CN106383207A - 应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，可有效解决因城市近地面气溶胶分布时空变化快以及城市污染源分布不均匀等实际问题给气溶胶质量浓度实时分布情况的获取难题。常用的定点监测只能获取区域内有限位置的气溶胶质量浓度，无法反映某一路径上的气溶胶污染时空分布特征。为了解决气溶胶和污染物在城市近地面水平路径上的分布情况，本发明提出综合利用微脉冲激光雷达结合粒子计数器、能见度仪和颗粒物质量浓度测量仪,实时获取0‑6公里路径上的气溶胶质量浓度分布。通过理论和数学模型把气溶胶消光系数、粒子谱分布和质量浓度等参数关联起来。该方法为研究城市气溶胶的污染来源和动态变化监测提供有效的技术支持。

Description

应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法

技术领域

本发明涉及大气污染物监测和环境预报领域，具体是一种应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法。

背景技术

大气气溶胶是大气物理化学过程中的一个重要因素，大气科学的很多领域都与气溶胶有关。大气气溶胶对气候变化有重要的直接和间接的影响，通过气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射，直接改变地气系统的能量收支。随着我国经济的飞速发展，城市规模的不断扩大，人类活动造成的城市大气污染问题也日益突出。可吸入颗粒物PM₁₀一直是城市大气污染物的主要来源，而细粒子PM_2.5则在影响能见度和危害人体健康方面更加显著。因此，从环境监测的实际需求来看，实时监测城市近地面气溶胶的水平路径分布日益受到人们的关注。目前，利用分布在城市固定点的气溶胶质量浓度监测仪器，获得近地面有限位置气溶胶的水平分布情况，而城市区域内气溶胶的分布差异很大，有限位置的监测数据不能全面反映区域内的气溶胶分布。本发明利用微脉冲激光雷达探测到的消光数据，结合粒子计数器、气溶胶质量浓度监测仪和能见度仪测量数据，计算出城市近地面气溶胶的水平路径分布情况。与有限的地基定点监测相比，该方法可以提供大范围、高分辨率的水平路径气溶胶监测结果，甚至可对特定地区进行重点扫描，具有实际应用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，以解决现有方法无法得到近地面水平路径上气溶胶质量浓度高分辨率分布特征的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，其特征在于：基于气溶胶消光系数-质量消光系数-质量浓度计算理论，考虑不同粒子谱分布、不同污染粒子源以及粒子与水汽相互作用对计算方法的影响，利用微脉冲激光雷达探测到的消光数据，结合粒子计数器、气溶胶质量浓度监测仪和能见度仪测量数据，计算出城市近地面气溶胶的水平路径分布情况，具体过程如下：

根据Mie散射理论，由气溶胶的粒子谱分布n(r)及其折射率m来计算气溶胶消光系数σ_e以及质量消光系数a_s：其中，

σ_e＝∫Q_ext(m,r,λ)n(r)πr²dr (1)

${\mathrm{\α}}_s=0.75\∫Q_{ext}(m,r,\mathrm{\λ})n\left(r\right)\frac{dr}{r\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

此处，r为气溶胶粒子半径，λ表示波长，ρ为气溶胶粒子密度，Q_ext为消光效率因子，是折射率m、气溶胶粒子半径r以及波长λ的函数，粒子谱分布n(r)由光学粒子计数器测量得到；

其中，气溶胶消光系数σ_e和质量浓度M之间的关系:

σ_e＝C(ν)×M×α_s (3)

这里C(ν)为等效参数，它与粒子谱分布n(r)有关，随粒子谱分布n(r)的变化而变化；本发明使用颗粒物质量监测仪的测量结果PM₁₀来代替气溶胶粒子质量浓度M；

假设粒子谱分布遵循Junge分布，m＝1.50-0.02i、ρ＝1、λ＝0.55μm，利用光学粒子计数器和颗粒物质量检测仪测量的数据，结合公式(3)可以计算出C(ν)曲线；

微脉冲激光雷达采用二极管泵浦的固体激光器，获得微焦耳脉冲能量的高重复率激光脉冲输出，采用粒子计数器进行光子计数高灵敏度探测回波信号，根据大气气溶胶对激光雷达发射激光的Mie后向散射信号即回波的时间变化，通过激光雷达方程，在一定的假设条件下，可以得到回波功率、气溶胶消光系数和消光后向散射比的关系；这里运用常用的Fernald方法处理微脉冲激光雷达水平数据，为了满足Fernald方程的求解条件，在运用Fernald方法计算水平气溶胶消光系数廓线时必须考虑参考点的选取问题和消光散射比的合理设定，在此仅讨论利用Fernald后向积分计算水平大气气溶胶的消光系数，Fernald方法的后向积分公式为:

${\mathrm{\α}}_a\left(R\right)=-\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\α}}_m\left(R\right)+\frac{X\left(R\right)\exp \[2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}{\mathrm{\α}}_m\left(R\right)dR\]}{\frac{X\left(R_C\right)}{{\mathrm{\α}}_a\left(R_c\right)+\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\α}}_m\left(R_c\right)}+2\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}X\left(R\right)\exp \[-2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}{\mathrm{\α}}_m\left(r\right)dr\]dR}---\left(4\right)$

式中：R_c为参考点，R为激光传输路径上任一位置，P(R)为回波光子数，X(R)＝P(R)R²，为经过距离订正的回波强度，α_a(R_c)和α_m(R_c)分别为参考点R_c处的气溶胶消光系数和大气分子消光系数，α_a(R)和α_m(R)分别为激光传输路径R处的气溶胶消光系数和大气分子消光系数，β_a(R)和β_m(R)分别为R处的气溶胶后向散射系数和大气分子后向散射系数，S₁为气溶胶消光后向散射比，S₁＝α_a(R)/β_a(R)，可以利用粒子谱分布计算得到，S₂为大气分子的消光后向散射比，S₂＝α_m(R)/β_m(R)，在这里设为常数S₂＝8π/3；

运用公式(4)计算水平消光系数需要解决两个问题，即参考点R_c气溶胶消光系数α_a(R_c)的确定和气溶胶消光后向散射比S₁取值的确定，因此选取6公里点实测气溶胶消光系数α_a(R_c)和气溶胶消光后向散射比S₁为初值，再代入Fernald后向积分公式(4)求取消光系数水平分布廓线；

利用能见度仪测量激光传输路径上6公里处的能见度V_H，利用能见度V_H与消光系数σ_e以及识别目标对比阈值ε＝0.02关系计算出该处消光系数；

$V_H=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_e}ln\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\≈\frac{3.912}{{\mathrm{\σ}}_e}---\left(5\right)$

由于人眼对绿光(λ＝0.55μm)最敏感，作为一种有效近似，可认为这里的消光系数就是λ＝0.532μm的消光系数，利用雷达接收的回波信息可以得到路径上任意位置消光系数，利用测量路径上的消光系数代入公式(3)可以得到路径上的质量浓度分布。

所述的应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，可以同时得到气溶胶质量浓度PM₁₀和PM_2.5。

所述的应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，综合激光雷达、粒子计数器、能见度仪和气溶胶质量浓度检测仪等设备，进行组网观测，可以对以观测点为中心半径0-6Km范围内的污染源进行扫描，分辨率高达30米。

所述的应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，突破固定点测量的局限，给出污染区域污染颗粒物质量浓度0-6Km范围内污染物分布图。

本发明的原理是：依据激光雷达测量路径上污染物回波光子数，结合测量末端大气能见度测量的消光系数，计算得到测量路径上气溶胶的消光分布，再利用气溶胶消光系数和质量浓度之间的关系计算得到测量路径上的气溶胶质量浓度分布。通过实测数据和计算结果的验证和优化，从而解决对污染颗粒物质量浓度由点测量到线测量以及面测量的技术难题。

本发明研发了一种应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，以弥补现有点测量的不足，解决现有方法无法得到近地面水平路径上气溶胶质量浓度高分辨率分布特征的问题，为小范围环境污染源的监测提供技术支持。

与现有技术相比本发明具有的积极效果在于：

1)以实测消光系数作为雷达方程的输入，在消光系数计算上具有高精度优势；

2)以实测粒子谱分布和大气相对湿度作为消光系数和质量浓度之间的修正参数，在质量浓度计算上具有高精度优势；

3)以线测量和面测量来反映小范围环境污染源的实时变化，比单点测量更全面反映污染物分布特征。

4)可以同时得到气溶胶质量浓度参数PM₁₀和PM_2.5。

附图说明

图1是本发明的模块结构图。

图2是本发明的技术流程图。

具体实施方式

应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，其特征在于：基于气溶胶消光系数-质量消光系数-质量浓度计算理论，考虑不同粒子谱分布、不同污染粒子源以及粒子与水汽相互作用对计算方法的影响，利用微脉冲激光雷达探测到的消光数据，结合粒子计数器、气溶胶质量浓度监测仪和能见度仪测量数据，计算出城市近地面气溶胶的水平路径分布情况，具体过程如下：

根据Mie散射理论，由气溶胶的粒子谱分布n(r)及其折射率m来计算气溶胶消光系数σ_e以及质量消光系数a_s：其中，

σ_e＝∫Q_ext(m,r,λ)n(r)πr²dr (1)

${\mathrm{\α}}_s=0.75\∫Q_{ext}(m,r,\mathrm{\λ})n\left(r\right)\frac{dr}{r\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

此处，r为气溶胶粒子半径，λ表示波长，ρ为气溶胶粒子密度，Q_ext为消光效率因子，是折射率m、气溶胶粒子半径r以及波长λ的函数，粒子谱分布n(r)由光学粒子计数器测量得到；

其中，气溶胶消光系数σ_e和质量浓度M之间的关系:

σ_e＝C(ν)×M×α_s (3)

这里C(ν)为等效参数，它与粒子谱分布n(r)有关，随粒子谱分布n(r)的变化而变化；本发明使用颗粒物质量监测仪的测量结果PM₁₀来代替气溶胶粒子质量浓度M；

假设粒子谱分布遵循Junge分布，m＝1.50-0.02i、ρ＝1、λ＝0.55μm，利用光学粒子计数器和颗粒物质量检测仪测量的数据，结合公式(3)可以计算出C(ν)曲线；

微脉冲激光雷达采用二极管泵浦的固体激光器，获得微焦耳脉冲能量的高重复率激光脉冲输出，采用粒子计数器进行光子计数高灵敏度探测回波信号，根据大气气溶胶对激光雷达发射激光的Mie后向散射信号即回波的时间变化，通过激光雷达方程，在一定的假设条件下，可以得到回波功率、气溶胶消光系数和消光后向散射比的关系；这里运用常用的Fernald方法处理微脉冲激光雷达水平数据，为了满足Fernald方程的求解条件，在运用Fernald方法计算水平气溶胶消光系数廓线时必须考虑参考点的选取问题和消光散射比的合理设定，在此仅讨论利用Fernald后向积分计算水平大气气溶胶的消光系数，Fernald方法的后向积分公式为:

${\mathrm{\α}}_a\left(R\right)=-\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\α}}_m\left(R\right)+\frac{X\left(R\right)\exp \[2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}{\mathrm{\α}}_m\left(R\right)dR\]}{\frac{X\left(R_C\right)}{{\mathrm{\α}}_a\left(R_c\right)+\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\α}}_m\left(R_c\right)}+2\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}X\left(R\right)\exp \[-2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}{\mathrm{\α}}_m\left(r\right)dr\]dR}---\left(4\right)$

式中：R_c为参考点，R为激光传输路径上任一位置，P(R)为回波光子数，X(R)＝P(R)R²，为经过距离订正的回波强度，α_a(R_c)和α_m(R_c)分别为参考点R_c处的气溶胶消光系数和大气分子消光系数，α_a(R)和α_m(R)分别为激光传输路径R处的气溶胶消光系数和大气分子消光系数，β_a(R)和β_m(R)分别为R处的气溶胶后向散射系数和大气分子后向散射系数，S₁为气溶胶消光后向散射比，S₁＝α_a(R)/β_a(R)，可以利用粒子谱分布计算得到，S₂为大气分子的消光后向散射比，S₂＝α_m(R)/β_m(R)，在这里设为常数S₂＝8π/3；

运用公式(4)计算水平消光系数需要解决两个问题，即参考点R_c气溶胶消光系数α_a(R_c)的确定和气溶胶消光后向散射比S₁取值的确定，因此选取6公里点实测气溶胶消光系数α_a(R_c)和气溶胶消光后向散射比S₁为初值，再代入Fernald后向积分公式(4)求取消光系数水平分布廓线；

利用能见度仪测量激光传输路径上6公里处的能见度V_H，利用能见度V_H与消光系数σ_e以及识别目标对比阈值ε＝0.02关系计算出该处消光系数；

$V_H=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_e}ln\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\≈\frac{3.912}{{\mathrm{\σ}}_e}---\left(5\right)$

由于人眼对绿光(λ＝0.55μm)最敏感，作为一种有效近似，可认为这里的消光系数就是λ＝0.532μm的消光系数，利用雷达接收的回波信息可以得到路径上任意位置消光系数，利用测量路径上的消光系数代入公式(3)可以得到路径上的质量浓度分布。

所述的应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，可以同时得到气溶胶质量浓度PM₁₀和PM_2.5。

所述的应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，综合激光雷达、粒子计数器、能见度仪和气溶胶质量浓度检测仪等设备，进行组网观测，可以对以观测点为中心半径0-6Km范围内的污染源进行扫描，分辨率高达30米。

所述的应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，突破固定点测量的局限，给出污染区域污染颗粒物质量浓度0-6Km范围内污染物分布图。

本发明的原理是：依据激光雷达测量路径上污染物回波光子数，结合测量末端大气能见度测量的消光系数，计算得到测量路径上气溶胶的消光分布，再利用气溶胶消光系数和质量浓度之间的关系计算得到测量路径上的气溶胶质量浓度分布。通过实测数据和计算结果的验证和优化，从而解决对污染颗粒物质量浓度由点测量到线测量以及面测量的技术难题。

具体实施过程中，应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，所采用的系统参见图1，包括以下5个部分：

1、计算和显示系统，用于计和显示大气能见度、气溶胶粒子谱分布、消光系数水平分布、气溶胶质量浓度水平分布以及大气状况等。

2、激光雷达测量系统，测量气溶胶消光系数水平分布廓线。

3、能见度仪，测量6公里附近点的大气能见度。

4、气溶胶光学粒子计数器，测量气溶胶粒子谱分布，计算气溶胶消光后向散射比。

5、气溶胶质量浓度测量仪，测量6公里附近点的大气气溶胶质量浓度。

采用该系统进行的详细操作过程结合图2整体描述如下：

1、结合能见度仪测量的数据计算激光传输路径上参考点的消光系数。利用大气能见度V_H与消光系数σ_e的关系可以计算消光系数。由于人眼对绿光(λ＝0.55μm)最敏感，作为近似认为这里的消光系数就是λ＝0.532μm的消光系数。

2、利用气溶胶质量浓度监测仪和光学粒子计数器同时测量大气气溶胶质量浓度(PM₁₀)和气溶胶粒子谱分布。

3、利用微脉冲激光雷达获取传输路径上的后向散射信号。使用Fernald方法，因此选取6公里点实测消光系数和消光后向散射比为初值，代入Fernald后向积分公式求取0-6km消光系数水平分布廓线。

4、利用光学粒子计数器和颗粒物质量检测仪的数据，拟合出C(ν)曲线。利用测量路径上的消光系数代入公式(3)可以得到路径上的质量浓度分布。

本方法可以应用于城市大气污染物的在线监测。

本发明应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算，考虑到城市近地面气溶胶的分布时空快速变化，城市污染源分布不均匀。常用的定点监测只能获取区域内有限位置的气溶胶质量浓度，无法反映某一路径上的气溶胶污染时空分布特征。为了解气溶胶和污染物在城市近地面水平路径上的分布情况，本发明提出利用微脉冲激光雷达(MPL)结合粒子计数器、能见度仪和颗粒物质量浓度测量仪(TEOM1405)测量0-6公里路径上的气溶胶质量浓度分布。通过理论和数学模型把气溶胶消光系数、粒子谱分布和质量浓度等参数关联起来，并开展气溶胶水平分布的实际测量验证试验，获得了以观测点至6Km范围内近地面气溶胶质量浓度的实时分布，该方法为研究城市气溶胶的污染来源和动态变化提供了有效的技术支持。

Claims (2)

1.应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，其特征在于：基于气溶胶消光系数-质量消光系数-质量浓度计算理论，考虑不同粒子谱分布、不同污染粒子源以及粒子与水汽相互作用对计算方法的影响，利用微脉冲激光雷达探测到的消光数据，结合粒子计数器、气溶胶质量浓度监测仪和能见度仪测量数据，计算出城市近地面气溶胶的水平路径分布情况，具体过程如下：

根据Mie散射理论，由气溶胶的粒子谱分布n(r)及其折射率m来计算气溶胶消光系数σ_e以及质量消光系数a_s：其中，

σ_e＝∫Q_ext(m,r,λ)n(r)πr²dr (1)

${\mathrm{\α}}_s=0.75\∫Q_{ext}(m,r,\mathrm{\λ})n\left(r\right)\frac{dr}{r\mathrm{\ρ}}---\left(2\right)$

此处，r为气溶胶粒子半径，λ表示波长，ρ为气溶胶粒子密度，Q_ext为消光效率因子，是折射率m、气溶胶粒子半径r以及波长λ的函数，粒子谱分布n(r)由光学粒子计数器测量得到；

其中，气溶胶消光系数σ_e和质量浓度M之间的关系:

σ_e＝C(ν)×M×α_s (3)

这里C(ν)为等效参数，它与粒子谱分布n(r)有关，随粒子谱分布n(r)的变化而变化；本发明使用颗粒物质量监测仪的测量结果PM₁₀来代替气溶胶粒子质量浓度M；

假设粒子谱分布遵循Junge分布，m＝1.50-0.02i、ρ＝1、λ＝0.55μm，利用光学粒子计数器和颗粒物质量检测仪测量的数据，结合公式(3)可以计算出C(ν)曲线；

微脉冲激光雷达采用二极管泵浦的固体激光器，获得微焦耳脉冲能量的高重复率激光脉冲输出，采用粒子计数器进行光子计数高灵敏度探测回波信号，根据大气气溶胶对激光雷达发射激光的Mie后向散射信号即回波的时间变化，通过激光雷达方程，在一定的假设条件下，可以得到回波功率、气溶胶消光系数和消光后向散射比的关系；这里运用常用的Fernald方法处理微脉冲激光雷达水平数据，为了满足Fernald方程的求解条件，在运用Fernald方法计算水平气溶胶消光系数廓线时必须考虑参考点的选取问题和消光散射比的合理设定，在此仅讨论利用Fernald后向积分计算水平大气气溶胶的消光系数，Fernald方法的后向积分公式为:

${\mathrm{\α}}_a\left(R\right)=-\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\α}}_m\left(R\right)+\frac{X\left(R\right)\exp \[2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}{\mathrm{\α}}_m\left(R\right)dR\]}{\frac{X\left(R_C\right)}{{\mathrm{\α}}_a\left(R_c\right)+\frac{S_1}{S_2}{\mathrm{\α}}_m\left(R_c\right)}+2\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}X\left(R\right)\exp \[-2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\∫}}{\mathrm{\α}}_m\left(r\right)dr\]dR}---\left(4\right)$

式中：R_c为参考点，R为激光传输路径上任一位置，P(R)为回波光子数，

X(R)＝P(R)R²，为经过距离订正的回波强度，α_a(R_c)和α_m(R_c)分别为参考点R_c处的气溶胶消光系数和大气分子消光系数，α_a(R)和α_m(R)分别为激光传输路径R处的气溶胶消光系数和大气分子消光系数，β_a(R)和β_m(R)分别为R处的气溶胶后向散射系数和大气分子后向散射系数，S₁为气溶胶消光后向散射比，S₁＝α_a(R)/β_a(R)，可以利用粒子谱分布计算得到，S₂为大气分子的消光后向散射比，S₂＝α_m(R)/β_m(R)，在这里设为常数S₂＝8π/3；

运用公式(4)计算水平消光系数需要解决两个问题，即参考点R_c气溶胶消光系数α_a(R_c)的确定和气溶胶消光后向散射比S₁取值的确定，因此选取6公里点实测气溶胶消光系数α_a(R_c)和气溶胶消光后向散射比S₁为初值，再代入Fernald后向积分公式(4)求取消光系数水平分布廓线；

利用能见度仪测量激光传输路径上6公里处的能见度V_H，利用能见度V_H与消光系数σ_e以及识别目标对比阈值ε＝0.02关系计算出该处消光系数；

$V_H=\frac{1}{{\mathrm{\σ}}_e}ln\frac{1}{\mathrm{\ϵ}}\≈\frac{3.912}{{\mathrm{\σ}}_e}---\left(5\right)$

由于人眼对绿光(λ＝0.55μm)最敏感，作为一种有效近似，可认为这里的消光系数就是λ＝0.532μm的消光系数，利用雷达接收的回波信息可以得到路径上任意位置消光系数，利用测量路径上的消光系数代入公式(3)可以得到路径上的质量浓度分布。

2.根据权利要求1所述的应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法，其特征在于：综合激光雷达、粒子计数器、能见度仪和气溶胶质量浓度监测仪设备，进行组网观测，可以对以观测点为中心半径0-6Km范围内的污染源进行测量，分辨率高达30米。