专利名称：实时测量大气混合层高度的便携式装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种实时测量大气混合层高度的便携式装置。
背景技术：
大气混合层不仅与人有直接而密切的关系，而且与地球上几乎所有生物都存在直接且密切的联系，因为地面和水面与大气间的所有交换过程(包括热量交换、能量交换和质量交换等)均在大气混合层内进行。此外，由于大气混合层内的空气是人们直接呼吸的气体，因此大气混合层的特性经常是人们共同关注的焦点。大气混合层高度是大气混合层最重要的特性之一，它是指大气污染物和大气成分由于热浮升力或机械力湍流作用而充分混合过程所能达到的近地面高度。大气混合层高度控制着城市热量和污染物的传输和扩散，并且决定着大气污染物扩散所能达到的垂直高度。大气混合层高度还是许多大气污染传输模型所必须的输入参数，它的变化能显著地影响城市的热岛效应、大气污染水平和长期的气候变化。因此，深刻认识大气混合层高度对于环境监测、大气污染物预测和天气预报均有重要意义。准确测量大气混合层高度对于认识其具有至关重要作用，但是世界上至今仍没有被广泛认可的直接测量大气混合层高度的统一方法。现在常用的测量大气混合层高度方法有间接测量法和理论型参数化模型，但是这些方法和模型原理复杂，实际操作困难，均难以获得实时精确的大气混合层高度数据。大气混合层高度间接测量法包括无线电探空法和远程雷达探测法，其缺点是测量费时费力、操作复杂、易受环境影响和测量误差大。理论型参数化模型通常需要观测点实时的阻力速度、云量和太阳高度等气象参数，这些气象参数非常难以获得，只有大型气象站才能提供；另外，理论型参数化模型计算比较复杂，影响因素较多，计算误差大，很难推广使用。由此可见，已有方法和技术装置难以获得实时精确的大气混合层高度数值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种实时测量大气混合层高度的便携式装置， 该实时测量大气混合层高度的便携式装置能简单、快捷、准确地计算大气混合层高度。本发明的技术解决方案如下一种实时测量大气混合层高度的便携式装置，控制机箱安装在三角固定架上，控制机箱上竖直设置有T形的支撑架，风向风速传感器的风向检测部分和风速检测部分分别安装在支撑架的左右2个水平臂上，太阳辐射传感器固定在支撑架的竖直支杆的顶部；环境温湿度传感器、大气压力传感器和露点温度传感器安装在控制机箱外部伸出的支撑板上；控制机箱内设置有数字信号处理器、时间信号发生器和数据存储器，控制机箱上设置有显示屏和按键；太阳辐射传感器、风向风速传感器、环境温湿度传感器、大气压力传感器、露点温度传感器和时间信号发生器、数据存储器、按键和显示屏均与数字信号处理器相接。所述的数字信号处理器具有用于根据当前各传感器的检测值以及以下公式计算出大气混合层高度值的计算单元MLH = a1T+a2P+a3SR+a4RH+a5WS+a6DT计算出该城市的大气混合层高度的预测值； 式中的MLH为大气混合层高度；式中 ％为回归系数，回归系数由历史的气象数据和历史的大气混合层高度经统计学多元线性回归方法获得；τ为空气温度，P为大气压力、SR为太阳辐射值，RH为空气湿度，WS为风速、DT为露点温度。支撑板上设有用于罩住环境温湿度传感器、大气压力传感器和露点温度传感器的防护罩；三角固定架设有用于将三角固定架固定在地面的螺钉。控制机箱背面设有百叶窗式的通风口。有益效果本发明的实时测量大气混合层高度的便携式装置基于已有研究得出的用简单地面气象参数预测大气混合层高度的方法，提供一种实时测量大气混合层高度的便携式装置，所选器件均是低功耗、体积小的产品，易于整合在一个小巧的壳体中，所以本发明装置体积小，易于携带。本发明装置由于只需测量近地面空气温度、大气压力、太阳辐射、空气湿度、风速和露点温度等数值即可间接得出精确的大气混合层高度，所以本发明装置操作简单、测量可靠、抗干扰能力强。此外，本发明装置测量大气混合层高度的原理简单、影响因素较少、计算误差较少，因此易于推广使用。
图1为长沙市2009年夏季(6月至8月)大气混合层高度一天M小时变化趋势图；图2是长沙市2005 2009五年大气混合层高度回归模型计算结果与NOAA公布结果之间的比较示意图；图3是2010年1 10月大气混合层高度预测结果与美国海洋大气管理局 NOAA (http //www. noaa. gov/)公布数据的比较图。图4是本发明装置的外观结构图；图5是本发明装置内部电路框图。
具体实施例方式以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明实施例1 关于大气混合层高度数据的参数确定以及计算过程的实例以长沙市为例，具体说明上述回归模型(即前述的MLH的计算公式)的建立、实施与预测过程。首先，获取历史数据。一方面，从美国海洋大气管理局NOAA(http://www. noaa. gov/)下载过去五年(2005 2009)每天M小时长沙市大气混合层高度数据(我国目前尚未公开城市混合层高度数据)，另一方面，由国际气象网站(httpV/www.mmderground. com/)公开公布的气象数据中获得长沙市过去五年(2005 2009)每天M小时的基本气象参数数据。其次，根据上述历史数据，利用SPSS(即中文的统计产品与服务解决方案)统计学分析软件(任何统计软件都具备该功能)建立城市大气混合层高度与基本气象参数之间的多元线性回归分段模型如下白天(8:00-19:00) :MLH = -11882+1. 4*SR+56. 4*WS+10. 6*Ρ+62· 9*Τ_56· 9*DT+12 3*RH ；夜晚(20 00-7 00) :MLH = -679+0. 07*SR+47. 6*WS+0. 8*Ρ+10· 6*Τ_8· 9*DT_0. 6*R
H0最后，利用上述回归模型实时预测长沙市大气混合层高度。图3是我们采用2010 年1 10月的基本气象参数数据(http://Ww. wunderground. com/)计算的大气混合层高度变化，与美国海洋大气管理局NOAA (http://www. noaa. gov/)公布的数据非常一致，充分验证了回归模型的预测可靠性。图1为长沙市2009年夏季(6月至8月)大气混合层高度一天M小时变化趋势图，可明显看出其白天与夜晚存在显著区别(夜晚平均值为200米左右，白天平均指则在 200 1500米之间变化)，因此本发明白天夜晚进行分段回归，以提高模型的可靠性。图2是长沙市2005 2009五年大气混合层高度回归模型计算结果与NOAA公布结果之间的比较，二者的相关系数高达0. 886(即相关性R2 = 0. 8862 = 0. 785)，说明回归模型的可靠性。图3是2010年1 10月大气混合层高度预测结果与美国海洋大气管理局 NOAA (http://www. noaa. gov/)公布数据的比较，结果非常一致，充分验证了回归模型的预测可靠性。说明(1)回归模型中城市大气混合层高度历史数据可以是如前所述的任何一种方法， 如大型气象站远程探测或根据理论模型计算获得。(2)本发明采用的基本气象参数原则是简单且容易获得(如采用小型或微型气象站能够实时测试的气象数据)或者当地气象局实时公布的气象数据，具体采用的气象参数包括空气温度(T)、露点温度(DT)、大气压力(P)、相对湿度(RH)、太阳辐射(SR)、地面风速(WS)。(3)由于大气混合层高度在白天与夜晚有显著性区别(见附图1)，因此为提高回归模型的可靠性，本发明建议对白天与夜晚进行分段回归。(4)上述统计学回归模型实现了采用非常容易获得或测试的基本气象参数来计算非常难以获得或测试的城市大气混合层高度的方法。(5)通过现场测试或当地气象局实时公布的基本气象参数数据，根据上述多元线性回归模型即可实时计算与预测城市大气混合层高度及其变化。由于对于不同的城市，其线性回归系数都是经过历史数据进行线性回归方法获得的，因此，本发明的方法具有普适性。即在任一个城市都可以使用，区别只在于不同城市中回归系数的具体数值不同。
如图4所示，本发明装置一种实时测量大气混合层高度的便携式装置，由风向风速传感器1、支撑架2、防护罩3、支撑板4、控制机箱5、按键6、挡板7 (挡板可开合，当挡板合上时具有防水、防尘的功能，即保护按键、接口、显示屏等)、三角固定支架8、数据接口 9、 显示屏10和太阳辐射传感器11以及内置电路组成。其中防护罩3内有环境温湿度传感器、 大气压力传感器和露点温度传感器，防护罩3可以保护上述三个传感器不受雨水和辐射的影响。太阳辐射传感器11和风向风速传感器1装置于控制机箱5正上方的支撑架2上面，其中太阳辐射1置于支撑架2立柱的正上端，风向风速传感器1分两部分置于支撑架2 平行板的两端；防护罩3置于控制机箱5背部所连接的支撑板4上。所选传感器均为高精度传感器，传感器与控制机箱相连接的线路均从支撑架(板)内穿过，防止本发明装置长期室外工作导致的线路老化损伤。挡板7紧闭时能保证下雨时控制机箱内不会进雨水，控制机箱背面有百叶窗式的小型通风口，方便机箱内热量导出。控制机箱内的操作面板布局如图4所示，包括按键6、数据接口 9和显示屏10。操作面板的左上部是显示屏10，用于显示时间、太阳辐射、空气温度和空气湿度、风向和风速、大气压力、露点温度和大气混合层高度等数值信息；左下部是USB数据接口和标准RS232数据接口，两种数据接口更方便本发明装置与电脑的数据传输；右部是按键，包括0-9数字键、小数点键、上下键、设置键、确定键、取消键、开关键和照明键，设置键用于使本发明装置进入设置状态，开关键用于本发明装置的电源开关，照明键用于光线较暗的情况下查看显示屏内容和对面板进行正确操作。(2)内置电路框图如图5所示，主要太阳辐射传感器、温湿度传感器、风向风速传感器、压力传感器、露点温度传感器、数字信号处理器、时间信号发生器、按键、数据存储器和数字显示屏组成，其中太阳辐射传感器、温湿度传感器、风向风速传感器、压力传感器、露点温度传感器、时间信号发生器和按键的输出端与数字信号处理器的输入端相连接，并且能通过按键对数字信号处理器发出相关指令，实现对本发明装置的相关设置。数字信号处理器内置已有研究结果的大气混合层高度计算公式，当同时有太阳辐射、空气温度和空气湿度、风速、大气压力、露点温度输入时，数字信号处理器能参照设备内的系统时间自动选择使用白天或者晚上计算公式计算出实时的大气混合层高度数值。数字信号处理器的输出端同时与数字显示屏和数据存储器的输入端相连接，将得到的太阳辐射、空气温度和空气湿度、风向和风速、大气压力、露点温度和大气混合层高度数值实时显示在显示屏上和存储在数据存储器中。通过按键，可以设定本发明装置的系统时间、开始及结束工作时间、记录和存储数据的时间间隔及数据接口与电脑相连接时的数据输出方式(USB数据接口还是 RS232数据接口)。(3)当用数据线将本发明装置与电脑相连接时，运行专用的“大气混合层高度监控系统平台”软件，软件操作可代替按键对本发明装置进行系统时间、开始及结束工作时间、 记录和存储数据的时间间隔设置，也可对实时监测数据和存储器中的数据进行查看或其他操作。如果连接电脑时，本发明装置正在进行监测工作，点击“大气混合层高度监控系统平台”软件界面工具栏中的“实时监测”可查看实时的风向、空气温度、大气压力、太阳辐射、空气湿度、风速、露点温度和大气混合层高度数值以及它们一小时内的平均值；点击工具栏中的“历史数据”可对数据存储器中的数据进行查看、下载和清空等操作，默认的数据下载格式是“.xls”格式，方便后续的数据统计分析。另外运行“大气混合层高度监控系统平台”软件时可调取已经下载在电脑中的已有数据进行查看。
权利要求
1.一种实时测量大气混合层高度的便携式装置，其特征在于，控制机箱安装在三角固定架上，控制机箱上竖直设置有T形的支撑架，风向风速传感器的风向检测部分和风速检测部分分别安装在支撑架的左右2个水平臂上，太阳辐射传感器固定在支撑架的竖直支杆的顶部；环境温湿度传感器、大气压力传感器和露点温度传感器安装在控制机箱外部伸出的支撑板上；控制机箱内设置有数字信号处理器、时间信号发生器和数据存储器，控制机箱上设置有显示屏和按键；太阳辐射传感器、风向风速传感器、环境温湿度传感器、大气压力传感器、露点温度传感器和时间信号发生器、数据存储器、按键和显示屏均与数字信号处理器相接。
2.根据权利要求1所述的实时测量大气混合层高度的便携式装置，其特征在于，所述的数字信号处理器具有用于根据当前各传感器的检测值以及以下公式计算出大气混合层高度值的计算单元MLH = EtJ+af+aJR+wRH+aJS+^DT计算出该城市的大气混合层高度的预测值；式中的MLH为大气混合层高度；式中％ ％为回归系数，回归系数由历史的气象数据和历史的大气混合层高度经统计学多元线性回归方法获得；T为空气温度，P为大气压力、SR为太阳辐射值，RH为空气湿度， WS为风速、DT为露点温度。
3.根据权利要求1所述的实时测量大气混合层高度的便携式装置，其特征在于，支撑板上设有用于罩住环境温湿度传感器、大气压力传感器和露点温度传感器的防护罩；
4.根据权利要求1所述的实时测量大气混合层高度的便携式装置，其特征在于，三角固定架设有用于将三角固定架固定在地面的螺钉。
5.根据权利要求1-4任一项所述的实时测量大气混合层高度的便携式装置，其特征在于，控制机箱背面设有百叶窗式的通风口。
全文摘要
本发明公开了一种实时测量大气混合层高度的便携式装置，控制机箱安装在三角固定架上，控制机箱上竖直设置有T形的支撑架，风向风速传感器的风向检测部分和风速检测部分分别安装在支撑架的左右2个水平臂上，太阳辐射传感器固定在支撑架的竖直支杆的顶部；环境温湿度传感器、大气压力传感器和露点温度传感器安装在控制机箱外部伸出的支撑板上；太阳辐射传感器、风向风速传感器、环境温湿度传感器、大气压力传感器、露点温度传感器和时间信号发生器、数据存储器、按键和显示屏均与数字信号处理器相接。该实时测量大气混合层高度的便携式装置能简单、快捷、准确地计算大气混合层高度。
文档编号G01C5/06GK102183238SQ20111004778
公开日2011年9月14日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者石灵芝, 贺广兴, 路婵, 邓启红, 黄柏良 申请人:中南大学