；使有关观测业务人员或维修人员熟练掌握系统的使用、应用或维护知识。

1、培训内容

（1）观测的目的、意义和相关的专业基础知识，在观测中经常应用的物理、化学基础知识、基本操作技能、基本安全常识等等；

（2）新业务系统仪器的结构、工作原理；

（3）新业务系统操作规范内容和仪器使用、应用知识，包括日常观测的工作程序、操作、标定、维护和数据初步处理、质量控制、数据报表的制作及报送等；

（4）新业务系统的维护、故障诊断和简单故障的维修等。

（5）微机的安全使用和维护、维修、保养，软件（系统、应用软件）、硬件安全使用与常见问题处理、网络安全使用与维护、保养，供电设备及电力设备的安全使用与维护、保养等。

对系留气球的观测人员还要培训高空作业安全操作规程,高空作业升降系统的使用与保养，传感器和探测设备的常规维护保养及常见故障维修等内容。

2、人员培训方案

根据各个子系统的具体培训内容和要求，结合工程实施进度，组织集中培训、重点培训和普及培训。

组织对使用单位的技术业务骨干进行集中培训，委托有关培训单位负责各系统的管理、操作使用、观测业务流程及软件应用的培训及各系统的维修保障培训。

根据生产厂家按供货合同，协调实施由生产厂家对使用单位的技术业务骨干进行的重点培训。

九、运行管理和技术保障

由于本子系统建设完全属于气象基本业务建设，系统的运行管理由市气象局统一按照业务运行的有关规定进行，技术保障仪器的维护尽可能由生产商提供技术保障，系统的维护和资料处理由市气候与农业气象中心负责。