[发明专利]风场空间分布转化为风场时间方向的方法及气溶胶时空分布与风场时空分布的叠加方法

说明书

本发明涉及大气监测技术领域，公开了风场空间分布转化为风场时间方向的方法，空间风向上各点的风向均可分解为水平向与垂直向，将水平向的各角度风向转化为二维平面呈现，二维平面的水平向为时间方向，垂直向为空间方向，以形成二维平面的时空表现形式；进一步公开了气溶胶浓度时空分布与风场时空分布的叠加方法。本发明揭示了大气气溶胶的空气动力学过程，通过将风场数据的合理算法转换，使之与大气气溶胶浓度探测数据坐标逻辑一致，通过二维平面叠加显示，以一种直观可视化的形式展示出大气气溶胶浓度与风场的内在联系。

技术领域

本发明涉及大气监测技术领域，具体涉及风场空间分布转化为风场时间方向的方法，及气溶胶时空分布与风场时空分布的叠加方法。

背景技术

大气气溶胶是指悬浮于大气中的固体和液体颗粒，气溶胶粒子通过吸收和散射太阳辐射以及地球长波辐射影响天气和气候的变化。由于自然因素和人为因素,气溶胶属性在时间和空间上都有很大的变动性,基于全球变化以及环境保护方面研究的需要,对气溶胶垂直分布的观测研究需要不断加强。

激光雷达通过向大气发射激光束，利用大气中的气溶胶为媒介，进行大气遥感探测。由于激光波长较短以及脉冲宽度很窄，因而可以实现大气层内高精度高时空分辨率探测。

激光在大气介质中传输时，会产生分子和小尺度大气气溶胶粒子的瑞利(Rayleigh)散射、大尺度大气气溶胶粒子的米(Mie)散射、非球形粒子的退偏振(Depolarization)散射、散射频率发生变化的喇曼(Raman)散射以及散射强度比分子瑞利散射大好几个数量级的共振荧光(Resonance Fluorescence)散射等多种散射过程。与其他散射放式相比，米散射具有较大的散射截面，使米散射雷达回波信号通常较大，成为探测气溶胶分布的有效工具。

当一个激光脉冲发射到大气中时，在传播路径上激光脉冲被大气气溶胶粒子和云粒子散射和消光，不同高度(距离)的后向散射光的大小与此高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的散射特性有关，其后向散射光强度由激光雷达探测，通过求解米散射激光雷达方程就可以反演相对应高度(距离)的大气气溶胶粒子和云粒子的消光系数。

在二维平面中，如果以时间为横坐标，径向距离为纵坐标，则一定时间内的激光雷达信号及消光系数会分布于这个二维平面中，建立回波信号和消光系数浓度与颜色的索引关系，则可以形成二维可视化伪彩图，可以直观显示出气溶胶浓度随时间空间的变化趋势。

根据气溶胶浓度梯度可以计算污染边界层高度，对气溶胶浓度径向积分可以得到气溶胶光学厚度。

激光脉冲，微波或声波发射到大气中，根据多普勒效应，后向散射光、微波或声波的频率会发生改变，检测频率的改变量，从而获得空间的风速分布。气溶胶粒子在风力作用下产生运动，气溶胶粒子的运动速度与风速一致。因此，风力对于气溶胶空间分布的变化具有重要的作用，两者在空间及时间的分布具有内在的逻辑关系。

发明内容

因此，本发明提供了风场空间分布转化为风场时间方向的方法，同时还提供了使得大气气溶胶时间空间分布与风场时间空间分布的内在逻辑关系以直观可视的方式呈现出来的叠加方法。

本发明提供的风场空间分布转化为风场时间方向的方法，空间风向上各点的风向均可分解为水平向与垂直向，将水平向的各角度风向转化为二维平面呈现，二维平面的水平向为时间方向，垂直向为空间方向，以形成二维平面的时空表现形式。

进一步，风场各方向风速用函数来表示，h表示径向距离，t表示时间，风速分解为水平风速和垂直风速V_H，V_V，

其中，水平风速在时间方向变换表示为