以pm2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法。它將測得的相對濕度≤40％時的氣溶膠消光系數(shù)α干和PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5代入公式中算出比例系數(shù)K后，先于同地點測得任意相對濕度下的氣溶膠消光系數(shù)αwet和PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5，并將比例系數(shù)K和該任意相對濕度下的PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5代入公式α＝K·CPM2.5中算出該任意相對濕度下的“干”氣溶膠消光系數(shù)αdry，再將測得的αwet和算出的αdry代入公式中算得氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f，之后，先重復(fù)算得f的過程至少5次，再對分別于同地點測得的大氣相對濕度RH和計算得到的氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f兩組數(shù)據(jù)，使用擬合的方法得出函數(shù)關(guān)系。它可隨時低成本便捷地于地面上探測高度范圍寬達0～30km的PM2.5質(zhì)量濃度。
【專利說明】
以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕増長 因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法， 尤其是一種以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函 數(shù)關(guān)系的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 大氣氣溶膠是指懸浮在大氣中粒子直徑在0.001~100μπι之間的固體和液體顆粒 物的總稱，ΡΜ2.5是指直徑小于2.5μπι的氣溶膠粒子，它是大氣中氣溶膠的一個重要組成部 分。近年來，大氣污染日益引起了人們的廣泛關(guān)注，作為大氣主要污染物之一的ΡΜ2.5能較 長時間地懸浮于空氣中，其在空氣中的含量濃度越高，就代表空氣的污染越嚴重。目前，探 測大氣中ΡΜ2.5的方法主要為使用設(shè)備一一ΡΜ2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測儀進行監(jiān)測。該方法雖能測 得大氣中的ΡΜ2.5，但受ΡΜ2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測儀所在平臺高度的限制，只能探測<30m高度范 圍內(nèi)的PM2.5，若要探測更高范圍的PM2.5，則需使用高空氣球平臺或飛機平臺，這既難以隨 時實時地探測PM2.5，又極大地增加了探測的成本，還極不方便且耗時。此外，激光雷達雖也 是探測大氣氣溶膠的有力工具，然其探測的僅是大氣氣溶膠消光系數(shù)或后向散射系數(shù)，不 能直接探測大氣中的PM2.5質(zhì)量濃度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的欠缺之處，提供一種可隨時低成本 便捷地于近地面探測大氣中更大高度范圍內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條 件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法。
[0004] 為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反 演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法包括PM2.5質(zhì)量濃度的測量， 特別是主要組成步驟為：
[0005] 步驟1，將測得的相對濕度彡40 %時的氣溶膠消光系數(shù)α干和PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5代
，計算出比例系數(shù)K，
[0006] 式中的α為氣溶膠消光系數(shù)、仏，為氣溶膠平均消光效率因子、C = CTcital/CPM2.5、 CTcital為大氣中顆粒物總濃度、為氣溶膠粒子的有效半徑、歹為氣溶膠平均質(zhì)量密度；
[0007] 步驟2,先于同地點測得任意相對濕度下的氣溶膠消光系數(shù)awet和PM2.5質(zhì)量濃度 CPM2.5后，將比例系數(shù)K和該任意相對濕度下的PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5代入公式α = Κ · CPM2.5中， 計算出該任意相對濕度下的"干"氣溶膠消光系數(shù)adry，再將測得的任意相對濕度下的氣溶 膠消光系數(shù)和計算出的該任意相對濕度下的"干"氣溶膠消光系數(shù)adn
中，計算得到氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f;
[0008] 步驟3,先重復(fù)步驟2至少5次，再對分別于同地點測得的大氣相對濕度RH和計算得 到的氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f兩組數(shù)據(jù)，使用擬合的方法得出以PM2.5質(zhì)量濃度為約 束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與大氣相對濕度的函數(shù)關(guān)系。
[0009] 作為以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度 函數(shù)關(guān)系的方法的進一步改進：
[0010]優(yōu)選地，重復(fù)步驟2的次數(shù)為5~20次。
[0011]
獲得，式中的r為氣溶膠粒子的半 徑、n (r)為單位體積中在半徑r-r+dr區(qū)間內(nèi)的氣溶膠粒子數(shù)dN與dr的比值。
[0013] 相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：
[0014] 采用這樣的方法后，通過得出的氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與大氣相對濕度的 函數(shù)關(guān)系即可隨時低成本便捷地于近地面探測大氣中更大高度范圍內(nèi)的PM2.5質(zhì)量濃度， 其探測的高度范圍寬達〇~30km-一激光雷達探測氣溶膠消光系數(shù)的高度范圍，從而使其 極易于廣泛地商業(yè)化應(yīng)用于對大氣中PM2.5質(zhì)量濃度的監(jiān)測。
[0015] 本方法具體的推斷過程為：
[0016] 1、基于大量的試驗得出PM2.5質(zhì)量濃度與氣溶膠消光系數(shù)之間存在著一定的關(guān) 系，其中的大氣相對濕度對兩者間的關(guān)系影響較大，即相對濕度通過影響氣溶膠粒子的粒 徑可以影響消光系數(shù)，但對PM2.5質(zhì)量濃度不影響。因此，確定出氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長 因子函數(shù)，就可對氣溶膠消光系數(shù)進行相對濕度修正，從而轉(zhuǎn)化為PM2.5質(zhì)量濃度。
[0017] 設(shè)氣溶膠尺度譜分布函數(shù)為n(r)，其被定義為單位體積中在半徑r-r+dr區(qū)間內(nèi) 的氣溶膠粒子數(shù)dN與dr的比值，即
[0019]大氣中顆粒物總濃度CTcital可定義為
[0021]其中，P為氣溶膠平均質(zhì)量密度。
[0022] PM2.5的質(zhì)量濃度Cpm2.5可定義為
[0024]在忽略多次散射的近似條件下，氣溶膠消光系數(shù)α可定義為
[0026] 其中，為氣溶膠平均消光效率因子。
[0027] 引入氣溶膠粒子有效半徑％ =|e 滬樹/).后，可得到氣溶膠消光系數(shù) 與顆粒物濃度之間的關(guān)系式
[0029]令CTcitai/CPM2.5 = C，由此可得出氣溶膠消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的關(guān)系式
[0031]
為比例系數(shù)，是氣溶膠微物理參數(shù)和相對濕度的函數(shù)。
[0032] PM2.5質(zhì)量濃度探測儀探測時，先對吸入的大氣進行干燥，再進行測量。因此，它測 量的是"干"大氣的PM2.5質(zhì)量濃度，與大氣的相對濕度無關(guān)。而大氣的消光系數(shù)是對環(huán)境大 氣的直接測量，也就是說，它測量的是濕大氣的消光系數(shù)，與大氣的相對濕度有關(guān)。
[0033] 若能消除大氣中相對濕度的影響，得到"干"氣溶膠的消光系數(shù)，則這種情況下的 比例系數(shù)K僅是微物理參數(shù)的函數(shù)。再進一步假設(shè)，氣溶膠的微物理參數(shù)在探測時間內(nèi)認為 不變，則比例系數(shù)K就是常數(shù)了，因此可把"干"氣溶膠的消光系數(shù)轉(zhuǎn)化為PM2.5質(zhì)量濃度。
[0034] 2、反演環(huán)境大氣氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法
[0035] 實際環(huán)境大氣的氣溶膠消光系數(shù)除了與顆粒物濃度、尺度譜、折射率有關(guān)外，還與 大氣的相對濕度有關(guān)。當大氣相對濕度變大時，氣溶膠包含的親水型粒子因相對濕度增大 而吸濕增長，引起氣溶膠總的消光效率增強，導(dǎo)致消光系數(shù)增大。另一方面，由于相對濕度 的減小，氣溶膠粒子風(fēng)化引起消光效率減弱，導(dǎo)致消光系數(shù)減小。
[0036] 氣溶膠吸濕生長因子用f來描述，其定義為
[0038]其中，awet和adry分別表示測量時相對濕度下的氣溶膠消光系數(shù)和"干"氣溶膠的消 光系數(shù)。
[0039] 在實際中測量吸濕因子的常用儀器是串聯(lián)電迀移率顆粒物吸濕粒徑分析儀(H-TDMA)，它的工作原理是，環(huán)境大氣從端口吸入后先干燥，然后測量其"干"的粒徑及尺度譜； 接著創(chuàng)造出當時大氣環(huán)境的相對濕度，讓其粒徑增加，再測量濕粒徑和尺度譜，再利用前述 公式(4)分別計算干、濕兩種情況下的消光系數(shù)，最后通過公式(7)來計算其消光系數(shù)吸濕 因子。這是目前常用的方法。
[0040] 在一次環(huán)境大氣的測量過程中（如3小時），若氣溶膠的來源相同，尺度譜和折射率 等微物理參數(shù)可認為不變，僅粒子數(shù)的總濃度和相對濕度在變化。由以上的分析可知，"干" 氣溶膠消光系數(shù)與PM2.5質(zhì)量濃度的比例關(guān)系K可認為是一個常數(shù)。在環(huán)境大氣測量過程 中，同地點連續(xù)測量氣溶膠消光系數(shù)α、ΡΜ2.5質(zhì)量濃度Cpm 2.5和大氣相對濕度RH，在上述假設(shè) 條件下，以ΡΜ2.5質(zhì)量濃度為約束條件，就得到了如本方法所述的反演環(huán)境大氣中的消光系 數(shù)吸濕增長因子與相對濕度的關(guān)系。
【具體實施方式】
[0041 ]本實施例于同地點連續(xù)測量氣溶膠消光系數(shù)、ΡΜ2.5質(zhì)量濃度CPM2.5和大氣相對濕 度RH的儀器分別為氣溶膠消光系數(shù)探測裝置、ΡΜ2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測儀和相對濕度計;其中， 氣溶膠消光系數(shù)探測裝置為激光雷達。
[0042]以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù) 關(guān)系的方法如下：
[0043]步驟1，將測得的相對濕度彡40 %時的氣溶膠消光系數(shù)α干和PM2.5質(zhì)量濃度Cpm2.5代
，計算出比例系數(shù)K，
[0044] 式中的α為氣溶膠消光系數(shù)、β,,為氣溶膠平均消光效率因子、C = CTcital/CPM2.5、 CTcital為大氣中顆粒物總濃度、為氣溶膠粒子的有效半徑、歹為氣溶膠平均質(zhì)量密度;其 中，
[0045]
，式中的r為氣溶膠粒子的半徑、n(r) 為單位體積中在半徑r-r+dr區(qū)間內(nèi)的氣溶膠粒子數(shù)dN與dr的比值，
[0047]步驟2,先于同地點測得任意相對濕度下的氣溶膠消光系數(shù)awet和PM2.5質(zhì)量濃度 CPM2.5后，將比例系數(shù)K和該任意相對濕度下的PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5代入公式α = Κ · CPM2.5中， 計算出該任意相對濕度下的"干"氣溶膠消光系數(shù)adry。再將測得的任意相對濕度下的氣溶 膠消光系數(shù)和計算出的該任意相對濕度下的"干"氣溶膠消光系數(shù)adry代Λ
中，計算得到氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f。
[0048]步驟3,先重復(fù)步驟2的次數(shù)為15(可為5~20)次，再對分別于同地點測得的大氣相 對濕度RH和計算得到的氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f兩組數(shù)據(jù)，使用擬合的方法得出以 PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與大氣相對濕度的函數(shù)關(guān) 系。
[0049]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的以PM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶 膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法進行各種改動和變型而不脫離本發(fā) 明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技 術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種WPM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與相對濕度函 數(shù)關(guān)系的方法，包括PM2.5質(zhì)量濃度的測量，其特征在于主要組成步驟為： 步驟1，將測得的相對濕度《40%時的氣溶膠消光系數(shù)α干和PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5代入公 式?jīng)_，計算出比例系數(shù)Κ, 式中的α為氣溶膠消光系數(shù)、茲，為氣溶膠平均消光效率因子、〔=時。*31/〔。(《25、時。*31為大 氣中顆粒物總濃度、reff為氣溶膠粒子的有效半徑、療為氣溶膠平均質(zhì)量密度； 步驟2,先于同地點測得任意相對濕度下的氣溶膠消光系數(shù)awet和PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5 后，將比例系數(shù)K和該任意相對濕度下的PM2.5質(zhì)量濃度CPM2.5代入公式α = Κ · CPM2.5中，計算 出該任意相對濕度下的"干"氣溶膠消光系數(shù)Qdry，再將測得的任意相對濕度下的氣溶膠消 光系數(shù)Qwet和計算出的該任意相對濕度下的"干"氣溶膠消光系數(shù)Qdry代入公式/ = 中， 計算得到氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f; 步驟3,先重復(fù)步驟2至少5次，再對分別于同地點測得的大氣相對濕度畑和計算得到的 氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子f兩組數(shù)據(jù)，使用擬合的方法得出WPM2.5質(zhì)量濃度為約束條 件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長因子與大氣相對濕度的函數(shù)關(guān)系。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的WPM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長 因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法，其特征是重復(fù)步驟2的次數(shù)為5~20次。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的WPM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長 因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法，其特征是CTDtai由公式CV。。,, = 戸(|^3>〇·)如獲得， 式中的r為氣溶膠粒子的半徑、n(r)為單位體積中在半徑r^r+化區(qū)間內(nèi)的氣溶膠粒子數(shù)dN 與化的比值。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的WPM2.5質(zhì)量濃度為約束條件反演氣溶膠消光系數(shù)吸濕增長 因子與相對濕度函數(shù)關(guān)系的方法，其特征是reff由公式從仲獲得。
【文檔編號】G01N15/06GK106092841SQ201610394680
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年5月31日 公開號201610394680.9, CN 106092841 A, CN 106092841A, CN 201610394680, CN-A-106092841, CN106092841 A, CN106092841A, CN201610394680, CN201610394680.9
【發(fā)明人】陶宗明, 麻曉敏, 張輝, 單會會, 張清澤
【申請人】中國人民解放軍陸軍軍官學(xué)院