Σύγχρονος 3D εντοπισμός σε πραγματικό χρόνο αέριας ρύπανσης και ανέμου χρησιμοποιώντας ένα μοναδικής συνάφια doppler Lidar ανέμου

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 12:06, 11 Φεβρουαρίου 2023

Σύγχρονος 3D εντοπισμός σε πραγματικό χρόνο αέριας ρύπανσης και ανέμου χρησιμοποιώντας ένα μοναδικής συνάφια doppler Lidar ανέμου.

Real-Time Synchronous 3-D Detection of Air Pollution and wind using a solo coherent doppler wind LiDAR

Συγγραφείς: Jinlong Yuan, Yunbin Wu, Zhifeng Shu, Lian Su, Dawei Tang, Yuanjian Yang, Jingjing Dong, Saifen Yu, Zhen Zhang, Haiyun Xia

[1]

1. Εισαγωγή

Η ρύπανση του αέρα έχει γίνει ένα σημαντικό περιβαλλοντικό πρόβλημα που επηρεάζει και την ανθρώπινη υγεία. Μέχρι τώρα χρησιμοποιούνταν μέθοδοι οι οποίες παρουσίαζαν κάποια προβλήματα. Χωρίς σύγχρονη υψηλής ανάλυσης 3D πληροφορίας για τον αέρα και τα σωματίδια aerosol, είναι δύσκολο για τα περισσότερα Lidar (CDWL) να ανιχνεύσουν και να μελετήσουν το φαινόμενο. Τα συναφούς Doppler lidar ανέμου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τέτοιες μετρήσεις λόγω της απλής κατασκευής, δυνατή ικανότητα αντί-παρεμβάσεων, ευρεία εμβέλεια εντοπισμού και ανώτερη λειτουργία σε πραγματικό χρόνο.

2. Τοποθεσία και δεδομένα

2.1 Επίγειες μετρήσεις

Το πείραμα έγινε στη πόλη Binzhou, στην επαρχία Shandong της Κίνας. Οι μετρήσεις έλαβαν χώρα από τις 25-30 Μάρτη 2021. Λόγω της δόμησης ο δέκτης έπρεπε να τοποθετηθεί όσο ψηλότερα γινόταν (Σχήμα 1).

Σχήμα 1: Το CDWL στην ταράτσα κτηρίου

Το CDWL είναι παντός καιρού κι ασφαλές για τον άνθρωπο. Η συνήθης εμβέλεια του ανέρχεται στα 15km όμως λόγω των καιρικών συνθηκών που επικρατούσαν η εμβέλεια δεν ξεπέρασε τα 4.5km. Σαρώθηκε η περιοχή κυκλικά, με οριζόντιο βήμα την 1o και με ανύψωση από 0-4ο. Η οριζόντια σάρωση έγινε για την ανίχνευση της πηγής της ρύπανσης. Κατακόρυφα η ζενίθια γωνία ορίστηκε στις 60ο με οριζόντιο βήμα τις 5ο. Η κατακόρυφη έγινε για αποκτηθούν δεδομένα για προφίλ για τις ιδιότητες των aerosol και του αιολικού πεδίου. Η περίοδοι σάρωσης οριζόντια και κάθετα ορίστηκαν στα 5 λεπτά και 40 δευτερόλεπτα αντίστοιχα. Η ακρίβεια της γωνιακής ταχύτητας προσδιορίστηκε με τον λόγο CNR, ο λόγος της έντασης του σήματος προς την ένταση του θορύβου.

2.2 Δημόσιο επίγειος σταθμός παρακολούθησης

Χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα για τις συγκεντρώσεις σωματιδίων PM2.5 και ΡΜ10

2.3 Ανάλυση προς τα πίσω

Για τον εντοπισμό των πηγών της ρύπανσης και της διαδρομής που ακολούθησαν οι ρύποι χρησιμοποιήθηκε η HYSPLIT.

3. Αποτελέσματα

3.1 Παρακολούθηση τοπικής σημειακής ρύπανσης

Για την τοπική σημειακή ρύπανση χρησιμοποιήθηκε οριζόντια σάρωση PPI με μικρή ανύψωση (Σχήμα 2). Οι μετρήσεις έδειξαν πως η πορεία της ρύπανσης ήταν παράλληλη με την κατεύθυνση του αέρα

Σχήμα 2: Τα αποτελέσματα της οριζόντιας σάρωσης του συντελεστή οπισθοσκέδασης και δισδιάστατου διανύσματος του ανέμου

Η μορφή που λάμβανε το νέφος της μόλυνσης εξαρτιούνταν από την κατάσταση της ατμόσφαιρας. Στην πηγή, το νέφος παρατηρήθηκε να φτάνει τα 130m. Κατ’ ελάχιστον, το νέφος έφτανε τα 30m. Με την δισδιάστατη οριζόντια παρακολούθηση του ανέμου, προσδιορίστηκε η πηγή της ρύπανσης (Σχήμα 3). Η ακρίβεια του εντοπισμού εξαρτάται από την πυκνότητα των χωρικών κομματιών.

Σχήμα 3: a) Οι τροχιές των νεφών καπνού όπως εξήχθησαν από το Σχ. 2. (b) Το αποτέλεσμα της ανίχνευσης της πηγής της σημειακής ρύπανσης. (c) Η πηγή της ρύπανσης.

3.2 Εντοπισμός διασυνοριακής μεταφοράς της ρύπανσης

Η περιοχή μελέτης υποφέρει από αμμοθύελλες κατά την άνοιξη. Μια από αυτές παρατηρήθηκε στην μελέτη. Παρουσιάζονται χάρτες που δείχνουν την πορεία του φαινομένου, και τους συντελεστές οπισθοσκέδασης του CDWL, PM2.5 και ΡΜ10 δεδομένα παρακάτω (Σχήμα 4). Η αμμοθύελλα αυτή ξεκίνησε να επηρεάζει στις 28 Μάρτη όπως φάνηκε και από την αύξηση στον συντελεστή οπισθοσκέδασης των PM10 σωματιδίων.

Σχήμα 4: Η πορεία της αμμοθύελλας και η επίδρασή της στις μετρήσεις Lidar

Στην κατακόρυφη σάρωση λόγω της επίδρασης της άμμου και της σκόνης ενισχύθηκε το σήμα ηχούς της επιφάνειας και στη συνέχεια εξασθενήθηκε ραγδαία αφού έφτασε η θύελλα στον δέκτη. Η εμβέλεια του lidar μειώθηκε στα 500m λόγω της απόσβεσης. Οι επιδράσεις της θύελλας αυτής στα αποτελέσματα απεικονίστηκαν παρακάτω (Σχήμα 5).

Σχήμα 5: Η ανίχνευση της αμμοθύελλας από την κατακόρυφη σάρωση

Το ζενίθ των τιμών του συντελεστή οπισθοσκέδασης και το ναδίρ της εμβέλειας του lidar παρατηρήθηκαν μόλις χτύπησε η θύελλα, και εξασθενούσε και δυνάμωνε αντίστοιχα όσο περνούσε αποδυνάμωνε η θύελλα. Σε γενικές γραμμές η παρατηρήσεις του CDWL ήταν σύμφωνες με αυτές του δημόσιου σταθμού παρακκολούθησης. Το ύψος που μεταφέρεται η σκόνη εξαρτάται από την διανομή των μεγεθών των σωματιδίων και από την κατάσταση της ατμόσφαιρας (Σχ. 6). Η λεπτόκοκκη σκόνη μεταφερόταν ευκολότερα σε υψόμετρο 4km. Τα πρώτα σωματίδια που έφτασαν στην περιοχή μελέτης και ανιχνεύθηκαν ήταν τα λεπτόκοκκα, με τα βαρύτερα σωματίδια που προκάλεσαν χειρότερη ρύπανση να καταφτάνουν αργότερα.

Σχήμα 6: Η προς τα πίσω τροχιά 4 ωρών HYSPLIT

4. Συμπεράσματα

Το CDWL είναι χρήσιμο για την παρακολούθηση σημειακών πηγών ρύπανσης και για την πρόβλεψη της διάχυσης της, σε συνδυασμό με την οριζόντια κατεύθυνση του ανέμου. Με την κατακόρυφη σάρωση καταγράφτηκε η δομή μια διασυνοριακής ρύπανσης από σκόνη. Τα δεδομένα του CDWL ήταν σύμφωνα με άλλους σταθμούς παρακολούθησης. Ανιχνεύθηκαν 2 επίπεδα ρύπανσης, ένα με ανώτατο υψόμετρο τα 700m και ένα δεύτερο με υψόμετρο που κυμαινόταν από 3-4km. Το δεύτερο εμπεριείχε μικρά σωματίδια, χαρακτηριστικό του οποίου ήταν η γρήγορη διασπορά και η μακρά διάρκεια, με δυνατότητα μεταφοράς μεγάλων αποστάσεων. Εν κατακλείδι, η CDWL, αποτελεί καλό εργαλείο εντοπισμού και παρακολούθησης της ρύπανσης σε τοπικό επίπεδο.