一种基于积分浊度计获取气溶胶粒子谱分布的方法

摘要

本发明公开了一种基于积分浊度计获取气溶胶粒子谱分布的方法，通过积分浊度计测量气溶胶的7°–170°总散射系数和90°–170°后向散射系数，基于气溶胶粒子谱分布为两个对数正态分布叠加的假设和米散射理论得到对应角度范围的总散射系数和后向散射系数的计算值，分析测量值与计算值相对偏差，相对偏差最小时的谱分布，即为气溶胶粒子的谱分布。

说明书

技术领域

本发明涉及大气光学领域，具体为一种基于积分浊度计获取气溶胶粒 子谱分布的方法。

背景技术

大气气溶胶的谱分布是激光雷达数据反演定标，光传输理论及实验研 究中广泛使用的物理参量，此外，在气溶胶物理化学特性的研究中也 是一个重要参量，因此对于大气气溶胶谱分布的测量显得非常重要。 决定和影响气溶胶散射、吸收等光学特性的粒子谱分布范围主要为0. 01–10μm，目前气溶胶0.01–10μm谱分布的测量有多种方法。主要 包括利用扫描迁移粒度仪来测量0.01–1μm的较细粒子的电迁移粒径 谱分布，利用空气动力学粒度仪来测量0.5–20μm的较粗粒子的空气 动力学粒径谱分布。要得到0.01–10μm谱分布需要扫描迁移粒度仪和 空气动力学粒度仪的联合同步观测，而它们所测量的谱分布均非光学 粒径，需要进行转化，且这些仪器结构均较复杂，维护成本高，使用 易受外场测量环境的影响且易产生故障，因此采用这些仪器长时间的 进行外场测量实验以获取较宽尺度范围的气溶胶粒子谱分布就显得较 为困难。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于积分浊度计获取气 溶胶粒子谱分布的方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于积分浊度计获取气溶胶粒子谱分布的方法，其特征在于：包 括以下步骤：

(1)、利用积分浊度计实时测量大气气溶胶，并根据理论计算得到7° –170°的总散射系数σ_sca,meaured和90°–170°的后向散射系数σ_{bksca,meaured}；计算方 法描述如下：

a)、假定气溶胶粒子谱分布为两个对数正态分布的叠加，如下所示：

$n\left(\lg D_p\right)=\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dlg}{D}_p}=\left(\begin{array}{cc}\frac{N_1}{\sqrt{2\pi }\lg {\sigma }_1}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\lg D_p-\ln D_{p\mathrm{mod}1}}{\ln {\sigma }_1}\right)}^2],& 0.01\le D_p\le 0.5\mathrm{\mu m}\\ \frac{N_2}{\sqrt{2\pi }\lg {\sigma }_2}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\ln D_p-\ln D_{p\mathrm{mod}2}}{\ln {\sigma }_2}\right)}^2],& 0.5\le D_p\le 10\mathrm{\mu m}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中的D_p为粒子直径，式(1)所要得到的气溶胶谱分布中，有六个 系数需要确定，分别为N₁、σ₁、D_pmod1、N₂、σ₂、D_pmod2；N₁、σ₁、D_pmod1分别 代表细粒子的数浓度、标准偏差、模式直径，而N₂、σ₂、D_pmod2则分别代 表粗粒子的数浓度、标准偏差、模式直径；

b)、将气溶胶粒子等效为均匀球粒子，在尺度参数x=πD_p/λ和复折射 率m=n-ik两个基本参量的情况下，就可以得到散射相函数P(θ)，散射 效率因子Q_sca⁰及各个光学量，公式中λ定义为入射光波长，n为复折射 率实部，k为复折射率虚部，θ定义为散射角，然后再计算出7°–17 0°的散射效率因子Q_sca，90°–170°的后向散射效率因子Q_bksca，如下式 所示：

c)、根据谱分布积分可以计算出7°–170°的散射系数σ_{sca,calculated}，90°–1 70°的后向散射系数σ_{bksca,calculated}，如下式所示：

${\sigma }_{\mathrm{sca},\mathrm{calculated}}=\underset{D_{p,\min }}{\overset{D_{p,\max }}{\int }}{Q}_{\mathrm{sca}}(m,D_p,\lambda )·n\left(\lg D_p\right)·\frac{\pi {D_p}^2}{4}d{D}_p---\left(4\right)$

${\sigma }_{\mathrm{bksca},\mathrm{calculated}}=\underset{D_{p,\min }}{\overset{D_{p,\max }}{\int }}{Q}_{\mathrm{bksca}}(m,D_p,\lambda )·n\left(\lg D_p\right)·\frac{\pi {D_p}^2}{4}d{D}_p---\left(5\right)$

式(4)和(5)中的n(lgD_p)为气溶胶粒子的谱分布，D_p,min，D_p,max分别为谱分 布积分的上下限粒子直径，

在式(4)和(5)计算过程中，N₁、σ₁、D_pmod1、N₂、σ₂、D_pmod2分别由选取的 一定步长的等间隔的数据组成；

(2)、将实测的总散射、后向散射系数σ_sca,measured，σ_{bksca,measured}与理论计算得到的总散 射σ_sca,measured、后向散射系数σ_{bksca,measured}进行对比，分别计算它们的相对偏差ε_sca、ε _bksca，如下式所示：

ε_sca=(σ_sca,measured-σ_sca,measured)/σ_sca,measured             (6)

ε_bksca=(σ_{bksca,measured}-σ_{bksca,measured})/σ_{bksca,measured}           (7)

得到分析理论实测值和计算值总相对偏差ε最小时所对应的N₁、σ₁、 D_pmod1、N₂、σ₂、D_pmod2值，总相对偏差ε如下式所示：

$ϵ=\sqrt{({ϵ}_{\mathrm{sca}}^2+{ϵ}_{\mathrm{bksca}}^2)/2}---\left(8\right)$

根据使总相对偏差具有最小值时所对应的N₁、σ₁、D_pmod1、N₂、σ₂、D_pmod2值来确定谱分布，即可获得实际大气气溶胶粒子的谱分布。

所述的一种基于积分浊度计获取气溶胶粒子谱分布的方法，其特征在 于：利用积分浊度计实时测量到的气溶胶粒子的总散射系数和后向散 射系数，以及根据计算得到总散射系数和后向散射系数的理论计算值 ，当实测值和计算值得总相对偏差最小时，理论计算所选取的谱分布 即为实际大气气溶胶粒子的谱分布。

本发明能够仅利用通用的外场观测设备积分浊度计测量气溶胶粒子的 总散射信号和后向散射信号，结合谱分布库反演的计算方法，较为准 确获取实际大气气溶胶粒子谱分布。该方法技术实现简单、理论分析 合理，是一种实际可行的反演方法。

本发明的优点为：仅使用积分浊度计一台仪器，不仅能测得气溶胶粒 子的散射系数，而且能较准确获取气溶胶粒子谱分布，为进一步研究 气溶胶的理化特性提供重要信息。反演结果经过和扫描迁移粒度仪与 空气动力学粒度仪的联合谱分布测量验证，本发明方法获得的谱分布 相对误差在10%以内。因此本方法是一种便捷、可靠的测量方法。

附图说明

图1是气溶胶粒子谱分布反演的示意图。

图2是积分浊度计的示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示。用积分浊度计实时测量大气气溶胶的7°–170°的 总散射系数σ_sca,measured和90°–170°的后向散射系数σ_{bksca,measured}；

假定气溶胶粒子谱分布为两个对数正态分布的叠加，如下所示：

$n\left(\lg D_p\right)=\frac{\mathrm{dN}}{\mathrm{dlg}{D}_p}=\left(\begin{array}{cc}\frac{N_1}{\sqrt{2\pi }\lg {\sigma }_1}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\lg D_p-\ln D_{p\mathrm{mod}1}}{\ln {\sigma }_1}\right)}^2],& 0.01\le D_p\le 0.5\mathrm{\mu m}\\ \frac{N_2}{\sqrt{2\pi }\lg {\sigma }_2}\exp [-\frac{1}{2}{\left(\frac{\ln D_p-\ln D_{p\mathrm{mod}2}}{\ln {\sigma }_2}\right)}^2],& 0.5\le D_p\le 10\mathrm{\mu m}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中的D_p为粒子直径，在(1)式所要得到的气溶胶谱分布中，有六 个系数需要确定，分别为N₁、σ₁、D_pmod1、N₂、σ₂、D_pmod2。N₁、σ₁、D_pmod1分 别代表细粒子的数浓度、标准偏差、模式直径，而N₂、σ₂、D_pmod2则分别 代表粗粒子的数浓度、标准偏差、模式直径。

根据测量地点气溶胶所属的类型，由大气气溶胶不同成分和类别光学 辐射特性数据库(OPAC)查询该类型所对应的气溶胶复折射率m=n-ik。

将气溶胶粒子等效为均匀球粒子，在尺度参数x=πD_p/λ(λ为入射光 波长)和复折射率m=n-ik两个基本参量的情况下，就可以得到散射相函 数P(θ)，散射效率因子Q_sca⁰等光学量(θ为散射角)。然后再计算出7° –170°的散射效率因子Q_sca，90°–170°的后向散射效率因子Q_bksca，如 下式所示：

根据谱分布积分可以计算出7°–170°的总散射系数σ_sca,measured，90°–170 °的后向散射系数σ_{bksca,measured}，如下式所示：

${\sigma }_{\mathrm{sca},\mathrm{calculated}}=\underset{D_{p,\min }}{\overset{D_{p,\max }}{\int }}{Q}_{\mathrm{sca}}(m,D_p,\lambda )·n\left(\lg D_p\right)·\frac{\pi {D_p}^2}{4}d{D}_p---\left(4\right)$

${\sigma }_{\mathrm{bksca},\mathrm{calculated}}=\underset{D_{p,\min }}{\overset{D_{p,\max }}{\int }}{Q}_{\mathrm{bksca}}(m,D_p,\lambda )·n\left(\lg D_p\right)·\frac{\pi {D_p}^2}{4}d{D}_p---\left(5\right)$

式(4)和(5)中n(lgD_p)为气溶胶粒子的谱分布，D_p,min，D_p,max分别为谱分布积 分的上下限粒子直径。

在(4)和(5)式计算过程中，N₁选取从1000―20000的等数值间隔的数据 组成， σ₁选取从0.4–0.8的等数值间隔的数据组成，D_pmod1选取从0.0 3–0.3的等数值间隔的数据组成，N₂选取从100–2000的等数值间隔的 数据组成，σ₂选取从0.4–0.8的等数值间隔的数据组成，D_pmod2选取从0 .3–3的等数值间隔的数据组成。

将实测的散射、后向散射系数σ_sca,meaured，σ_{bksca,meaured}与理论计算得到的总散射σ_sca,meaured、 后向散射系数σ_{bksca,meaured}进行对比，分别计算它们的相对偏差ε_sca、ε_bksca，如下 式所示：

ε_sca=(σ_sca,measured-σ_sca,measured)/σ_sca,measured              (6)

ε_bksca=(σ_{bksca,measured}-σ_{bksca,measured})/σ_{bksca,measured}             (7)

得到分析理论实测值和计算值总相对偏差ε最小时所对应的N₁、σ₁、 D_pmod1、N₂、σ₂、D_pmod2值，总相对偏差ε如下式所示：

$ϵ=\sqrt{({ϵ}_{\mathrm{sca}}^2+{ϵ}_{\mathrm{bksca}}^2)/2}---\left(8\right)$

根据使总相对偏差具有最小值时所对应的N₁、σ₁、D_pmod1、N₂、σ₂、D_pmod2值来确定谱分布，即为实测气溶胶粒子的谱分布。

本发明测量原理为：

积分浊度计同时测量气溶胶粒子总散射系数和后向散射系数，两者含 有谱分 布的信息。总散射系数主要由气溶胶粒子谱分布中的较粗粒子(D_p≥0 .5μm)的散射贡献，通过匹配测量和计算的总散射系数可基本确定较 粗粒子部分的谱分布。而后向散射系数（后向散射比）主要由谱分布 中的较细粒子(D_p≤0.5μm)贡献，例如细粒子的瑞利散射的后向散射 比为0.5。通过匹配测量和计算的后向散射系数可基本确定较细粒子部 分的谱分布。同时匹配总散射系数和后向散射系数可基本确定气溶胶 粒子的谱分布。