CN112881321B - 一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，包括如下步骤：通过黑碳仪测量获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的光衰减量ATNn,i(λ)，计算获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的黑碳仪吸光系数bATN,n,i(λ)；通过遮蔽校正参数和散射校正参数，对测量得到的上述黑碳仪吸光系数bATN,n,i(λ)进行校正，得到对应于λ波段的第n个周期下的校正后的吸光系数bcor,n,i(λ)。本发明的校正方法引入了两个不依赖于额外的“标准”设备的校正参数，因而无需依赖额外的校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及环保领域的大气参数的测量，尤其涉及利用黑碳仪测量气溶胶吸光系数的方法，特别涉及一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法。
背景技术
大气气溶胶对地球能量收支具有很重要的影响。根据第五次政府间气候变化委员会气候变化评估报告，气溶胶总体的辐射强迫为-0.9W m-2，但不确定范围高达(-1.9W m-2至-0.1W m-2)。造成如此高不确定性的原因之一就是无法准确的测量真实气溶胶吸光系数。
目前，测量气溶胶吸光系数的方法一般有两种，一种是利用光声光谱仪直接测量气溶胶得到原位吸光系数binsitu；一种是利用黑碳仪测量光衰减量ATN，然后换算得到黑碳仪吸光系数bATN。光声光谱仪最显著的优势是可以对气溶胶进行原位直接测量，因而直接测量得到的原位吸光系数binsitu准确度很高，可以视为真实气溶胶吸光系数。然而光声光谱仪的缺点是需要实验环境的背景噪音相对稳定、仪器的清理维护程序繁琐且仪器价格相对较高，因此在日常观测中应用并不普遍。黑碳仪运行稳定简便易用，能够同时测量紫外至近红外370、470、520、590、660、880、950nm范围内七个波段的气溶胶吸光特性，逐渐在日常气溶胶观测中占据主导地位。
黑碳仪通过将空气中的气溶胶颗粒物收集在石英纤维滤带上，每间隔几分钟测定七个波段下透过一个点位的激光强度的光衰减量ATN。当光衰减量ATN达到某个设定值时，黑碳仪会自动进带，更换一段新的石英纤维滤带，并重新开始在这一段新的石英纤维滤带上测量光衰减量ATN。这样周而复始，可以自动完成对空气中的光衰减量ATN的测量，最后可以换算得出对应于七个波段的黑碳仪吸光系数bATN。
通常情况下，黑碳仪吸光系数的计算公式如下：
式中：bATN，n，i(λ)表示对应于λ波段石英滤带上第n周期的第i次测量得到的黑碳仪吸光系数；ATNn，i(λ)为对应于λ波段石英滤带上第n周期的第i次测量得到的光衰减量；ATNn，i-1(λ)为对应于λ波段石英滤带上第n周期的第i-1次测量得到的光衰减量；A为石英滤带上的滤点面积；t为两次测量间隔的时长，此处为5分钟；Q为气体流速；100为补偿系数。
图1显示的是现有技术通过黑碳仪测量气溶胶吸光系数的原理示意图。图中示意性显示有n个周期的370nm下的测量数据(图中显示有两个周期，即n＝1或n＝2)。图形中的方形点显示的数据是通过黑碳仪每间隔5分钟测量得到光衰减量ATNn，i换算得到的黑碳仪吸光系数bATN，n，i，其表示的含义是第n个周期下的、第i次测量得到的黑碳仪吸光系数。作为对照，图形中还通过圆形点显示出了通过光声光谱仪同样每间隔5分钟直接测量得到的binsitu，n，i，其表示的含义是第n个周期下的第i次测量得到的原位吸光系数。
由于直接测量得到的原位吸光系数binsitu，n，i更接近真实值，则通过对比可以看出，通过黑碳仪测量后换算得到的气溶胶吸光系数bATN，n，i与原位吸光系数binsitu，n，i差别很大，而且还不稳定。图中可见，不同周期内的圆形点显示的原位吸光系数binsitu，n，i的数值波动很小，几乎可以连接形成一条水平直线。而同一周期内的黑碳仪的气溶胶吸光系数bATN，n，i的数值初始的时候最大，随着时间的变化而逐渐变小，而且换点之后，数值又会跳跃式变大，之后又逐渐变小。由此可见，利用黑碳仪测量气溶胶吸光系数的准确度相对较低，误差较大。
为了解决黑碳仪测量气溶胶吸光系数的准确度缺陷，现有技术提出了一些校正方法(参见附录参考文献1-6)。这些现有技术的校正方法的基本手段是将黑碳仪与一台“标准”原位吸光系数binsitu，n，i测量设备(例如光声光谱仪)及其它辅助设备并列开展在线信息(吸收、散射、波长依赖等)监测，通过统计、归纳等手段，设计光吸收系数校正方法。但是，这些校正方法得到的校正参数都是在特定气溶胶类型等条件下获取的，当需要扩展应用到不同情景时，只能使用固定的校正参数去对bATN，n，i进行校正，忽略了不同气溶胶类型对光信号影响的巨大差异，因此产生的偏差很大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，以减少或避免前面所提到的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，所述黑碳仪可以测量获得波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm的气溶胶数据，所述校正方法包括如下步骤：
首先，通过黑碳仪测量获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的光衰减量ATNn，i(λ)，计算获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的黑碳仪吸光系数 bATN，n，i(λ)；
其次，通过如下公式(1)，对测量得到的上述黑碳仪吸光系数bATN，n，i(λ)进行校正，得到对应于λ波段的第n个周期下的校正后的吸光系数bcor，n，i(λ)：
其中，Rn，i(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的第i次测量的遮蔽校正参数；CCn，i(λ) 为λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的散射校正参数。
进一步地，所述遮蔽校正参数Rn，i(λ)通过如下公式(2)-(4)计算获得：
式中，fn(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的遮蔽因子，bATN，n+1，1(λ)为λ波段下第n+1周期的第1个黑碳仪吸光系数值；bATN，n，last(λ)为λ波段下第n周期的最后一个黑碳仪吸光系数值；fmoving，n(λ)为中心移动平均遮蔽因子；ATNn，i(λ)为λ波段下第n周期的第i个光衰减量值；ATNn，last(λ)为λ波段下第n周期的最后一个光衰减量值。
再进一步地，不同波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm所对应的散射校正参数CCn，i(λ)可以通过如下公式(5)-(11)计算获得：
CCn，i(λ＝370nm)＝2.75αn，i+1.54 (5)
CCn，i(λ＝470nm)＝0.87αn，i+0.11 (6)
CCn，i(λ＝520nm)＝0.58αn，i+3.78 (7)
CCn，i(λ＝590nm)＝0.84αn，i+3.59 (8)
CCn，i(λ＝660nm)＝1.13αn，i+3.41 (9)
CCn，i(λ＝880nm)＝1.79αn，i+2.62 (10)
CCn，i(λ＝950nm)＝1.86αn，i+2.45 (11)
其中，αn，i第n个周期下的、第i次测量的吸收波长指数，该吸收波长指数αn，i通过如下公式计算获得：
通过对公式(12)进行数学变换，可以得到如下变形公式(13)：
式中，K为常数项；将周期n下的每一次测量得到的七个波段λ对应的七组Rn，i(λ)和bATN，n，i(λ)，分别带入上述公式中与七个波段λ进行线性回归拟合，即可求解获得第n周期下的第i次测量的吸收波长指数αn，i。
本发明的校正方法引入了两个不依赖于额外的“标准”设备的校正参数，仅需通过黑碳仪自身数据获取两个校正参数，不需要借助其他参照设备。两个校正参数可以根据气溶胶的变化进行相应的调整，持续动态变化。使用时可以使用当地气溶胶的性质获得与之对应的两个动态的校正参数，经检验，校正后的吸光系数与真实数据高度重合，精度极高，完全可以做到用廉价易用的黑碳仪替代操作复杂、难以维护、价格高昂的单波段的校准设备的技术效果。
另外，由于本发明的校正方法可以不依赖于额外的标准校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，
图1显示的是现有技术通过黑碳仪测量气溶胶吸光系数的原理示意图；
图2显示的是本发明的黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法的流程框图；
图3显示的是本发明的校正方法的原理示意图；
图4a～4g分别显示的是本发明的校正方法在不同光谱波段下的结果示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。
正如背景技术所述，现有技术利用黑碳仪测量气溶胶吸光系数的精度不高。例如，在图1所示的原理示意图中，作为标准参照的原位吸光系数binsitu，n，i几乎可以连接形成一条水平直线，表明气溶胶的实际吸光系数应该是相对比较稳定的。然而通过黑碳仪测量得到的以三角形点显示的光衰减量ATNn，i换算得到的黑碳仪吸光系数bATN，n，i，却有相当大的差异，而且相邻测量周期内的黑碳仪吸光系数的计算结果在换点前后存在明显的跳跃。
分析认为之所以会有差异和跳跃，主要受到了两类因素的影响：其一是散射效应，包括滤膜纤维对光的多重散射效应以及颗粒物自身的散射效应。散射效应使得激光信号在透过气溶胶和滤膜时发生散射，虽然激光没有被气溶胶吸收，但由于黑碳仪测量的是激光的衰减信号，因此被黑碳仪误认为判定为吸收。图1的黑碳仪吸光系数bATN，n，i和原位吸光系数binsitu，n，i的显著差距主要可能是由散射效应造成的。其二是颗粒物的遮蔽效应。判断认为，随着颗粒物在滤带上积累程度加深，颗粒物之间会相互遮挡，使本应该吸收光信号的颗粒物未受到照射而减少了光的吸收，因此激光信号会随着光衰减量ATNn，i的累加而发生衰减。图1中每个周期内随着光衰减量ATNn，i的上升黑碳仪吸光系数bATN，n，i发生的信号衰减主要可能是由遮蔽效应造成的。
考虑到散射效应和遮蔽效应双重影响，本发明提供了如下一种校正方法，分别针对这两种效应提供一个校正参数。与现有技术需要额外的“标准”设备提供“标准”校正数据不同，本发明提供的这两个校正参数与其它设备的校正数据无关，仅与黑碳仪的原始测量数据相关。
具体来说，现有技术为了校正黑碳仪吸光系数，需要先用一台准确度较高的设备(例如光声光谱仪)测量获得一组“标准”校正数据，然后通过各种算法用这个“标准”校正数据与黑碳仪的测量数据去“凑”出来一个校正公式。当环境条件发生变化的时候，例如气溶胶类型发生变化的时候，这种“凑”出来的校正公式就会不准，需要重新校正“凑”出来一个新的校正公式。从科学研究的角度，每次测量的环境条件或多或少都会发生变化，但是实际应用的时候不可能做到每次测量都校准(这样做也没有意义，还不如直接用标准设备测量)，因而只能用一套固定的校正公式多次测量，除非环境条件发生显著变化，否则会把这套校准方案一直用下去。可以想象，现有技术的这种方法的准确度是相对较差而且缺乏灵活性的，很难广泛扩展应用。
基于此，本发明提供了一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，所述黑碳仪可以测量获得波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm的气溶胶数据。本发明的校正方法，在原始的黑碳仪吸光系数的基础上，提供了两个分别针对散射效应和遮蔽效应的校正参数，这两个校正参数不依赖于额外的“标准”设备的“标准”校正数据，仅以黑碳仪本身的测量数据为基础求解得出，因而本发明的方法无需依赖额外的校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。
图2显示了本发明的黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法的流程框图，如图2所示，本发明的黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，包括如下步骤：
首先，通过黑碳仪测量获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的光衰减量ATNn，i(λ)，计算获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的黑碳仪吸光系数 bATN，n，i(λ)。
该步骤与背景技术介绍的通过黑碳仪测量和计算获得吸光系数的方法相同。例如，如图1所示，显示了两个周期，每个周期内，每间隔5分钟测量一次光光衰减量。在每个周期内，针对七个波段，例如波长λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm的七个波段，都可以分别获得对应于每个波段的多次测量的光衰减量ATNn，i(λ)。例如，在n＝1 的周期，总共测量了10次，持续的总时间为45分钟，每次测量都可以获得一组七个波段对应的光衰减量。当光衰减量ATNn，i(λ)达到某个设定值(例如125)时，黑碳仪自动进带，进入n＝2的周期测量。图中显示n＝2的周期总共测量了9次就达到了设定值，持续的总时间为40分钟。同一周期内，i为1即为第一次测量，i为last即为最后一次测量。因而基于背景技术相同的计算公式，可以计算获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的黑碳仪吸光系数bATN，n，i(λ)。与背景技术记载的现有技术相同，本发明的黑碳仪吸光系数的公式如下：
同样的，式中：bATN, n，i(λ)表示对应于λ波段的第n周期的第i次测量得到的黑碳仪吸光系数；ATNn，i(λ)为对应于λ波段的第n周期的第i次测量得到的光衰减量； ATNn，i-1(λ)为对应于λ波段的第n周期的第i-1次测量得到的光衰减量；A为石英滤带上的滤点面积；t为两次测量间隔的时长，此处为5分钟；Q为气体流速；100为补偿系数。
当然，上述步骤与现有技术利用黑碳仪获得黑碳仪吸光系数的方法相同。之前已经说明，这种方法获得的吸光系数并不准确，其与图1中作为参考的原位吸光系数binsitu，n，i差别十分明显，是不精确的。
其次，正如前述，为了解决黑碳仪测量不准的问题，本发明引入了两个校正参数，通过如下公式(1)，对测量得到的上述黑碳仪吸光系数bATN，n，i(λ)进行校正，得到对应于λ波段的第n个周期下的校正后的吸光系数bcor，n，i(λ)：
其中，Rn，i(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的遮蔽校正参数；CCn，i(λ) 为λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的散射校正参数。
进一步地，所述遮蔽校正参数通过如下公式(2)-(4)计算获得：
式中，fn(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的遮蔽因子，bATN，n+1，1(λ)为λ波段下第n+1周期的第1个黑碳仪吸光系数值；bATN，n，last(λ)为λ波段下第n周期的最后一个黑碳仪吸光系数值；fmoving，n(λ)为中心移动平均遮蔽因子；ATNn，i(λ)为λ波段下第n周期的第i个光衰减量值；ATNn，last(λ)为λ波段下第n周期的最后一个光衰减量值。
公式(2)中的遮蔽因子用于表示相邻周期前后两个吸光系数的比值，用于衡量换点前后的吸光系数的跳跃幅度。公式(3)将n周期前后5个遮蔽因子进行均值化处理，获得偏移中心5个步长的中心移动平均遮蔽因子。公式(4)利用获得的中心移动平均遮蔽因子与同一周期内的每一个光衰减量值与最后一个光衰减量值的斜率进行校正，将同一周期内的每一个吸光系数校正趋于同样大小，使得同一周期以及相邻周期的吸光系数能够与真实吸光系数一样，大致呈一条水平直线。从公式(2)-(4)可以看出，本发明的遮蔽校正参数利用的是黑碳仪自身获得的测量和计算数据，不需要用到其它设备进行校准。
当然，以上校正步骤，大体上是将黑碳仪吸光系数尽量拉直为大致水平的直线，但是仍然与真实的吸光系数存在一定的截距，该截距可以通过下述的散射校正参数进行进一步地校正。
再进一步地，不同波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm所对应的散射校正参数CCn，i(λ)可以通过如下公式(5)-(11)计算获得：
CCn，i(λ＝370nm)＝2.75αn，i+1.54 (5)
CCn，i(λ＝470nm)＝0.87αn，i+0.11 (6)
CCn，i(λ＝520nm)＝0.58αn，i+3.78 (7)
CCn，i(λ＝590nm)＝0.84αn，i+3.59 (8)
CCn，i(λ＝660nm)＝1.13αn，i+3.41 (9)
CCn，i(λ＝880nm)＝1.79αn，i+2.62 (10)
CCn，i(λ＝950nm)＝1.86αn，i+2.45 (11)
其中，αn，i为对应于的第n个周期下的、第i次测量的吸收波长指数，该吸收波长指数同样可以由黑碳仪数据计算获得(后面将对此进一步详细说明)。从公式(5)-(11) 同样可以看出，本发明的散射校正参数同样利用的是黑碳仪自身获得的测量数据，不需要用到其它设备进行校准。
公式(5)-(11)是发明人研究发现的一组经验公式，本领域技术人员在公式(5) -(11)的基础上，只要能够通过黑碳仪数据计算获得其中的吸收波长指数，就可以求解获得所需的散射校正参数CCn，i(λ)。
由于散射效应与滤膜纤维和颗粒物自身相关，因而发明人认为与散射效应相关的散射校正参数CCn，i(λ)与遮蔽校正参数Rn，i(λ)(同样与颗粒物自身相关)存在关联性。基于这种构思，本发明提出，在不同波长λ下，前述遮蔽校正参数Rn，i(λ)，具有如下公式(12) 限定的关系：
式中，K为常数项；αn，i为第n周期下的第i次测量的吸收波长指数。通过对公式(12)进行数学变换(等式两侧取对数)，可以得到如下变形公式：
对于周期n下的每一次(例如第i次)测量数据，都存在与七个波段λ对应的七组Rn，i(λ)和bATN，n，i(λ)数据，将这七组数据分别带入上述变形公式中与七个波段λ进行线性回归拟合(用七组数据拟合两个未知数K和αn，i)，即可求解获得常数K(常数K与本发明后续求解无关，忽略即可)以及第n周期下的第i次测量的吸收波长指数αn，i。从线性回归拟合的角度可以看出，吸收波长指数αn，i综合了七个波段的数据，因而与任何一个波段均具有相关性，也就是对于任何一个波段来说，其所对应的吸收波长指数αn，i都是相同的。
将通过以上步骤获得的不同波段λ所对应的第n个周期下的、第i次测量的遮蔽校正参数以及散射校正参数，分别代入公式(1)，即可获得每个周期每次测量后的校正后的吸光系数bcor，n，i(λ)。
关于经验公式(5)-(11)，其获取过程是比较复杂的。事实上对本领域技术人员来说，公式(5)-(11)只要可以正常使用，并能获得精确的结果，则并不需要知道该公式是如何得到的。当然，由于公式(5)-(11)存在经验猜测的范畴，其基本原理发明人也无法准确判断，只是基于经验以及后续数据验证，发现公式(5)-(11)可以用于获得准确的校正结果，其合理性可以得到验证，因而具备实用性和创造性。
以下内容为发明人提供的获取上述公式(5)-(11)的过程，其中包含基于经验猜想得到的一些参数关系，经过验证这些关系存在合理性。
正如公式(1)所示，由于校正后的吸光系数bcor，n，i(λ)在理论上期望达到的结果应当等于真实吸光系数，而原位吸光系数binsitu，n，i(λ)是十分接近真实吸光系数的，因而将公式 (1)中校正后的吸光系数bcor，n，i(λ)用原位吸光系数binsitu，n，i(λ)进行替代，转换之后可以得到如下公式(14)：
其中，CCn，i(λ)表示λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的散射校正参数，bATN，n，i(λ)表示对应于λ波段的第n周期的第i次测量得到的黑碳仪吸光系数，Rn，i(λ)为前述校正获得的λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的遮蔽校正参数，binsitu，n，i(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的原位吸光系数。
由于诸如光声光谱仪之类的原位测量设备只能得到单一波段的原位吸光系数(例如本发明中使用的光声消光仪的激光波段为870nm)，因此需要将870nm处的原为吸光系数转换成对应于黑碳仪七个波段(370、470、520、590、660、880、950nm)下的原位吸光系数。根据颗粒物光学特性，原位吸光系数遵循波长指数定律，如公式(15)所示：
式(15)与式(12)本质上是同源的，其中K1是另一个常数项，因此可以根据式(12)计算得到的吸收波长指数αn，i，将λ＝870nm及其对应的原位吸光系数binsitu，n，i(λ)代入公式(15)就可以得到常数项K1，再逐个将七个波段λ分别等于370、470、520、590、 660、880、950nm代入公式(15)，就可以进一步将单波长的原位吸光系数转换成对应黑碳仪七波长的原位吸光系数。应当说明的是，由于之前吸收波长指数αn，i的求解过程表明其对于任何一个波段都是相同的，因而公式(15)中的αn，i是通过公式(12)-(13)以及七个波段拟合出来的一个常数，该常数与气溶胶的光学特性相关，对特定类型的气溶胶来说，这个吸收波长指数αn，i是一个不变的固定值。将单波段的原位吸光系数转换成七个波段对应的原位吸光系数之后，再通过公式(14)，就可以计算获得对应于七个波段的第n 个周期下的、第i次测量的散射校正参数CCn，i(λ)。
以往的研究中，只能对公式(14)获得的散射校正参数CCn，i(λ)进行统计学处理，例如通过其平均值作为校正参数。然而，发明人发现散射校正参数CCn，i(λ)与黑碳仪计算得到的吸收波长指数αn，i有显著正相关关系。根据细颗粒光散射理论，吸收波长指数αn，i增大意味着颗粒物粒径减小，因此具有更高的光散射效率，因此受散射影响的黑碳仪吸光系数会增大，而不受散射影响的原位吸光系数不变，最终导致散射校正参数CCn，i(λ)上升。
因此，可以针对每个波段λ，在散射校正参数CCn，i(λ)与吸收波长指数αn，i之间构建一个线性函数，例如，对于不同波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm，可以构建如下线性函数：
CCn，i(λ＝370nm)＝m1·αn，i+n1 (16)
CCn，i(λ＝470nm)＝m2·αn，i+n2 (17)
CCn，i(λ＝520nm)＝m3·αn，i+n3 (18)
CCn，i(λ＝590nm)＝m4·αn，i+n4 (19)
CCn，i(λ＝660nm)＝m5·αn，i+n5 (20)
CCn，i(λ＝880nm)＝m6·αn，i+n6 (21)
CCn，i(λ＝950nm)＝m7·αn，i+n7 (22)
其中，m1～m7、n1～n7均为对应线性函数的系数。最后通过将全部测量数据中对应波段的数据进行线性回归拟合，即可计算获得上述线性函数的系数，将这些拟合出来的系数代入公式(16)-(22)即可获得公式(5)-(11)，进一步可以通过公式(5)-(11) 获得不同波段λ所对应的散射校正参数CCn，i(λ)。
从公式(14)可以看出，本发明的散射校正参数似乎利用了原位吸光系数进行了校正，但是与本领域的惯常经验不同的是，通过后续公式(15)-(22)的变换之后进一步获得的公式(5)-(11)的结果，经检验显示是一组通用公式，是不需要二次校正的。这是因为公式(14)-(15)虽然可以得到一组散射校正参数CCn，i(λ)的，但是此时得到的散射校正参数CCn，i(λ)需要依赖于其它设备的原位吸光系数才能获得，这显然不符合本发明的初衷。因而，本发明创造性的构建了公式(16)-(22)的线性函数，将依赖于其它设备的散射校正参数CCn，i(λ)通过线性回归拟合的方式，将其转换成与设备无关而与吸收波长指数αn，i相关的散射校正参数CCn，i(λ)。通过这种变换后获得的公式(5)-(11)就变成了一组与设备无关的通用函数，该组函数不需要另行标定，只需要通过黑碳仪的测量数据计算获得对应的吸收波长指数αn，i即可。
例如，作为原位吸光系数的构建获取，其原始数据采集于2016年12月16日至 2017年1月19日(冬季)，而图4a～4g显示的验证结果示意图中，数据采集于2016年10 月1日至31日(秋季)。两个季节的气溶胶化学组成和来源具有较大差异，具有非常明显的光学特征差异性。
也就是说，发明人用2016年冬季采集的数据，得到公式(5)-(11)，再将公式 (5)-(11)应用到之前(2016年秋季)的数据，对其进行校正，通过图4a～4g的比对，发现校正后的吸光系数与原位吸光系数结果极其近似，表明公式(5)-(11)一经校正，其结果就具备了通用特性，在以后的气溶胶测量校正过程中，不再需要对公式(5)-(11) 进行进一步的校准。而公式(5)-(11)中的αn，i是不依赖于其它设备的，只需要利用黑碳仪自身获得的测量数据即可获得，因而本发明的散射校正参数CCn，i(λ)也是不需要用到其它设备进行校准的。
图3显示的是本发明的校正方法的原理示意图，与图1类似，其同样以λ＝370nm 下的测量数据为例进行说明。图3中，星形点表示的是校正后的吸光系数bcor，n，i；方形点表示的是黑碳仪吸光系数bATN，n，i；圆形点表示的是作为参照的原位吸光系数binsitu。通过本发明的校正方法获得的遮蔽校正参数以及散射校正参数，将其对每个周期的每一次测量获得的黑碳仪吸光系数进行逐一校对，最后获得的校正后的吸光系数与作为参照的原位吸光系数趋势相同并近似重合。
图4a～4g分别显示的是本发明的校正方法在不同光谱波段下的结果示意图。从七个不同波段λ校正后的吸光系数与原位吸光系数的拟合对比可见，每一个波段的校正结果均与原位吸光系数高度重合，二者的相关性极高，完全可以做到用廉价易用的黑碳仪替代操作复杂、难以维护、价格高昂的单波段的光声光谱仪的技术效果，而且由于本发明的校正不依赖于额外的标准校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。
本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。
附录：参考文献。
[1]克劳德-科恩等，最小化黑碳仪测量吸收系数的伪影：评估五种校正方法，大气测量技术，2010。(COLLAUD COEN M，WEINGARTNER E，APITULEY A，et al. Minimizinglight absorption measurement artifacts of the Aethalometer：evaluation of fivecorrection algorithms[J].Atmospheric Measurement Techniques，2010，3(2010)：457-74.)
[2]帕特里克-阿诺特等，用七波长黑碳仪进行气溶胶吸光测量：借助光声光谱仪和三波长浊度计，气溶胶科学与技术，2005。(ARNOTT W P，HAMASHA K， MOOSMüLLER H，etal.Towards Aerosol Light-Absorption Measurements with a 7-WavelengthAethalometer：Evaluation with a Photoacoustic Instrument and 3-WavelengthNephelometer[J].Aerosol Science and Technology，2005，39(1)：17-29.)
[3]欧内斯特-魏加德纳等，烟炱颗粒对光的吸收：用黑碳仪测定吸光系数，气溶胶科学，2003。(WEINGARTNER E，SAATHOFF H，SCHNAITER M，et al.Absorption of light bysoot particles：determination of the absorption coefficient by means ofaethalometers[J]. Journal of Aerosol Science，2003，34(10)：1445-63.)
[4]白哲等，泰山及华北典型城区黑碳吸光翻倍，全面环境科学，2018。(BAI Z，CUIX，WANG X，et al.Light absorption of black carbon is doubled at Mt.Tai andtypical urban area in North China[J].Science ofthe Total Environment，2018，635(2018)：1144-51.)
[5]冉亮等，华北平原黑碳和波长依赖性气溶胶吸收的两年测量数据，大气科学，2016。(RAN L，DENG Z，WANG P C，et al.Black carbon and wavelength-dependentaerosol absorption in the North China Plain based on two-year aethalometermeasurements[J]. Atmospheric Environment，2016，142(2016)：132-44.)
[6]甘盖特-萨利乌等，使用吸收波长指数对当量黑碳来源解析的局限性——西北印度洋-印度洋平原的案例研究，环境科学与技术，2015。(GARG S，CHANDRAB P， SINHA V，et al.Limitation of the use of the absorption angstrom exponent for sourceapportionment of equivalent black carbon-a case study from the North WestIndo-Gangetic plain[J].Environmental Science&Technology，2015，50(2)：814-24.)
Claims (1)
1.一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，所述黑碳仪可以测量获得波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm的气溶胶数据，所述校正方法包括如下步骤：首先，通过黑碳仪测量获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的光衰减量ATNn,i(λ)，计算获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的黑碳仪吸光系数bATN,n,i(λ)；其次，通过如下公式(1)，对测量得到的上述黑碳仪吸光系数bATN,n,i(λ)进行校正，得到对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的校正后的吸光系数bcor,n,i(λ)：
其中，Rn,i(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的遮蔽校正参数；CCn,i(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的、第i次测量的散射校正参数；
所述遮蔽校正参数通过如下公式(2)-(4)计算获得：
式中，fn(λ)为λ波段下对应于第n个周期下的遮蔽因子，bATN,n+1,1(λ)为λ波段下第n+1周期的第1个黑碳仪吸光系数值；bATN,n,last(λ)为λ波段下第n周期的最后一个黑碳仪吸光系数值；fmoving,n(λ)为中心移动平均遮蔽因子；ATNn,i(λ)为λ波段下第n周期的第i个光衰减量值；ATNn,last(λ)为λ波段下第n周期的最后一个光衰减量值；
不同波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm所对应的散射校正参数CCn,i(λ)通过如下公式(5)-(11)计算获得：
CCn，i(λ＝370nm)＝2.75αn，i+1.54 (5)
CCn，i(λ＝470nm)＝0.87αn，i+0.11 (6)
CCn，i(λ＝520nm)＝0.58αn，i+3.78 (7)
CCn，i(λ＝590nm)＝0.84αn，i+3.59 (8)
CCn，i(λ＝660nm)＝1.13αn，i+3.41 (9)
CCn，i(λ＝880nm)＝1.79αn，i+2.62 (10)
CCn，i(λ＝950nm)＝1.86αn，i+2.45 (11)
其中，αn，i为对应于第n个周期下的、第i次测量的吸收波长指数，该吸收波长指数αn，i通过如下公式计算获得：
通过对公式(12)进行数学变换，得到如下变形公式(13)：
式中，K为常数项；将周期n下的每一次测量得到的七个波段λ对应的七组Rn,i(λ)和bATN,n,i(λ)，分别带入上述变形公式中与七个波段λ进行线性回归拟合，即可求解获得第n周期下的第i次测量的吸收波长指数αn,i。
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| Absorption of light by soot particles: determination of the absorption coe%cient by means of aethalometers;E. Weingartner等;《Aerosol Science》;20031231;第1445–1463页 * |
| Minimizing light absorption measurement artifacts of the Aethalometer: evaluation of five correction algorithms;M. Collaud Coen等;《Atmos. Meas. Tech.》;20100413;第457-474页 * |
| 利用黑碳仪获取北京市冬季气溶胶吸光系数的方法研究;张宇哲等;《环境科学研究》;20190831;参见正文第1.2、1.3和1.4节 * |
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