[发明专利]一种细颗粒物湍流通量测量方法

说明书

本发明公开了一种细颗粒物湍流通量测量方法。本发明通过提高消光系数测量仪的采样频率，得到高频的气溶胶的散射消光系数，并在低能见度的条件下，依据细颗粒物的质量浓度与能见度之间存在近似的幂指数关系，利用瞬时的能见度脉动得到细颗粒物的质量浓度脉动，结合超声风温仪测量得到垂直速度脉动，得到细颗粒物湍流通量；本发明由消光系数脉动反算细颗粒物的质量浓度脉动，最后利用涡动相关法求出细颗粒物湍流通量，首次解决了细颗粒物的质量浓度脉动及其湍流通量的获取问题，为预报模式提供基础；并且操作简单，可实施性强，可与现有水热通量观测系统配套，也可单独构成观测系统，观测数据处理成熟。

技术领域

本发明属于空气污染气象学领域，具体涉及一种细颗粒物湍流通量的测量方法。

背景技术

大气探测中，消光系数测量仪通过测量散射光强来得到消光系数，消光系数测量仪采用前向散射的原理设计的。消光系数测量仪发射器发射红外射线测量采样体积内的大气的散射光强，通过散射光强来有效的计算消光系数。受测量精度的限制，消光系数测量仪不能获得无噪声的高频采样数据，采样时间最快也仅仅达到1分钟。但是，这样的采样频率对于得到消光系数的高频脉动和进行湍流分析及相应的湍流通量计算是远远不够的。

现有技术中，用于湍流通量获取的基本方法有：涡动相关法、Bowen比能量平衡法和空气动力学方法。其中，涡动相关法符合湍流通量的原始定义，原理严谨，简单直接。但需要高精度、响应速度极快的湍流脉动传感器。由于目前还没有直接获得细颗粒物的质量浓度高频数据的仪器，所以就无法利用涡动相关法计算细颗粒物湍流通量。

发明内容

为了解决细颗粒物湍流通量的直接获取问题，本发明提出了一种细颗粒物湍流通量的测量方法。

本发明的细颗粒物湍流通量的测量方法，包括以下步骤：

1)提高消光系数测量仪的采样频率f，得到高频的气溶胶的散射消光系数b_spi，i＝1，2，3，……，N，N为采样个数，为自然数，b_spi为第i采样点的气溶胶的散射消光系数；

2)对高频的气溶胶的散射消光系数b_sp做雷诺分解，得到气溶胶的散射消光系数脉动：气溶胶的散射消光系数在一段时间的均值；

3)由于气溶胶的吸收消光和大气分子的吸收消光较小，以气溶胶的散射消光系数作为大气总的消光系数，得到采样点i的能见度v_i：

v_i＝3.912/b_spi

得到能见度脉动为能见度在一段时间的均值；

4)将气溶胶的散射消光系数脉动和能见度脉动做频谱分析，利用傅里叶变换得到消光系数谱S_b(n)和能见度谱S_v(n)；

5)根据湍流科尔莫戈罗夫理论，气溶胶的散射消光系数和能见度作为标量，其谱函数S_b(n)和S_v(n)与频率n之间在惯性副区满足-2/3幂次关系，并且在谱图上谱线上翘处即为噪声信号，从而得到噪声信号所在频率n；

6)根据傅里叶变换关系，将低于频率n的数据重构，得到处理后的气溶胶的散射消光系数脉动和能见度脉动，自此得到的数据就是去掉噪声的真实的高频的能见度脉动V′；

7)颗粒物连续测量仪测得细颗粒物的质量浓度在一段时间的均值在低能见度的条件下，细颗粒物的质量浓度与能见度之间存在近似的幂指数关系：

其中，为真实的高频的能见度在一段时间的均值，a和b均为一次低能见度事件的拟合系数，根据上式通过非线性拟合得到拟合系数a和b；

8)通过能见度脉动V′得到细颗粒物的质量浓度脉动C′：