应用于大气气溶胶质量浓度水平路径分布计算方法

摘要

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。

主权项

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)${\alpha }_s=0.75\int Q_{ext}(m,r,\lambda )n\left(r\right)\frac{dr}{r\rho }---\left(2\right)$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:${\alpha }_a\left(R\right)=-\frac{S_1}{S_2}{\alpha }_m\left(R\right)+\frac{X\left(R\right)\exp \left[2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\int }}{\alpha }_m\left(R\right)dR\right]}{\frac{X\left(R_C\right)}{{\alpha }_a\left(R_c\right)+\frac{S_1}{S_2}{\alpha }_m\left(R_c\right)}+2\underset{R}{\overset{R_c}{\int }}X\left(R\right)\exp [-2(\frac{S_1}{S_2}-1)\underset{R}{\overset{R_c}{\int }}{\alpha }_m\left(r\right)dr]dR}---\left(4\right)$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；$V_H=\frac{1}{{\sigma }_e}ln\frac{1}{ϵ}\approx \frac{3.912}{{\sigma }_e}---\left(5\right)$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。