以pm2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数关系的方法
【专利摘要】本发明公开了一种以PM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数关系的方法。它将测得的相对湿度≤40％时的气溶胶消光系数α干和PM2.5质量浓度CPM2.5代入公式中算出比例系数K后，先于同地点测得任意相对湿度下的气溶胶消光系数αwet和PM2.5质量浓度CPM2.5，并将比例系数K和该任意相对湿度下的PM2.5质量浓度CPM2.5代入公式α＝K·CPM2.5中算出该任意相对湿度下的“干”气溶胶消光系数αdry，再将测得的αwet和算出的αdry代入公式中算得气溶胶消光系数吸湿增长因子f，之后，先重复算得f的过程至少5次，再对分别于同地点测得的大气相对湿度RH和计算得到的气溶胶消光系数吸湿增长因子f两组数据，使用拟合的方法得出函数关系。它可随时低成本便捷地于地面上探测高度范围宽达0～30km的PM2.5质量浓度。
【专利说明】
以PM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿増长 因子与相对湿度函数关系的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数关系的方法， 尤其是一种以PM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函 数关系的方法。
【背景技术】
[0002] 大气气溶胶是指悬浮在大气中粒子直径在0.001~100μπι之间的固体和液体颗粒 物的总称，ΡΜ2.5是指直径小于2.5μπι的气溶胶粒子，它是大气中气溶胶的一个重要组成部 分。近年来，大气污染日益引起了人们的广泛关注，作为大气主要污染物之一的ΡΜ2.5能较 长时间地悬浮于空气中，其在空气中的含量浓度越高，就代表空气的污染越严重。目前，探 测大气中ΡΜ2.5的方法主要为使用设备一一ΡΜ2.5质量浓度监测仪进行监测。该方法虽能测 得大气中的ΡΜ2.5，但受ΡΜ2.5质量浓度监测仪所在平台高度的限制，只能探测<30m高度范 围内的PM2.5，若要探测更高范围的PM2.5，则需使用高空气球平台或飞机平台，这既难以随 时实时地探测PM2.5，又极大地增加了探测的成本，还极不方便且耗时。此外，激光雷达虽也 是探测大气气溶胶的有力工具，然其探测的仅是大气气溶胶消光系数或后向散射系数，不 能直接探测大气中的PM2.5质量浓度。
【发明内容】
[0003] 本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种可随时低成本 便捷地于近地面探测大气中更大高度范围内PM2.5质量浓度的以PM2.5质量浓度为约束条 件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数关系的方法。
[0004] 为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：以PM2.5质量浓度为约束条件反 演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数关系的方法包括PM2.5质量浓度的测量， 特别是主要组成步骤为：
[0005] 步骤1，将测得的相对湿度彡40 %时的气溶胶消光系数α干和PM2.5质量浓度CPM2.5代
，计算出比例系数K，
[0006] 式中的α为气溶胶消光系数、仏，为气溶胶平均消光效率因子、C = CTcital/CPM2.5、 CTcital为大气中颗粒物总浓度、为气溶胶粒子的有效半径、歹为气溶胶平均质量密度；
[0007] 步骤2,先于同地点测得任意相对湿度下的气溶胶消光系数awet和PM2.5质量浓度 CPM2.5后，将比例系数K和该任意相对湿度下的PM2.5质量浓度CPM2.5代入公式α = Κ · CPM2.5中， 计算出该任意相对湿度下的"干"气溶胶消光系数adry，再将测得的任意相对湿度下的气溶 胶消光系数和计算出的该任意相对湿度下的"干"气溶胶消光系数adn
中，计算得到气溶胶消光系数吸湿增长因子f;
[0008] 步骤3,先重复步骤2至少5次，再对分别于同地点测得的大气相对湿度RH和计算得 到的气溶胶消光系数吸湿增长因子f两组数据，使用拟合的方法得出以PM2.5质量浓度为约 束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与大气相对湿度的函数关系。
[0009] 作为以PM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度 函数关系的方法的进一步改进：
[0010]优选地，重复步骤2的次数为5~20次。
[0011]
获得，式中的r为气溶胶粒子的半 径、n (r)为单位体积中在半径r-r+dr区间内的气溶胶粒子数dN与dr的比值。
[0013] 相对于现有技术的有益效果是：
[0014] 采用这样的方法后，通过得出的气溶胶消光系数吸湿增长因子与大气相对湿度的 函数关系即可随时低成本便捷地于近地面探测大气中更大高度范围内的PM2.5质量浓度， 其探测的高度范围宽达〇~30km-一激光雷达探测气溶胶消光系数的高度范围，从而使其 极易于广泛地商业化应用于对大气中PM2.5质量浓度的监测。
[0015] 本方法具体的推断过程为：
[0016] 1、基于大量的试验得出PM2.5质量浓度与气溶胶消光系数之间存在着一定的关 系，其中的大气相对湿度对两者间的关系影响较大，即相对湿度通过影响气溶胶粒子的粒 径可以影响消光系数，但对PM2.5质量浓度不影响。因此，确定出气溶胶消光系数吸湿增长 因子函数，就可对气溶胶消光系数进行相对湿度修正，从而转化为PM2.5质量浓度。
[0017] 设气溶胶尺度谱分布函数为n(r)，其被定义为单位体积中在半径r-r+dr区间内 的气溶胶粒子数dN与dr的比值，即
[0019]大气中颗粒物总浓度CTcital可定义为
[0021]其中，P为气溶胶平均质量密度。
[0022] PM2.5的质量浓度Cpm2.5可定义为
[0024]在忽略多次散射的近似条件下，气溶胶消光系数α可定义为
[0026] 其中，为气溶胶平均消光效率因子。
[0027] 引入气溶胶粒子有效半径％ =|e 沪樹/).后，可得到气溶胶消光系数 与颗粒物浓度之间的关系式
[0029]令CTcitai/CPM2.5 = C，由此可得出气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度的关系式
[0031]
为比例系数，是气溶胶微物理参数和相对湿度的函数。
[0032] PM2.5质量浓度探测仪探测时，先对吸入的大气进行干燥，再进行测量。因此，它测 量的是"干"大气的PM2.5质量浓度，与大气的相对湿度无关。而大气的消光系数是对环境大 气的直接测量，也就是说，它测量的是湿大气的消光系数，与大气的相对湿度有关。
[0033] 若能消除大气中相对湿度的影响，得到"干"气溶胶的消光系数，则这种情况下的 比例系数K仅是微物理参数的函数。再进一步假设，气溶胶的微物理参数在探测时间内认为 不变，则比例系数K就是常数了，因此可把"干"气溶胶的消光系数转化为PM2.5质量浓度。
[0034] 2、反演环境大气气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数关系的方法
[0035] 实际环境大气的气溶胶消光系数除了与颗粒物浓度、尺度谱、折射率有关外，还与 大气的相对湿度有关。当大气相对湿度变大时，气溶胶包含的亲水型粒子因相对湿度增大 而吸湿增长，引起气溶胶总的消光效率增强，导致消光系数增大。另一方面，由于相对湿度 的减小，气溶胶粒子风化引起消光效率减弱，导致消光系数减小。
[0036] 气溶胶吸湿生长因子用f来描述，其定义为
[0038]其中，awet和adry分别表示测量时相对湿度下的气溶胶消光系数和"干"气溶胶的消 光系数。
[0039] 在实际中测量吸湿因子的常用仪器是串联电迀移率颗粒物吸湿粒径分析仪(H-TDMA)，它的工作原理是，环境大气从端口吸入后先干燥，然后测量其"干"的粒径及尺度谱； 接着创造出当时大气环境的相对湿度，让其粒径增加，再测量湿粒径和尺度谱，再利用前述 公式(4)分别计算干、湿两种情况下的消光系数，最后通过公式(7)来计算其消光系数吸湿 因子。这是目前常用的方法。
[0040] 在一次环境大气的测量过程中（如3小时），若气溶胶的来源相同，尺度谱和折射率 等微物理参数可认为不变，仅粒子数的总浓度和相对湿度在变化。由以上的分析可知，"干" 气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度的比例关系K可认为是一个常数。在环境大气测量过程 中，同地点连续测量气溶胶消光系数α、ΡΜ2.5质量浓度Cpm 2.5和大气相对湿度RH，在上述假设 条件下，以ΡΜ2.5质量浓度为约束条件，就得到了如本方法所述的反演环境大气中的消光系 数吸湿增长因子与相对湿度的关系。
【具体实施方式】
[0041 ]本实施例于同地点连续测量气溶胶消光系数、ΡΜ2.5质量浓度CPM2.5和大气相对湿 度RH的仪器分别为气溶胶消光系数探测装置、ΡΜ2.5质量浓度监测仪和相对湿度计;其中， 气溶胶消光系数探测装置为激光雷达。
[0042]以PM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数 关系的方法如下：
[0043]步骤1，将测得的相对湿度彡40 %时的气溶胶消光系数α干和PM2.5质量浓度Cpm2.5代
，计算出比例系数K，
[0044] 式中的α为气溶胶消光系数、β,,为气溶胶平均消光效率因子、C = CTcital/CPM2.5、 CTcital为大气中颗粒物总浓度、为气溶胶粒子的有效半径、歹为气溶胶平均质量密度;其 中，
[0045]
，式中的r为气溶胶粒子的半径、n(r) 为单位体积中在半径r-r+dr区间内的气溶胶粒子数dN与dr的比值，
[0047]步骤2,先于同地点测得任意相对湿度下的气溶胶消光系数awet和PM2.5质量浓度 CPM2.5后，将比例系数K和该任意相对湿度下的PM2.5质量浓度CPM2.5代入公式α = Κ · CPM2.5中， 计算出该任意相对湿度下的"干"气溶胶消光系数adry。再将测得的任意相对湿度下的气溶 胶消光系数和计算出的该任意相对湿度下的"干"气溶胶消光系数adry代Λ
中，计算得到气溶胶消光系数吸湿增长因子f。
[0048]步骤3,先重复步骤2的次数为15(可为5~20)次，再对分别于同地点测得的大气相 对湿度RH和计算得到的气溶胶消光系数吸湿增长因子f两组数据，使用拟合的方法得出以 PM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与大气相对湿度的函数关 系。
[0049]显然，本领域的技术人员可以对本发明的以PM2.5质量浓度为约束条件反演气溶 胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函数关系的方法进行各种改动和变型而不脱离本发 明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技 术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
【主权项】
1. 一种WPM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与相对湿度函 数关系的方法，包括PM2.5质量浓度的测量，其特征在于主要组成步骤为： 步骤1，将测得的相对湿度《40%时的气溶胶消光系数α干和PM2.5质量浓度CPM2.5代入公 式冲，计算出比例系数Κ, 式中的α为气溶胶消光系数、茲，为气溶胶平均消光效率因子、〔=时。*31/〔。(《25、时。*31为大 气中颗粒物总浓度、reff为气溶胶粒子的有效半径、疗为气溶胶平均质量密度； 步骤2,先于同地点测得任意相对湿度下的气溶胶消光系数awet和PM2.5质量浓度CPM2.5 后，将比例系数K和该任意相对湿度下的PM2.5质量浓度CPM2.5代入公式α = Κ · CPM2.5中，计算 出该任意相对湿度下的"干"气溶胶消光系数Qdry，再将测得的任意相对湿度下的气溶胶消 光系数Qwet和计算出的该任意相对湿度下的"干"气溶胶消光系数Qdry代入公式/ = 中， 计算得到气溶胶消光系数吸湿增长因子f; 步骤3,先重复步骤2至少5次，再对分别于同地点测得的大气相对湿度畑和计算得到的 气溶胶消光系数吸湿增长因子f两组数据，使用拟合的方法得出WPM2.5质量浓度为约束条 件反演气溶胶消光系数吸湿增长因子与大气相对湿度的函数关系。2. 根据权利要求1所述的WPM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长 因子与相对湿度函数关系的方法，其特征是重复步骤2的次数为5~20次。3. 根据权利要求1所述的WPM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长 因子与相对湿度函数关系的方法，其特征是CTDtai由公式CV。。,, = 戸(|^3>〇·)如获得， 式中的r为气溶胶粒子的半径、n(r)为单位体积中在半径r^r+化区间内的气溶胶粒子数dN 与化的比值。4. 根据权利要求3所述的WPM2.5质量浓度为约束条件反演气溶胶消光系数吸湿增长 因子与相对湿度函数关系的方法，其特征是reff由公式从仲获得。
【文档编号】G01N15/06GK106092841SQ201610394680
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月31日 公开号201610394680.9, CN 106092841 A, CN 106092841A, CN 201610394680, CN-A-106092841, CN106092841 A, CN106092841A, CN201610394680, CN201610394680.9
【发明人】陶宗明, 麻晓敏, 张辉, 单会会, 张清泽
【申请人】中国人民解放军陆军军官学院