CLEEN's MMEA program organised an international seminar on cleaner air - Outdoor and indoor air quality together with Zhejiang University and assistant organizer Insigma group. This is one of the presentations in the seminar. More info in www.mmea.fi The cleantech field is expanding rapidly and Finnish companies are committed to working for a better environment in the fields of energy efficiency, air quality and monitoring. The world-class Cleantech know-how from Finland and the cooperation with Chinese partners and the results were highlighted in the MMEA seminar. Some of the leading Finnish cleantech companies together with Finnish and Chinese research institutions were present at the event. The seminars focused on cooperation between Finland and China concerning indoor and outdoor air quality and solutions to make them better.

1. 激光云高仪在空气质量监测的应用
⻢马杨
维萨拉(北京）测量技术有限公司
销售经理

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提纲
1. 激光云高仪
⼯工作原理
技术特点
2. 边界层分析
边界层演变
边界层探测⽅方法-梯度法
3. 边界层探测实例
典型天⽓气
2014年12⽉月北京边界层⽉月变化

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LADAR激光云高仪

4. Page 4 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
LIDAR工作原理
§ 一束短脉冲光从云高仪
的发射器发出至天空。
§ 粒子 (例如云滴，气溶胶等)
散射部分光能返回至云
高仪的接收器。
§ 造成散射的粒子所在的
高度可由光发出和返回
的时间差推算出 (光速为
30 厘米/奈秒，约 1 英尺/奈
秒)。
§ 采用几束激光脉冲返回
信号叠加的总和来提高
信噪比。
LIDAR = 激光探测和测距 (Light
Detection and Ranging)
86 µs时的采样
光束旅行的
总距离86,000英尺
7.5千米 / 25,000 英尺
10米 / 33英尺
0英尺
50 µs时的采样
反射光
67 ns时的采样
光束旅行的
总距离66 英尺
顶层
13千米 / 43,000英尺
0 ns时的采样

5. Page 5 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
LIDAR 方程
Pr(z) is the instantaneous power received from distance z
(Watts - W).
Eo is the effective pulse energy
(taking all optics attenuation into account)
(Joules = J, 1J = 1 Watt - second).
c is the speed of light (meters per second - m/s).
A is the receiver aperture (m2).
z is the distance in question (m).
ß(z) is the volume backscatter coefficient at z (m-1srad-1).
is the two-way atmospheric transmittance (equals to 1 in a
clear weather)
P( ) ( )r z Eo
c A
z
z=
2
2 β
z
0
e
∫ σ(z’) dz’-2
z
0
e
∫ σ(z’) dz’-2

6. Page 6 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
§ 由镜头和镜子区分出发
射区和接收区。
§ 发出光束和接收器的视
场同轴，避免了机械对准。
§ 相对基于双镜头的系统，
大程度得扩展了低空测
量的范围。
§ 允许从地面高度测量起。
LIDAR先进技术 —— 单镜头技术
发射器
接收器
镜子
镜头
Nord站, 格陵兰岛
由 DTU Wind Energy 运作
~150 米
基于双镜头的系统
发射器 接收器

7. Page 7 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
CL51激光云高仪技术数据 I
测量范围: 0...13 km (0...25,000 ft)
测量间隔: 6...120 s
报告分辨率: 5 m (10 ft)
数据信息: 触云数（最⼤大三层〕和状态
触云数，状态和后散射廓线
触云数，状态和监控数据
CT12K, CT25K, LD-25/40 仿真
人眼安全: Class 1M (IEC/EN 60825-1)
激光: 910 nm 二极管, 脉冲频率 10 kHz
输出接⼝口 数据线 RS232 / RS485 / modem
维护线 RS232
数据速率 RS-线: 300...57600
Modem: 300...2400, V.21, V.22, V.22bis

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技术数据 II
重量 : 总重46kg
Measurement unit 18.6kg
倾斜位置 : 垂直或 倾斜12°
输⼊入功率 : 115 or 230 VAC, 45-65 Hz
功耗 : 最大 310 W
测量单元 15 W
加热器 100 W
吹⻛风机 20 W
吹⻛风机加热器 175 W
备⽤用电池: 12V 密封铅酸性, 2 Ah

9. Page 9 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
边界层分析
边界层是
§ 是对流层的一部分。
§ 与地⾯面温度相关且受其驱动。
§ 边界层是大气层中唯一的具有明确边界的层 (地球的表面)。
§ 边界的存在造成了边界层的独特大气结构。

10. Page 10 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
边界层演变（晴天）
夜间的边界层混合层
残留层
夹卷层
地面表层
日出
日出

11. Page 11 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
典型的一天中的大气边界层(PBL)的演变
残留层
雾
对流层

12. Page 12 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
Boundary Layer Profiling - Method
§ In a reasonably transparent atmosphere the Lidar backscatter
profiles can be expected to track the aerosol concentration.
§ This concentration, in turn, can be expected to reveal details
about the vertical structure of the atmospheric boundary layer,
such as mixing layer height.
§ The known methods to assess this
quantity from backscatter profiles are
generally based on the assumption that
the mixed layer has a somewhat constant
aerosol concentration that is distinctly
higher than that of the air above.

13. Page 13 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
Boundary Layer Analysis –
Gradient Method
§ The mixed layer is expected to
have a somewhat constant
concentration that is higher than
in the layers above.
§ Consequently, the difference
between the mixed layer and
the air above is assumed to be
seen as a shift from a relatively
strong backscatter inside the
mixed layer to a lower
backscatter level above it.
§ The technique selects the
maximum of the negative
gradient of the backscatter
coefficient to be the top of the
mixed layer.
Mixing height definition:
The height value z where
-dβ/dz, the negative gradient of the
backscatter coefficient β has a
maximum.

14. Page 14 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
边界层探测实例

15. Page 15 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
“蓝天白云”“繁星闪烁”
云
降水

16. Page 16 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
强的雾霾层

17. Page 17 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
悬浮在空中的沙尘层
混合层
自由大气
沙尘层

18. Page 18 / May 2013 / RR / EPA seminar / ©Vaisala
Volcanic Ash clouds in Antarctica
Ash clouds
Cloud

19.
• 北京朝阳区日坛路点位的边界层演变全纪
录
• 2014年12月1—31日
• 设备：维萨拉CL51云高仪
• 12月9日，18日，27日分别出现三次AQI峰
值（分别为276,165和243，数据来自北京市
环境监测保护中心站）

20. 12月1日
AQI 54

21. 12月2日
65

22. 12月3日
51

23. 12月4日
31

24. 12月5日
62

25. 12月6日
80

26. 12月7日
74

27. 12月8日
138

28. 12月9日
276！

29. 12月10日
153

30. 12月11日
52

31. 12月12日
41

32. 12月13日
69

33. 12月14日
113

34. 12月15日
82

35. 12月16日
31

36. 12月17日
99

37. 12月18日
165

38. 12月19日
53

39. 12月20日
32

40. 12月21日
44

41. 12月22日
103

42. 12月23日
100

43. 12月24日
44

44. 12月25日
73

45. 12月26日
155

46. 12月27日
243!

47. 12月28日
155

48. 12月29日
125

49. 12月30日
65

50. 12月31日
43

51. Further
studies

52. 谢谢!