[发明专利]一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及环境科学领域，尤其是大气能见度的测量，具体是一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法。

背景技术

工业化、城市化进程的不断加快，导致了区域大气复合污染愈加严峻，重点城市所面临的突出共性问题之一，即大气能见度的降低，也是各国政府与众多研究学者关注的重点。已有的研究结果表明，城市中大气细粒子污染的增加是能见度降低的直接原因，一些研究人员分析了能见度与气溶胶粒子的粒径分布、光学厚度之间的关系；但更多的研究人员则从能见度与PM10、PM2.5或PM1的相关性方面进行了统计分析，指出大气能见度与细粒子质量浓度呈现很好的负相关性；也有部分研究人员根据不同成核模态的粒子分布与变化状况，定性分析其与能见度的相关性，指出积聚模态粒子数的高低将直接影响大气能见度；另有一些研究学者则从粒子组份、来源、气象条件等方面对大气能见度的影响研究开展了大量的工作。

大气能见度是反映大气透明度的一个指标，一般定义为具有正常视力的人在当时的天气条件下还能够看清楚目标轮廓的最大地面水平距离。影响能见度的因素主要有大气透明度、灯光强度和视觉感阈等。大气能见度和天气情况密切相关，当出现降雨、雾、霾、沙尘暴等天气过程时，大气透明度较低，因此能见度较差。

大气能见度的测量目前主要有：目测法、透射法、散射法、数字摄像法等测量方法。目前，能见度的观测大都还是以人工目测法为主，规范性、客观性相对较差。透射法是通过光束透过两固定点之间的大气柱直接测量气柱透射率，以此来推算能见度的值，这种方法要求光束通过足够长的大气柱，测量的可靠性受光源及其他硬件系统工作稳定性的影响，一般只适用于中等以下能见度的观测，而在雨、雾等低能见度天气，会因水汽吸收等复杂条件造成较大误差。散射法(前向散射型、后向散射型)是通过测量大气消光系数的方法来推算能见度，相对而言，较为客观和准确，但这种仪器成本昂贵、维护费用高、操作复杂，而且，在雨、雾天也难以进行正常观测，因而难以推广。数字摄像法则是通过数字化摄像机直接摄取选定目标物及其背景的图象，对所获取的图象进行分析处理，得到大气能见度的数值，这种方法与散射法观测的能见度值比较接近，但需要选择被测量的目标及背景参考物作为参考。

总体而言，大气能见度的高低则是由于大气中颗粒物粒子(沙尘、雨、雾、霾等)对可见光的消光(包括吸收和散射)不同所产生的结果。对于不同区域，虽然污染物粒子组份各异；然而，对于特定城市或区域，究竟何种粒径的粒子影响并决定了能见度的高低目前均无报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，从大气中细粒子谱分布的角度上直接对大气能见度进行解析，根据大气细粒子谱仪测量的粒径分布与粒子数浓度，通过分析不同粒径粒子对可见光的总体消光贡献，得到大气能见度。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于大气细粒子谱仪的能见度测量方法，其特征在于：采用大气细粒子谱仪，利用大气细粒子谱仪对大气进行测量，得到大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布；

根据Mie散射理论，以及大气细粒子谱仪测量得到的大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布信息，假设大气中的颗粒物为球形粒子，利用公式求出大气粒子消光效率因子Q_ext，对于给定波长λ，粒子总的消光系数可由公式求出，式中，α＝πD/λ，D为粒子直径，λ为入射光波长，m为粒子的复折射率，a_m与b_m为Mie系数，Θ_ext＝πD²Q_ext/4为根据测得的大气中颗粒物的粒径分布与粒子数浓度分布，由Mie散射理论求出的粒子消光截面，N(D)为大气细粒子谱仪测量得到的粒子的尺度谱分布，即粒子的粒径分布与粒子数浓度分布；

为了使计算所得到的能见度与实际观测到的能见度一致，选择波长范围为400-700nm的可见光，代入粒子总的消光系数的计算公式得到可表示大气中所有粒径的粒子对400-700nm波长范围内可见光消光贡献总和的消光系数σ_Tol，代入后得到的消光系数σ_Tol可表示为：