CN104677790A - 森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统及方法，所述方系统包括：观测塔，所述观察塔设置在所述森林内，并且所述观察塔的高度高于所述森林内植被的冠层高度；垂直梯度上安装在所述观察塔上的两个个大气颗粒物采样器，以及与各个所述大气颗粒物采样器等高的两个气象仪。本发明通过确定大气颗粒物在森林中不同高度沉降通量，以此来计算整个区域的森林滞尘量，并为评价森林对于大气颗粒物的调控功能提供理论支撑。

Description

森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统及方法

技术领域

本发明涉及空气质量监测技术领域，尤其是涉及一种森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统及方法。

背景技术

PM2.5是指空气动力学当量直径小于或等于2.5μm的颗粒物的颗粒物，也称为细颗粒物或可入肺颗粒物。PM2.5的颗粒物形态各异，有球形、方形、针形、线性等。由于PM2.5粒径小，比表面积大，加之活性强，极易吸附有毒、有害物质(例如，重金属、微生物等)，且在大气中的停留时间长、输送距离远，因而对人体健康和大气环境质量的影响更大。

森林具有产生滞留PM2.5和降低其危害的独特功能，是治理PM2.5的一个非常重要的措施。森林通过以下五种生物物理吸附功能起到对颗粒物吸收的作用：减尘作用—覆盖地表减少PM2.5来源；滞尘作用—叶面吸附直接捕获PM2.5；吸尘作用—叶孔组织容存PM2.5；降尘作用—降低风速促进颗粒沉降；阻尘作用—改变风场阻拦PM2.5进入局部区域。

树木可以依靠其粗糙的叶表面、枝干、和其复杂的空间结构造成的空气动力湍流扰动来有效的移除大气颗粒物。颗粒物在大气中移除主要是通过：湿沉降、化学反应和干沉降。干沉降是大气颗粒物通过重力作用，布朗运动，颗粒物与其他物体的撞击，直接拦截等一系列过程的综合结果。布朗运动对于粒径小于0.1μm的颗粒物起重要作用，粒径在0.1-10μm的主要是通过相互撞击来达到沉降。

发明内容

本发明提供一种森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统及方法，通过确定大气颗粒物在森林中不同高度沉降通量，以此来计算整个区域的森林滞尘量，并为评价森林对于大气颗粒物的调控功能提供理论支撑。

根据本发明的一个方面，提供一种森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，所述方系统包括：

观测塔，所述观察塔设置在所述森林内，并且所述观察塔的高度高于所述森林内植被的冠层高度；

垂直梯度上安装在所述观察塔上的两个个大气颗粒物采样器，以及与各个所述大气颗粒物采样器等高的两个气象仪。

其中，所述系统还包括设置在所述观察塔上的在垂直梯度上位于所述两个气象仪之间的第三气象仪。

其中，第一所述大气颗粒物采样器安装在所述观察塔的高于所述森林内植被冠层第一预设距离的位置，第二所述大气颗粒物采样器安装在所述观察塔的高于地面第二预设距离的位置。

其中，所述第三气象仪设置在所述观察塔的与所述森林内植被冠层等高的位置。

其中，相邻所述大气颗粒物采样器之间的距离大于3米，所述第一预设距离大于5米，所述第二预设距离大于1.5米。

其中，所述气象仪包括风速传感器和风向传感器。

其中，所述系统还包括分别与每个所述气象仪相邻设置的温度传感器和湿度传感器。

根据本发明的另一个方面，提供一种根据上述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、使用上述大气颗粒物采样器采集日不同时段的大气颗粒物的平均浓度；

S2、将所述大气颗粒物采样器的采样滤膜放入恒温恒湿箱内平衡预设的时间；

S3、将所述采样滤膜进行称重；

S4、根据所述采样滤膜的重量测定所述每个大气颗粒物采样器上采集的颗粒物的浓度；

S5、采集每个气象仪上记录的数据，生成多层风速数据；

S6、根据所述颗粒物的浓度和所述多层风速数据，使用预设的干沉降模型公式，计算所述大气颗粒物的干沉降通量。

其中，所述步骤S1具体包括：

采用间断采样的方式采集日不同时段的大气颗粒物的平均浓度。

其中，所述步骤S5具体包括：

所述干沉降模型公式为：

F＝-u^*c^*

其中，u*为摩擦速率，c*是涡流浓度，

c*的计算公式为：

$c^{*}=\frac{\mathrm{k\Δc}}{\ln \left(\frac{Z_2-d}{Z_1-d}\right)-{\mathrm{\ψ}}_h\left(\frac{Z_2-d}{L}\right)+{\mathrm{\ψ}}_h\left(\frac{Z_1-d}{L}\right)}$

Δc=c(Z₃)-c(Z₁)

其中，L为莫奥长度，是按照帕斯奎尔稳定性分类将当地的气象数据分成稳定的等级，K为卡曼常数，Z₁、Z₂、Z₃为所述气象仪的高度，Δc是高度Z₁与Z₃的大气颗粒物的浓度差，ψ_h是综合稳定校正函数，d为粗糙度长度；

所述u*的计算公式为：

$U\left(z\right)=\frac{u^{*}}{k}\ln \frac{Z-d}{Z_0}$

其中U(z)为高度z上的平均风速，Z₀为零平面位移，

所述d的计算过程为：

根据所述多层风速数据，使用牛顿迭代法，设定d的初始值，反复迭代计算d的值，其中，所述牛顿迭代法的计算公式为：

$f\left(d\right)=\frac{U\left(z_1\right)-U\left(z_2\right)}{U\left(z_1\right)-U\left(z_3\right)}=\frac{\mathrm{In}(Z_1-d)\mathrm{In}(Z_2-d)}{\mathrm{In}(Z_1-d)\mathrm{In}(Z_3-d)}$

$g\left(d\right)=d-\frac{f\left(d\right)}{f^{\′}\left(d\right)},$

通过上述迭代公式进行计算，当g(d)-d的值小于预设阈值时，则将g(d)的值作为d的值；

所述L的计算公式为：

当L<0，在不稳定天气条件下：

${\mathrm{\&psi;}}_h=2\ln \left[\frac{(1+X)}{2}\right]+\ln \left[\frac{(1+X^2)}{2}\right]-2{\mathrm{tna}}^{-1}\left(X\right)+0.5$

其中，X为无量纲量，并且所述X的计算公式为：

$X={(1-28\frac{z}{L})}^{0.25}$

当L>0，稳定条件下：

${\mathrm{\&psi;}}_h=-17[1-\exp (-0.29\frac{(z-d)}{L})].$

本发明所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统及方法，采用垂直梯度法，通过监测森林生态系统中分布于同一地点，不同高度大气颗粒物的浓度，及其一些气象参数指标，利用经验模型公式，计算一片森林区域的大气颗粒物的干沉降通量，并为评价森林对于大气颗粒物的调控功能提供理论支撑。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统的结构示意图。

图2示出了本发明的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

图1示出了本发明的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统的结构示意图。

参照图1，本发明的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统具体包括：

观测塔10，所述观察塔设置在所述森林内，并且所述观察塔的高度高于所述森林内植被的冠层高度；

垂直梯度上安装在所述观察塔上的两个个大气颗粒物采样器20，以及与各个所述大气颗粒物采样器20等高的三两个气象仪30。

其中，第一所述大气颗粒物采样器201安装在所述观察塔10的高于所述森林内植被冠层第一预设距离的位置，所述第二大气颗粒物采样器202安装在所述观察塔的低于所述冠层第二预设距离的位置。

在本实施例中，该系统还包括设置在在所述观察塔10上的在垂直梯度上位于所述两个气象仪之间的第三气象仪303，并且所述第三气象仪303设置在所述观察塔的与所述森林内植被冠层等高的位置。

在本实施例中，监测点选择在相对比较单一的林分类型中，不应跨越几个林分，林分的类型要能够反映该区域森林生态系统的特征和季节变化特点，并且监测点所在的区域要相对平坦，坡度不超过5°，监测点所在的森林面积要不小于1公顷(hm²)。

另外，监测点应根据不用的研究目的选择合适的区域。监测一般森林生态系统的干沉降，应避免道路、工厂、河流以及人为干扰的影响。

本实施例的观测塔10固定在地形较为平坦的地方，且观测塔10基座要占地面积小，避免土壤扰动和水土流失，确保不改变下垫面的特征以及森林周围的环境。

观测塔10高度应高于观测区域森林植被类型的冠层高度，一般高于冠顶6—10米，并且观测塔周围应有方便接电的供电装置，并能保证长期运行正常。

另外，观测塔下面布设有可以转换电压的小型变压器，满足塔上其他仪器使用。

同时，为了避免人为和小动物破坏，观测塔周围建造铁栅栏。观测塔的形状可以三角形也可以是四边形，确保观测塔的稳定性。

观测塔的尺寸满足和方便人员进入即可，观测塔顶部应安装有避雷系统，保护观测塔和监测仪器的安全。

大气颗粒物采样器的布设高度要依据冠层高度(h)，在观测塔的垂直梯度方向上，分别在冠下和冠上相对应的位置各安装一台大气颗粒物采集器。冠下颗粒物采集器距地面高度大于1.5m。观察塔上的两个采样点之间的距离要大于3米，塔上方的采样点位于冠层以上5米以上，塔中采样点位于周围树木冠层附近。

在进行采样时，不宜在风速大于8m/s等天气条件下进行。采样点应避开污染源及障碍物。

在观测塔上与大气颗粒物采集器相同的高度安装气象仪，如风速传感器和风向传感器，记录不同高度层的风速、风向，另外，还可以在其相邻的位置设置温度传感器和湿度传感器。另外，为了便于计算，在冠中的位置设置有第三气象仪，并且冠中位置为与森林内植被冠层等高的位置。

根据本发明的另一个方面，提供一种根据上述森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统进行检测的方法。

图2示出了本发明的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测方法的流程图。

参照图2，本发明实施例的检测方法包括：

S1、使用上述大气颗粒物采样器采集日不同时段的大气颗粒物的平均浓度；

采集浓度可以按月、季节分别采样。采用间断采样方式测定日不同时间段平均浓度，采集时间不小于三个小时，测量重复次数3次，测量日平均浓度采集时间为24小时。

S2、将所述大气颗粒物采样器的采样滤膜放入恒温恒湿箱内平衡预设的时间。

S3、将所述采样滤膜进行称重；

滤膜对0.3μm标准粒子的效率不低于99％。滤膜称重前在恒温恒湿箱(室)内平衡12小时，使用除静电器去除滤膜上的静电荷后，对滤膜进行编号称重。

另外，如果采样后不能立即对滤膜进行称重，则将滤膜置于4℃条件下冷藏保存。滤膜称重时，先将其放入恒温恒湿箱(室)内平衡24小时，除静电后进行称重测量，按其编号记录重量。

S4、根据所述采样滤膜的重量测定所述每个大气颗粒物采样器上采集的颗粒物的浓度；

S5、采集每个气象仪上记录的数据，生成多层风速数据；

S5、使用预设的干沉降模型公式，计算所述PM2.5的沉降通量。

步骤S5具体包括：

所述干沉降模型公式为：

F=-u^*c^*

其中，u*为摩擦速率，c*是涡流浓度，

c*的计算公式为：

$c^{*}=\frac{\mathrm{k\&Delta;c}}{\ln \left(\frac{Z_2-d}{Z_1-d}\right)-{\mathrm{\&psi;}}_h\left(\frac{Z_2-d}{L}\right)+{\mathrm{\&psi;}}_h\left(\frac{Z_1-d}{L}\right)}$

Δc=c(Z₃)-c(Z₁)

其中，L为莫奥长度，是按照帕斯奎尔稳定性分类将当地的气象数据分成稳定的等级，K为卡曼常数，Z₁、Z₂、Z₃为所述气象仪的高度，Δc是高度Z₁与Z₃的颗粒物浓度差，ψ_h是综合稳定校正函数，d为粗糙度长度；

所述u*的计算公式为：

$U\left(z\right)=\frac{u^{*}}{k}\ln \frac{Z-d}{Z_0}$

其中U(z)为高度z上的平均风速，Z₀为零平面位移，

所述d的计算过程为：

根据所述多层风速数据，使用牛顿迭代法，设定d的初始值，反复迭代计算d的值，其中，所述牛顿迭代法的计算公式为：

$f\left(d\right)=\frac{U\left(z_1\right)-U\left(z_2\right)}{U\left(z_1\right)-U\left(z_3\right)}=\frac{\mathrm{In}(Z_1-d)\mathrm{In}(Z_2-d)}{\mathrm{In}(Z_1-d)\mathrm{In}(Z_3-d)}$

$g\left(d\right)=d-\frac{f\left(d\right)}{f^{\&prime;}\left(d\right)},$

通过上述迭代公式进行计算，当g(d)-d的值小于预设阈值时，则将g(d)的值作为d的值；

所述L的计算公式为：

当L<0，在不稳定天气条件下：

${\mathrm{\&psi;}}_h=2\ln \left[\frac{(1+X)}{2}\right]+\ln \left[\frac{(1+X^2)}{2}\right]-2{\mathrm{tna}}^{-1}\left(X\right)+0.5$

其中，X为无量纲量，并且所述X的计算公式为：

$X={(1-28\frac{z}{L})}^{0.25}$

当L>0，稳定条件下：

${\mathrm{\&psi;}}_h=-17[1-\exp (-0.29\frac{(z-d)}{L})].$

为更好的说明本发明的技术方案，以下通过具体实施例进行详细描述。

试验地选择在鹫峰国家森林公园(40.06°N,116.09°)，位于北京市海淀区，森林主要植被类型是侧柏。植物的高度是8m左右，位移高度是4m—8m，粗糙长度是0.5m—1.5m，卡曼常数(K)为0.4。监测点附近的叶面积指数(LAI)在春季和冬季分别是3.1和3.8。监测点的观测塔的高度是16m。采用KC-6120大气综合采样器采集颗粒物浓度。分别在塔上不同高度处9m，12m，15m架设三台大气采样器，其中，12m处的大气采样器可以作为参考数据进行采集。风速仪、温湿度仪分别都布设在每层高度，采样时间是每天每隔四小时采样一次。采样时间是2013年2月22—2013年2月28日，2013年5月7日—2013年5月12日。每次采样的滤膜都装在聚丙乙烯滤膜盒中，贴上标签，再用高温灼烧后的铝箔纸密封，防止样品在保存过程中受到污染，然后再放入密封袋中，置于冰箱里冷藏保存。经过模型计算，春季和夏季鹫峰森林中侧柏林分颗粒物干沉降通量如下表所示：

本发明所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统及方法，采用垂直梯度法，通过监测森林生态系统中分布于同一地点，不同高度大气颗粒物的浓度，及其一些气象参数指标，利用经验模型公式，计算一片森林区域的大气颗粒物的沉降通量，并为评价森林对于大气颗粒物的调控功能提供理论支撑。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，所述方系统包括：

观测塔，所述观察塔设置在所述森林内，并且所述观察塔的高度高于所述森林内植被的冠层高度；

垂直梯度上安装在所述观察塔上的两个个大气颗粒物采样器，以及与各个所述大气颗粒物采样器等高的两个气象仪。

2.根据权利要求1所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，所述系统还包括设置在所述观察塔上的在垂直梯度上位于所述两个气象仪之间的第三气象仪。

3.根据权利要求1或2所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，第一所述大气颗粒物采样器安装在所述观察塔的高于所述森林内植被冠层第一预设距离的位置，第二所述大气颗粒物采样器安装在所述观察塔的高于地面第二预设距离的位置。

4.根据权利要求2所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，所述第三气象仪设置在所述观察塔的与所述森林内植被冠层等高的位置。

5.根据权利要求3所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，相邻所述大气颗粒物采样器之间的距离大于3米，所述第一预设距离大于5米，所述第二预设距离大于1.5米。

6.根据权利要求1所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，所述气象仪包括风速传感器和风向传感器。

7.根据权利要求1所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统，其特征在于，所述系统还包括分别与每个所述气象仪相邻设置的温度传感器和湿度传感器。

8.一种根据权利要求1-7任一项所述的森林内大气颗粒物的干沉降通量检测系统进行检测的方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、使用上述大气颗粒物采样器采集日不同时段的大气颗粒物的平均浓度；

S2、将所述大气颗粒物采样器的采样滤膜放入恒温恒湿箱内平衡预设的时间；

S3、将所述采样滤膜进行称重；

S4、根据所述采样滤膜的重量测定所述每个大气颗粒物采样器上采集的颗粒物的浓度；

S5、采集每个气象仪上记录的数据，生成多层风速数据；

S6、根据所述颗粒物的浓度和所述多层风速数据，使用预设的干沉降模型公式，计算所述大气颗粒物的干沉降通量。

9.根据权利要求8所述的检测的方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：

采用间断采样的方式采集日不同时段的大气颗粒物的平均浓度。

10.根据权利要求8或9所述的检测的方法，其特征在于，所述步骤S5具体包括：

所述干沉降模型公式为：

F＝-u^*c^*

其中，u*为摩擦速率，c*是涡流浓度，

c*的计算公式为：

$c^{*}=\frac{\mathrm{k\&Delta;c}}{\ln \left(\frac{Z_2-d}{Z_1-d}\right)-{\mathrm{\&psi;}}_h\left(\frac{Z_2-d}{L}\right)+{\mathrm{\&psi;}}_h\left(\frac{Z_1-d}{L}\right)}$

Δc＝c(Z₃)-c(Z₁)

其中，L为莫奥长度，是按照帕斯奎尔稳定性分类将当地的气象数据分成稳定的等级，K为卡曼常数，Z₁、Z₂、Z₃为所述气象仪的高度，Δc是高度Z₁与Z₃的大气颗粒物的浓度差，ψ_h是综合稳定校正函数，d为粗糙度长度；

所述u*的计算公式为：

$U\left(z\right)=\frac{u^{*}}{k}\ln \frac{Z-d}{Z_0}$

其中U(z)为高度z上的平均风速，Z₀为零平面位移，

所述d的计算过程为：

根据所述多层风速数据，使用牛顿迭代法，设定d的初始值，反复迭代计算d的值，其中，所述牛顿迭代法的计算公式为：

$f\left(d\right)=\frac{U\left(z_1\right)-U\left(z_2\right)}{U\left(z_1\right)-U\left(z_3\right)}=\frac{\mathrm{In}(Z_1-d)-\mathrm{In}(Z_2-d)}{\mathrm{In}(Z_1-d)-\mathrm{In}(Z_3-d)}$

$g\left(d\right)=d-\frac{f\left(d\right)}{f^{\&prime;}\left(d\right)},$

通过上述迭代公式进行计算，当g(d)-d的值小于预设阈值时，则将g(d)的值作为d的值；

所述L的计算公式为：

当L<0，在不稳定天气条件下：

${\mathrm{\&psi;}}_h=2\ln \left[\frac{(1+X)}{2}\right]+\ln \left[\frac{(1+X^2)}{2}\right]-2{\tan }^{-1}\left(X\right)+0.5$

其中，X为无量纲量，并且所述X的计算公式为：

$X={(1-28\frac{z}{L})}^{0.25}$

当L>0，稳定条件下：

${\mathrm{\&psi;}}_h=-17[1-\exp (-0.29\frac{(z-d)}{L})].$