CN102183442B - 一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，从大气中细粒子谱分布的角度上直接对大气能见度进行解析，根据大气细粒子谱仪测量的粒径分布与粒子数浓度，通过分析不同粒径粒子对可见光的总体消光贡献，得到大气能见度。本发明方法不仅简单，仅需大气细粒子谱仪便可实现大气细粒子粒径分布、粒子数浓度分布、大气能见度以及不同粒径粒子对大气能见度的贡献率及分布测量，测量结果客观、准确、可靠，测量过程不受天气条件（雨、雾、霾、沙尘等）的影响，也不需要目标及背景参考物作为参考，仪器安装、维护均在室内进行，易于操作。

Description

一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法

技术领域

本发明涉及环境科学领域，尤其是大气能见度的测量，具体是一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法。

背景技术

工业化、城市化进程的不断加快，导致了区域大气复合污染愈加严峻，重点城市所面临的突出共性问题之一，即大气能见度的降低，也是各国政府与众多研究学者关注的重点。已有的研究结果表明，城市中大气细粒子污染的增加是能见度降低的直接原因，一些研究人员分析了能见度与气溶胶粒子的粒径分布、光学厚度之间的关系；但更多的研究人员则从能见度与PM10、PM2.5或PM1的相关性方面进行了统计分析，指出大气能见度与细粒子质量浓度呈现很好的负相关性；也有部分研究人员根据不同成核模态的粒子分布与变化状况，定性分析其与能见度的相关性，指出积聚模态粒子数的高低将直接影响大气能见度；另有一些研究学者则从粒子组份、来源、气象条件等方面对大气能见度的影响研究开展了大量的工作。

大气能见度是反映大气透明度的一个指标，一般定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大地面水平距离。影响能见度的因素主要有大气透明度、灯光强度和视觉感阈等。大气能见度和天气情况密切相关，当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。

大气能见度的测量目前主要有：目测法、透射法、散射法、数字摄像法等测量方法。目前，能见度的观测大都还是以人工目测法为主，规范性、客观性相对较差。透射法是通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来推算能见度的值，这种方法要求光束通过足够长的大气柱，测量的可靠性受光源及其他硬件系统工作稳定性的影响，一般只适用于中等以下能见度的观测，而在雨、雾等低能见度天气，会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差。散射法(前向散射型、后向散射型)是通过测量大气消光系数的方法来推算能见度，相对而言，较为客观和准确，但这种仪器成本昂贵、维护费用高、操作复杂，而且，在雨、雾天也难以进行正常观测，因而难以推广。数字摄像法则是通过数字化摄像机直接摄取选定目标物及其背景的图象，对所获取的图象进行分析处理，得到大气能见度的数值，这种方法与散射法观测的能见度值比较接近，但需要选择被测量的目标及背景参考物作为参考。

总体而言，大气能见度的高低则是由于大气中颗粒物粒子(沙尘、雨、雾、霾等)对可见光的消光(包括吸收和散射)不同所产生的结果。对于不同区域，虽然污染物粒子组份各异；然而，对于特定城市或区域，究竟何种粒径的粒子影响并决定了能见度的高低目前均无报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，从大气中细粒子谱分布的角度上直接对大气能见度进行解析，根据大气细粒子谱仪测量的粒径分布与粒子数浓度，通过分析不同粒径粒子对可见光的总体消光贡献，得到大气能见度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，其特征在于：采用大气细粒子谱仪，利用大气细粒子谱仪对大气进行测量，得到大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布；

根据Mie散射理论，以及大气细粒子谱仪测量得到的大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布信息，假设大气中的颗粒物为球形粒子，利用公式求出大气粒子消光效率因子Q_ext，对于给定波长λ，粒子总的消光系数可由公式

求出，式中，α＝πD/λ，D为粒子直径，λ为入射光波长，m为粒子的复折射率，a_m与b_m为Mie系数，Θ_ext＝πD²Q_ext/4为根据测得的大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布，由Mie散射理论求出的粒子消光截面，N(D)为大气细粒子谱仪测量得到的粒子的尺度谱分布，即粒子的粒径分布与粒子数浓度分布；

为了使计算所得到的能见度与实际观测到的能见度一致，选择波长范围为400-700nm的可见光，代入粒子总的消光系数的计算公式

得到可表示大气中所有粒径的粒子对400-700nm波长范围内可见光消光贡献总和的消光系数σ_Tol，代入后得到的消光系数σ_Tol可表示为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Tol}}=\underset{\mathrm{\λ}=400}{\overset{700}{\∫}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{\mathrm{\λ}=400}{\overset{700}{\∫}}{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ext}}\left(\mathrm{\λ}\right)N\left(D\right)\mathrm{d\λdD}=\underset{0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ΔD}\right);$

根据Koschmieder定律，能见度V由公式V＝-lnε/σ计算求得，式中σ为消光系数，ε为视觉对比阈值，ε一般取0.02～0.05，将所述消光系数σ_Tol代入能见度V的计算公式后得到新的计算公式

式中C＝-lnε为一常数，对公式

进行计算即可得到大气能见度。大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布在上述文字中以N(D)表示，用来计算粒子总的消光系数

并最终计算出σ_Tol。

本发明提供了一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，适用于不同环境条件下(城市、沙漠、海洋、极地等)的大气能见度测量与分析，能够实现大气能见度以及不同粒径粒子对大气能见度的贡献率及分布的准确、可靠测量。

本发明的特点简述如下：

1、大气细粒子谱仪测量的粒径范围为5nm-10um，包括了正常大气环境条件下基本存在的颗粒物。因此，利用所有粒径颗粒物产生的消光贡献计算得到的能见度能够真实反映出大气能见度的实际状况。

2、常规测量中，能见度是以波长550nm(参考波长)下的测量值作为标准，当以其它波长进行计算或测量时，则需要进行波长的换算与能见度修正。本发明则根据大气能见度的实际定义，即人们视力所能观察到的可见光强弱(大气中不同粒径颗粒物对可见光的消光)。创新性提出选择400-700nm这一范围的可见光进行能见度计算，通过计算所有粒径颗粒物对400-700nm范围内可见光总的消光，得到大气能见度。因此，所有粒径颗粒物对400-700nm波长光的消光贡献的总和全面反映了人们视力所能观察到的可见光强弱；消光越大，观察到的可见光强越弱，能见度越低，反之，能见度越高。

3、在本发明中，大气细粒子谱仪能够给出大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布，根据大气细粒子谱仪数据不仅能够得到大气能见度的数值，即大气细粒子谱仪能够同时直接用于大气能见度的测量，而且能够分析出不同区域或城市环境中不同粒径颗粒物对大气能见度的贡献率及分布，即不同地区大气能见度受何种粒径颗粒物的影响最大。

4、利用大气细粒子谱仪测量数据计算大气能见度不仅方法简单，而且结果客观、准确、可靠，测量过程不受天气条件(雨、雾、霾、沙尘等)的影响，也不需要目标及背景参考物作为参考，仪器安装、维护均在室内进行，易于操作。

5、根据所提出的基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，不仅能够拓展大气细粒子谱仪的测量功能，而且能够进行测量仪器的最少化，降低仪器的使用成本与维护，适用于各种粒谱仪器功能的拓展。

本发明的有益效果为：本发明方法不仅简单，仅需大气细粒子谱仪便可实现大气细粒子粒径分布、粒子数浓度分布、大气能见度以及不同粒径粒子对大气能见度的贡献率及分布测量，测量结果客观、准确、可靠，测量过程不受天气条件(雨、雾、霾、沙尘等)的影响，也不需要目标及背景参考物作为参考，仪器安装、维护均在室内进行，易于操作。根据本发明中提出的基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，已经成功用于大气能见度的测量，有效地实现了不同地区与城市环境中大气能见度的测量分析。

附图说明

图1为本发明方法原理框图。

图2为采用本发明方法于2008年8月对北京地区能见度计算与实际测量示意图，其中：

图2a为能见度计算与实际测量结果对比图，图2b为计算能见度与实际测量能见度的相关性图，图2c为不同粒径粒子消光系数的贡献率分布图。

图3为采用本发明方法于2008年10-11月对广州地区能见度计算与实际测量示意图，其中：

图3a为能见度计算与实际测量结果对比图，图3b为计算能见度与实际测量能见度的相关性图，图3c为不同粒径粒子消光系数的贡献率分布图。

具体实施方式

针对区域大气复合污染愈加严峻，城市环境中大气细粒子污染的增加直接导致大气能见度的降低这一主因，从大气中细粒子谱分布的角度上对大气能见度直接进行解析，发明了基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，详细阐述了其工作原理，实现了基于大气细粒子谱仪数据的大气能见度测量，已成功应用于不同地区大气能见度的测量与分析。

本发明方法采用大气细粒子谱仪测量得到的颗粒物粒径分布与粒子数浓度分布数据，由Mie散射理论得到不同粒径颗粒物对400-700nm可见光的总消光截面，通过计算大气中所有粒径颗粒物的总体消光，并结合大气能见度与颗粒物消光的关系，反演得到大气能见度。本发明方法不仅简单，而且结果客观、准确、可靠，测量过程不受天气条件的影响，也不需要目标及背景参考物作为参考，仪器安装、维护均在室内进行，易于操作。

在本发明中，从大气细粒子谱分布解析大气能见度是目前研究中尚缺乏的一项工作，该发明也为探明究竟何种粒径颗粒物影响并决定了大气能见度提供了方法。通过对大气中不同粒径颗粒物消光贡献率的解析，能够确定某一城市或区域由于某种粒径颗粒物的存在，必将影响该城市或区域大气能见度状况。因此，为控制与治理某一城市或区域大气能见度提供了方法与数据支持。

如图1所示。本发明首先由大气细粒子谱仪测量得到大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布，根据Mie散射理论，计算得到不同粒径颗粒物粒子对400-700nm波长光的总消光截面，然后进行大气中所有粒径颗粒物总的消光与不同粒径粒子消光贡献率的计算，结合大气能见度与颗粒物粒子消光的关系，反演得到大气能见度。

详细方法如下：

根据Koschmieder定律，能见度V(能见距离)可由下式表述：

V＝-lnε/σ            (1)

其中，σ为消光系数，ε为视觉对比阈值，一般取0.02～0.05。因此，消光系数σ的大小决定了能见度的高低。

根据Mie散射理论，假设大气中的颗粒物为球形粒子，则粒子消光效率因子(包括粒子的吸收与散射)Q_ext可写为：

$Q_{\mathrm{ext}}=2/{\mathrm{\α}}^2\mathrm{RE}\left[\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}(2m+1)({a_m}^2+{b_m}^2)\right]---\left(2\right)$

其中，α＝πD/λ，D为粒子直径，λ为入射光波长，m为粒子的复折射率，a_m与b_m为Mie系数。因此，对于给定波长λ，粒子的消光系数可表示如下：

$\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ext}}N\left(D\right)\mathrm{dD}---\left(3\right)$

其中，Θ_ext＝πD²Q_ext/4为粒子消光截面，可由Mie散射理论求出，N(D)为粒子的尺度谱分布。因此，结合(1)-(3)式便可根据粒谱仪测量到的粒子数浓度分布信息得到大气能见度。

通常情况下，能见度是以550nm波长(参考波长)下的测量值作为标准，当以其它波长进行计算或测量时，可以通过乘以因子

进行修正，其中k为常数。在本发明中，能见度的计算所采用的波长不再为单一波长，而是选用400-700nm可见光范围内总的消光系数，这也与实际观测到的能见度(即大气对可见光的消光)相一致。总的消光系数σ_Tol可表示为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Tol}}=\underset{\mathrm{\λ}=400}{\overset{700}{\∫}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{\mathrm{\λ}=400}{\overset{700}{\∫}}{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ext}}\left(\mathrm{\λ}\right)N\left(D\right)\mathrm{d\λdD}---\left(4\right)$

因此，(4)式又可简写为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Tol}}=\underset{0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ΔD}\right)---\left(5\right)$

即所有粒径粒子对400-700nm波长光的消光贡献的总和。由式(1)能见度V此时可表示如下：

$V=C/\underset{0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ΔD}\right)---\left(6\right)$

其中，C＝-lnε，为一常数。因此，能见度仅与不同粒径颗粒物对400-700nm波长光的消光总和有关。

图2和图3分别给出了应用本发明方法对2008年8月北京和2008年10-11月广州两个地区大气能见度的的测量与分析结果，根据大气细粒子谱仪实时连续的在线监测数据分析出大气能见度，并于能见度议实际测量结果进行了对比分析。结果表明，使用大气细粒子谱仪数据的计算结果能够用来有效地表征大气能见度的实际状况。

Claims (1)

1.一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，其特征在于：采用大气细粒子谱仪，利用大气细粒子谱仪对大气进行测量，得到大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布；

根据Mie散射理论，以及大气细粒子谱仪测量得到的大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布信息，假设大气中的颗粒物为球形粒子，利用公式

求出大气粒子消光效率因子Q_ext，对于给定波长λ，粒子总的消光系数可由公式求出，式中，α＝πD/λ，D为粒子直径，λ为入射光波长，a_n与b_n为Mie系数，Θ_ext＝ΠD²Q_ext/4为根据测得的大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布，由Mie散射理论求出的粒子消光截面，N(D)为大气细粒子谱仪测量得到的粒子的尺度谱分布，即粒子的粒径分布与粒子数浓度分布；

为了使计算所得到的能见度与实际观测到的能见度一致，选择波长范围为400-700nm的可见光，代入粒子总的消光系数的计算公式得到可表示大气中所有粒径的粒子对400-700nm波长范围内可见光消光贡献总和的消光系数σ_Tol，代入后得到的消光系数σ_Tol可表示为： ${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{Tol}}=\underset{\mathrm{\λ}=400}{\overset{700}{\∫}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}=\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{\mathrm{\λ}=400}{\overset{700}{\∫}}{\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{ext}}\left(\mathrm{\λ}\right)N\left(D\right)\mathrm{d\λdD}=\underset{0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\σ}\left(\mathrm{\ΔD}\right);$

根据Koschmieder定律，能见度V由公式V＝-lnε/σ计算求得，式中σ为消光系数，ε为视觉对比阈值，ε一般取0.02～0.05，将所述消光系数σ_Tol代入能见度V的计算公式后得到新的计算公式式中C＝-lnε为一常数，对公式

进行计算即可得到大气能见度。

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