环境气象监测系统设计_气象监测系统架构

1.大气环境监测

LQH-SN1型智慧云联数字高精度室内环境监测系统

一、产品概述

LQH-SN1型智慧云联数字高精度室内环境监测系统 由数据集中心软件、数据集器、温湿度传感器、地温传感器、风速传感器、大气压力、噪声传感器、照度传感器、气体传感器组成。集器收集各个传感器的数据发送到监测中心微机中，通过集中心的分析软件实时显示数据，并对数据进行处理和存储。该监测系统可根据 室内空气质量标准：GB/T18883《室内空气质量标准》与 GB50325《民用建筑工程室内环境污染控制规范》 有效对室内的综合环境进行评估。

二、产品特点

1、领先 科技 : 标配全新一代云智慧室内环境数据集器，内嵌工业级多核ARM数据处理器，可实现极速秒级多任务同步处理，包括源数据集、精准算法处理、全网通云端通讯、智慧管控物联设备、绿色电源智能管理。

2、进口芯片： 环境温湿度、大气压力传感器内部核心器件均用欧洲、美国原装进口，保证数据源高精准、高稳定性集。

3、简易安装： 所有传感器、集器、供电系统、支架连接件均按模块化快接方式设计。支架主体统一化用304不锈钢50*50拉丝抛光方管，不易生锈、美观大方。简洁易懂，便于拆装是产品搭建的设计灵魂，现场安装只需1人自行组装调试。

利诚云平台监控大屏

4、全网通讯： 云智慧气象环境数据集器板载集成有4G十三模全通通无线通讯模块，可支持移动、联通、电信的2G3G4G手机卡。无需配置，上电自动连接智慧气象网络化云平台。

5、双云平台： 电脑云与手机云同步开放。针对于电脑端用户可以在web浏览器中登录云平台进行数据查看、下载、控制、分析。针对于手机端用户可以通过微信扫码登录APP云端软件进行数据的查询分析。

6、软件管理： 云端软件支持多级用户权限管理和职能分配、动态展示全域室内环境因子数据分布、支持数据的查询与分析、数据报警设置，报警推送，处理统计，多角度深挖科学化数据支持；通过与前端智能设备通讯交互、智能分析、控制联动、可让使用管理人员及时了解数据中心运行状况，实现对数据中心全面管控。

7、绿色电源： 支持AC220V和DC9 36V双模式供电，电源管理模块用新一代智能管理器，可根据供电情况自动切换交、直流供电方式，并具有充放电保护装置，避免过充、过放对电池寿命产生伤害。

8、扩展功能： 用全新的物联管控系统模块，可以根据集现场实时数据情况，设置联动机制后可对预警模块、通风系统、升降温装置等进行启停操作。

三、技术指标

品牌：维仪利诚

大气环境监测

我国是一个地质灾害多发的国家,崩塌、滑坡和泥石流等常见灾害发生的地域广、频率高,具有较强的破坏性。研究表明,除地质构造及人类活动外,气象条件也是形成地质灾害的一大原因,暴雨或连续降雨常常是触发地质灾害的直接因素。因此,如何通过对雨情的监测提供可靠的地质灾害预警资讯,成为一项重要工作内容。

　1.地质灾害预警报系统概述

目前,在气象部门的协助下,许多地区的国土部门都相继建立了地质灾害预警预报系统。灾害的风险预报是指在收集和集中监测资讯的基础上,进一步分析地质灾害及次生、衍生灾害等可能对社会经济、群众生活所造成的影响,提前释出风险预报,并为 *** 部门、有关单位及广大民众提供应对的措施和指导。气象监测***特别是雨量监测***系统和基于WebGIS的地质灾害预警系统组成的地质灾害预警预报平台,在突发性地质灾害的预测和防范中起到了关键性的作用[1]。

　1.1预警报系统的建设目标

预警报系统的目标是建设一个时效高、预警报资讯内容全面且准确可靠的地质灾害预警报体系,为相关 *** 部门的决策和灾害地区群众的减灾措施提供科学、及时、有效的资讯指导。充分利用现代化建设的成果,在已获取的大量气象探测和灾害性天气监测资讯的基础上,对资讯进行存贮、处理和分析,建立地质灾害预警报服务平台和流程,根据决策服务的要求,提供连续无缝隙的地质灾害预警报资讯[2]。

　1.2预警报系统的工作流程

地质灾害预警预报系统主要由监测系统和预警报系统2部分组成。启动气象资讯收集、地质灾害资讯收集以及资讯释出自动生成等模组后,通过实时监控雨情,一旦降水因子达到相应的监测指标,系统即可在决策中心进行资料分析,生成地质灾害预警等级,并在确定资讯释出后,利用简讯、广播、电视、网路等媒介按照预警等级对特定部门及相关群众释出警报资讯。

　2.地质灾害预警报系统的组成及实现

基于WebGIS的地质灾害预警系统中,灾害资讯的汇集及预警平台是资料资讯处理和服务的核心;气象监测系统具有雨情报汛、预警等功能;群测群防预警系统则包括预警释出、警报传输和资讯反馈功能[3]。要实现地质灾害预警系统的正常运转,应注意以下几个方面:

　2.1建立高效稳定的应用平台

高效稳定的应用平台为整个地质灾害预警系统的正常运作提供强有力的支撑,对提高系统的稳定性具有至关重要的作用。良好的应用平台依赖于完善的资料资讯、高科技的硬体装置、成熟的先进软体环境及规划合理的结构设计。

资料库是地质灾害预警报系统的核心部分,除实时集和释出的雨量资料、预报雨量资料、雷达图、卫星云图和台风资讯等气象资料外,当地行政区域图、区域地理资讯及区域内的群众资讯等,都是资料库的重要组成部分。软体系统应由使用者介面、后台管理系统、资料交换平台***EAI***、后台管理应用核心构件群、WebGIS元件、Microsoft.NET应用伺服器平台及其他系统组成。先进、灵活、适用的软体架构符合管理资讯化的要求,以构件化设计为核心,实现触发、资料驱动、引数设定的开放可行的地质灾害预警预报系统管理平台。

　2.2保证系统的安全性

预警预报系统将为防灾减灾的决策提供重要的依据和指导,因此,必须保证其安全性和权威性,安全是系统设计的关键[5-6]。首先,在设计中要充分考虑到网路安全的问题;其次,注重系统的整体维护是延长系统使用寿命的重要保障。此外,地质灾害预警预报系统与其他相关系统的联络均以特定的介面程式来实现,当地质灾害预警预报系统或相关系统出现故障时,不会出现系统间的相互影响。在系统的执行中,应保留详细的操作日志,出现问题可以查明错误原因,及时恢复,并为系统的科学评价提供依据。

　2.3科学合理的灾害等级划分

灾害等级的划分关系到预警报启动的决策、预警报资讯的释出范围及释出物件等,在地质灾害预警报系统中,需要给予特别的重视[4]。依照国土部制定的地质灾害预报等级标准,预报等级可分为5级:一级为可能性很小;二级为可能性较小;***注意级***为可能性较大;四级***预警级***为可能性大;五级***警报级***为可能性很大。从预警报系统的角度分析,一级和二级灾害没有实际预警意义,预警工作由开始启动,应围绕三至五级地质灾害开展防灾减灾工作。

　3.小结

综上所述,地质灾害预警预报系统的建设和维护是一项长期工作,涉及的部门多、范围广,须参考的因素多而复杂。因此,必须在工作中不断地总结经验,并在各部门的积极配合下,建立顺畅的资讯链,为相关部门和群众提供即时的、权威的、人性化的资讯指导,将地质灾害的影响降到最低。

大气环境中CO2浓度的监测是目前确定CO2是否泄漏较为有效和快捷的手段之一，其主要目的是发现来自于储存工程可能的泄漏，以及项目周边环境有没有受到负面影响。目前最常用的技术有红外线气体检测技术、大气CO2示踪、陆地生态系统通量观测三种。

1.光学CO2传感器

绝大多数CO2浓度监测技术都是基于CO2近红外（IR）吸收光谱特征设计的，并且都可以做到实时监测和在线数据传输。由于CO2在一些近红外光谱段有着较强的吸收特性，同时其他气体在相应的光谱范围内的吸收特性较弱，从而使得一些近红外波段成为探测和监测CO2的良好途径。CO2对于近红外4.25μm太阳辐射具有较强的吸收特征，因此该波段对于探测大气中的CO2非常敏感（图10-2）。大部分固定和移动式的商业化CO2监测设备都是利用这一近红外通道设计和制造的。CO2另一个较强的近红外吸收通道是2.7μm，但其吸收强度仅有4.25μm处的1/10。这个通道对于监测CO2也非常敏感，并且基本不受其他气体的干扰。该通道被美国国家航空航天局（NASA）的火星探险号用于探测CO2浓度。2μm处也是一个比较有潜力的通道，但CO2在该通道的吸收率仅为在4.25μm处的1/250，这一弱吸收通道已经被用来探测燃烧环境中的CO2浓度。在4.41～4.45μm处，13CO2具有较强的吸收特性。由于13C的浓度要远低于12C的浓度（大约为其的1/100），所以这一通道可以用来探测CO2浓度较高的环境，探测范围可以达到0.27％。CO2在1.57μm处仍有一个吸收谷，在这一波段的吸收率很低，约为在2μm 处的1/100。但这一波段几乎完全不受其他气体的干扰，所以这一弱吸收波段不适宜短程CO2监测（例如燃烧室等），但却在CO2浓度处于典型大气浓度范围时，是长程CO2浓度监测的理想波段（Shu1er et al.，2002）。

图10-2 CO2红外光谱曲线

CO2近红外（IR）吸收光谱监测分两种类型：非色散红外气体分析（NDIRs）和红外二极管激光仪。非色散红外气体分析使用一个较宽的红外波段，并且辐射光线通过一个装有分析设备的密闭室，是一个封闭短程监测技术；红外二极管激光仪既可以被用于封闭短程监测，也可以被用于开放长程监测，在开放长程监测情况下，分析样对象直接来自大气。短程监测可以控制在2m以内，而长程监测可以达几百米，其监测结果是长程路径上的CO2浓度平均值。

2.大气CO2示踪

大气中天然示踪剂可用于监测CO2是否泄漏。天然示踪剂是与地下、近地表或大气CO2相关联的一种化合物， 包括甲烷、氡、惰性气体和CO2同位素等。但使用示踪剂需要注意的是在空气中与CO2不同的扩散速率。某些示踪剂扩散速率比CO2要快，这会导致在空气中示踪剂形成的背景范围超出实际CO2的羽流范围。

我国目前使用的大气示踪剂品种较为单一，主要是六氟化硫（6），某些特殊场合使用氟卤甲烷等。6示踪剂具有以下优点：分析灵敏度高，气相色谱电子捕获检测器（ECD）的探测下限为0.5×10-14（以体积分数计）；大气本底较低，空气中的平均浓度为8.5×10-13（以体积分数计）；对空气呈惰性；取样和测量简便快速；造价和分析费用较低。尽管如此，6的大气扩散示踪距离仍不宜超过100km。

。、全氟化碳和稀有气体等人工示踪剂的检测使用气象色谱仪（图10-3）。载气自钢瓶经减压后输出，通过净化器、减压阀、稳压阀或稳流阀以及流量计后，以稳定的流量连续不断地流过气化室、色谱柱、检测器，最后放空。被测物质随载气进入色谱柱，根据被测组分的不同分配性质，它们在柱内形成分离的谱带，转换成相应的输出信号，并记录成色谱图。

图10-3 气象色谱仪示意图

示踪剂检测在CO2地质储存中具有潜在的应用优势，关于其检测技术方法需要进一步深入的研究探讨。同时，质谱仪、气相色谱仪等检测装置价格昂贵、无法适应野外长期监测。研制具有便携快速或在线功能的检测装置是一个急迫和值得大力探索的课题。

3.陆地生态系统通量观测

陆地生态系统通量观测即涡度相关法（EC），该技术是在地面一定高度，以较高的频率监测大气CO2浓度和通量的技术，同时监测各类气象变量，例如风速、 相对湿度、温度等。涡度相关法的优势主要包括：①自动监测；②不干扰周围环境；③其结果代表了空间和时间上的平均值，因此其空间尺度要相对比其他地面CO2浓度监测设备更大。涡度相关法的不足之处在于，其设条件是水平较为均一化的地表环境，而大多数自然条件都难以完全满足。

涡度相关法已经成为CO2地质储存重要监测手段之一，并被许多CO2地质储存项目用。将仪器安装在地表之上一定高度，用来测量CO2气体浓度，垂直风速度、相对湿度和温度。根据这些实地测量的数据计算CO2浓度和瞬时垂直风速的协方差高于或低于两者平均值。结合塔的高度，由此估算出多达数平方千米面积上产生的平均CO2通量。单位时间可以是几天，一年甚至更长。近年来，涡度相关技术的进步使得长期的定位观测成为可能，目前已成为直接测定大气与群落CO2交换通量的主要方法，也是世界上CO2和水热通量测定的标准方法，所观测的数据已成为检验各种模型估算精度的权威资料。该方法已得到微气象学和生态学家们的广泛认可，成为目前通量观测网络FLUXNE T的主要技术手段。

以上三个监测技术方法的比较如表10-5所列。

表10-5 大气监测技术概况表

CO2浓度监测仪和涡度相关法都只能监测较小范围内的CO2浓度。当需要监测较大范围（几公里范围）的大气中CO2浓度变化情况时，就需要用开放路径监测设备，例如使用激光发射出电磁波（选择CO2较为敏感的吸收波段），然后接收从地表反射回来的电磁波，由于发射和反射的电磁波受到了不同物质的吸收（例如大气中的CO2），所以可以通过分析接收到的电磁波的衰减程度，在较大范围内监测CO2浓度变化。激光雷达技术就是一种光探测技术，当前激光及差分吸收雷达技术已经被用于CO2浓度监测。

如果需要在更大范围内监测CO2浓度，例如几千平方千米或者更大，则就需要使用卫星遥感技术（激光也属于遥感技术的一种）。尽管当前已经有利用卫星遥感探测大气CO2浓度的技术和应用，例如日本的温室气体观测卫星（GOSAT）、欧洲太空局ENVISAT卫星上搭载的SCIAMACHY等，但当前的CO2遥感监测精度相对CO2地质储存的需求仍存在较大差异。但这类技术无疑是高效、高频率、低成本CO2浓度监测的最佳选择，随着技术进步，遥感技术必将在CO2地质储存环境监测中发挥越来越重要的作用。