用于大氣擴散研究的氣象要素自動觀測站設計與實現

李 丹， 盧會國，2， 盧 勇

(1.成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225;2.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，四川成都610225)

0 引言

隨著社會的發展，中國環境問題日益嚴重，大氣污染物的排放也越來越多。大氣污染物隨著空氣不斷擴散，對人類的健康產生傷害［1］。氣象條件是影響大氣污染物擴散的主要因素。不同的氣象要素的組成對大氣污染物的擴散產生不同的影響［2-4］。歷史上發生的許多污染事件都是在不利于污染物擴散的氣象條件下發生的［5］。工業生產是大氣污染的一大來源，特別是一些核電廠、化工廠污染物的排放對周邊居民產生巨大的傷害。因此，在核電廠、化工廠等長期產生大氣污染物的工廠附近，應該選擇合適的區域，建立完善的自動觀測站，用于觀測當地氣象條件。根據觀測的氣象資料分析污染物如何擴散及何時污染最嚴重，從而合理規劃周邊居民的分布，避開每天污染最嚴重的時間外出活動，以減少對身體的傷害。

設計的氣象要素自動觀測站，旨在為局部大氣污染物的擴散研究提供數據［6］。其特點是梯度站與地面站的結合設計，提供的數據能夠用于不同處理方法的污染物擴散研究。該系統結構設計合理，設備性能穩定，可長期運行，能夠滿足局部大氣擴散研究的需求。

1 系統總體設計

1．1 理論依據

污染物在大氣中的輸送擴散是一個非常復雜的問題，有關的大氣擴散理論和方法也較多，其中應用最廣的就是高斯擴散模式，對于一個源強為Q的連續點源，在無地面干擾和煙羽水平高度處的平均風速為U時，從高斯方程的假設出發，得到濃度一般表達式為［7］

式中，χ是排出物在(x，y，z)處的平均濃度，Q是源強，U是排放出口處的平均風速，σy是垂直于平均風向的水平擴散參數，σz是垂直方向的擴散參數。

1．2 監測點與觀測要素的選擇

由于無法獲取所有關注點上的信息，觀測點按照氣象站選擇原則，觀測點選擇在能代表當地平均狀況的地方設置，同時要考慮交通、電力、排水等因素。

根據高斯擴散公式，要計算出污染濃度及其分布，需要知道源強、平均風速及大氣擴散參數。事實上目前多數空氣質量模擬都是建立在高斯擴散基礎上，運用各種條件下不同的大氣擴散參數模式。其中較經典的處理模式有:基于梯度觀測法的薩頓模式、直接測量湍流特征量方法、穩定度擴散級別與擴散曲線法、風向脈動與擴散函數法［8］。依據《核電工程項目大氣擴散相關參數分析技術指南》第九章(氣象塔觀測資料分析)，由此可以得出用于大氣擴散研究的氣象要素自動觀測站應包括風和溫度的梯度觀測及常規的氣象要素觀測和輻射觀測。

在設計方案中需要獲取30 m、50 m、70 m、100 m 4個不同高度風向、風速、溫度及常規地面觀測站中風向、風速、空氣溫度、相對濕度、氣壓、雨量、總輻射、凈輻射觀測要素。

1．3 系統結構

系統組成如圖1所示。主要由梯度觀測站、采集系統、地面觀測站、基礎設施與控制終端5部分組成［9-10］。梯度觀測站是在鐵塔的30 m、50 m、70 m、100 m處安裝風向、風速、溫度傳感器，用于獲取不同高度上的空氣溫度、風向、風速氣象要素值。地面觀測站建立在梯度觀測站所在區域周邊，該地面觀測站中安裝風向、風速、空氣溫度、相對濕度、氣壓、雨量、總輻射、凈輻射氣象要素傳感器，用于獲取該監測點風向、風速、空氣溫度、相對濕度、氣壓、雨量、總輻射、凈輻射氣象要素值。采集系統由主采集器與分采集器組成。由分采集器完成對梯度觀測站各氣象要素傳感器的數據采樣處理。由主采集器完成對分采集器的數據集成處理以及對地面觀測站氣象要素傳感器的數據采集處理［11］。在防雷系統、供電系統、通信設備等基礎設施的支持下，氣象要素數據傳送到控制終端，并存儲在服務器中，通過數據系統管理軟件實現對所有數據的實時監測。

圖1 大氣擴散自動氣象站結構

2 系統硬件設計

2．1 氣象要素傳感器選擇

所有氣象要素觀測的技術指標嚴格按照中國氣象局《地面氣象觀測規范 第1部分:總則》(QX/T 45-2007)執行。傳感器選型參考《自動氣象站實用手冊》中公布的性能穩定可靠的儀器設備。

2.1.1 風向風速傳感器

在大氣污染物的擴散中，風向風速有重要的影響。風向決定污染物水平輸送的方向和路徑，風速決定大氣污染物擴散的速度。在該系統中，梯度塔30 m，50 m，70 m，100 m與地面觀測場10 m風速使用EL15-1A風杯風速傳感器，風向使用EL15-2D風向標風向傳感器。

(1)風速傳感器

EL15-1A型風速傳感器是響應快、啟動風速低的光電子風速計。測量范圍0.3～60 m/s，分辨率為0.1 m/s。使用DC12V供電，信號線輸出與風速成正比的脈沖信號，將該脈沖信號直接接入采集器的風速采集通道，由采集器實現對風速信號的實時采集和計算。

(2)風向傳感器

EL15-2D型風向傳感器，風向測量范圍為0°～360°，分辨率為3°。使用DC12V供電。考慮到氣象塔梯度風向傳感器較多，為減少信號線的數目，系統中選用將七位格雷碼轉換為電壓信號模式，電壓信號經數據采集器實時采集并計算得到風向要素的觀測值。

2.1.2 溫度、濕度傳感器

在研究大氣污染物擴散中，溫度層結反映了沿高度的大氣狀況是否穩定，其直接影響空氣的運動，以及污染物質的擴散過程和濃度分布。特別是當出現逆溫時，會阻礙下面的污染物質擴散，對大氣污染擴散影響極大。因此監測氣象塔不同高度的空氣溫度非常重要。該系統中，考慮到外界環境與測量精度等因素，在地面溫濕度的測量使用的是HMP155溫濕度傳感器，在30 m、50 m、70 m、100 m梯度塔中采用 WZP1型溫度傳感器。HMP155配有維薩拉新一代的HUMICAP?180R傳感器，具有卓越的穩定性，并適用于惡劣環境，濕度測量范圍0% ～100%RH，溫度測量范圍-80℃ ～60℃，精度 ±1%RH，符合系統的要求。WZP1型溫度傳感器測量范圍-50℃ ～80℃，最大允許誤差±0.3℃，測量精度高，適用于測量氣象塔上不同高度的空氣溫度。

2.1.3 氣壓傳感器

近地面層大氣污染物的擴散還與氣壓系統有關。一般情況下，地面為低壓控制時，天氣狀況相對不好，多是陰雨天氣，有利于污染物擴散;相反，地面為高壓控制時，空氣有下沉運動，不利于污染物的擴散。該設計中選用維薩拉的是新一代的氣壓計PTB330，該氣壓計具有很高的測量準確度與穩定度。系統中PTB330通過RS232串行總線直接掛接到主采集器的RS232端口，主采集器通過PTB330的指令定時讀取當前的氣壓值，實現氣壓要素的實時觀測。

2.1.4 輻射傳感器

輻射是以電磁波的形勢傳遞能量的一種方式，太陽輻射是地球表面獲得熱量的主要源泉。大部分太陽輻射被輸送到地面，影響地面溫度的變化。當夜間地面由于長波輻射溫度降低時，容易形成氣溫上高下低的狀態，不利于大氣污染物的擴散。在該系統中輻射觀測選用 TBQ-2總輻射表和 TBB-1凈全輻射表。TBQ-2總輻射表是根據熱電效應原理，用來測量光譜范圍為0.28～3.0 μm的太陽總輻射，靈敏度為7～14 μV/W·m-2，在線性范圍內，輸出信號與太陽輻照度成正比，其關系如式(2)。

E為輻照度，V為輻射傳感器信號電壓，K為靈敏度系數。

TBB-1凈輻射表用來測量太陽輻射及地面輻射的凈差值，能夠反映地表熱量的收支情況。測量范圍為0.27～3 μm的短波輻射和 3～50 μm的地球輻射。TBQ-2總輻射表與TBB-1凈輻射表均輸出與其輻射值成比例的毫伏級電壓信號，該信號直接入主采集器相應的采集端口，由主采集器實現對該信號要素值的采集和計算等。

2.1.5 雨量

降水可以沖刷大氣中的污染物，對大氣中的污染物起到凈化和再分布的作用。在該系統中對于雨量的測量選用的是SL2-1型單翻斗雨量傳感器。當每次雨量達到0.1 mm時，翻斗通過干簧管輸出脈沖信號，可直接接入到主采集器的頻率輸入通道。

2．2 數據采集模塊設計

數據采集系統由一個主采集器與多個分采集器的構成。由于QML201具有低功耗、多個通信接口、要素采集準確快速、易于配置、維護和安裝等特點［12］，該系統中的主采集器使用QML201。根據氣象要素傳感器信號類型，各個傳感器接入到主采集器的通道如表1所示。由于QML201并不能靈活的設置加密觀測時間間隔，該設計中在采集器與通信設備之間增加了前置機ARK-1122，提高了自動站數據傳輸速度。分采集器使用研華ADAM-4000系列，包括ADAM-4080，ADAM-4117，ADAM-4015。梯度自動站各傳感器接入相應分采集器配置表如表2所示。由于該系統使用的ADAM-4000系列分采集器輸出均為RS232，需要在分采集器與前置機之間接入 ADAM-4520，進行 RS232/RS485轉換。主采集器與分采集器分別連接前置機ARK-1122的串口COM1與COM2將數據傳送前置機，數據進行計算存儲后，再由COM3傳送至服務器，在數據系統管理軟件中進行數據的處理顯示。

表1 傳感器與主采集器接入配置表

表2 傳感器與分采集器接入配置表

3 系統軟件設計

3．1 下位機軟件

下位機軟件包括觀測數據采集與業務接口軟件兩部分［13］。觀測數據采集軟件主要負責將從采集器獲得的數據按照相應的算法進行數據處理，并將處理后數據按照一定的格式生成文本文件存儲。程序流程圖如圖2所示。

業務接口軟件負責根據從上位機軟件獲得的指令做出相應的響應，完成下位機與上位機的交互，終端命令參考了新型自動氣象(氣候)站終端命令格式規定設計。如:上位機軟件發送“DMGD”時，業務接口軟件負責返回所有常規氣象要素數據;發送“GPS”時，業務接口軟件將自動站時間進行校時。程序流程圖如圖3所示。

圖2 觀測數據采集流程圖

圖3 業務接口軟件流程圖

3．2 數據管理系統軟件

數據管理系統軟件采用C/S架構，在Windows操作系統下，選用Microsoft Visual Studio2010作為開發軟件，數據庫選用Microsoft SQL Server2008。軟件界面主要使用menuStrip與Tabcontrol結合設計，為實現各要素數據的直觀顯示，界面設計中主要通過調用自定義控件的方式［14］。如圖4所示為自定義梯度信息控件。該控件能夠顯示梯度自動站中各層的風向、風速、溫度數據，方便直觀，同時能夠使得界面簡潔。數據管理系統軟件通過串口發送命令如“DMGD”給下位機，獲得每分鐘的常規數據，并存入數據庫中，同時每天生成文本文件以方便數據的拷貝。軟件實現的功能主要有實時信息監測，歷史數據卸載，曲線圖繪制，數據查詢與統計等功能。自動氣象站實時信息監測界面如圖5所示。

圖4 梯度信息控件

圖5 監測信息顯示界面

4 實例分析

大氣穩定度對污染物在大氣中的擴散有很大影響。穩定度的分類級別主要分為 A、B、C、D、E、F 6類，分別對應極不穩定、中等不穩定、弱不穩定、中性、弱穩定、中等穩定狀況。大氣越不穩定，越有利于污染物的擴散。

根據該自動觀測站提供的資料，可以使用多種方法計算大氣污染物擴散濃度，僅提供一種計算思路。以2015年1月31日全天觀測資料為例，如表3所示。采用溫度遞減率-風速分類法(△T/U分類法)進行穩定度分類。

影響大氣湍流的既有機械作用，也有熱力作用。因此綜合反映兩者影響的溫度遞減率-風速分類法和宏觀理查遜數法能更好地描述這種現象。溫度遞減率-風速分類法已成為國際原子能機構(IAEA)所建議的3個基本方法之一。采用100 m與30 m高度的溫度遞減率及10 m高度的風速確定大氣穩定度。分類表格如表4所示［15］，可以得到02時為A類(△T/△Z=-1．8，U=0．2)，08 時為 A 類(△T/△Z=-1．4，U=0．4)，14 時為 C 類(△T/△Z=-0．7，U=1．1)，20 時為 D 類(△T/△Z=-0．6，U=1．2)。

根據穩定度分類采用Briggs的擴散參數表達式(如表5所示)即可計算出大氣擴散參數σy，σz。再代入式(1)，即可得到不同點位大氣污染物濃度值。

表3 實測資料部分數據表

表4 由溫度遞減率和風速確定大氣穩定度

表5 Briggs的擴散參數表達式

5 結束語

實現了針對于大氣污染物擴散研究的氣象要素自動觀測站設計。該系統能夠實現多層空氣溫度、風速、風向以及地面各氣象要素的智能監測，獲得的數據能夠用于大氣污染物的擴散分析。系統已經完成并交付用戶使用，目前系統運行良好。數據管理系統軟件僅能實現數據的顯示、存儲等功能，并不能直接模擬大氣污染物的擴散情況。期望后續研究中不斷的增加相應功能成為一個直接可以為用戶提供服務的系統。隨著環境問題越來越受到人們的重視，該系統在未來將發揮越來越重要的作用。

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