一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法

摘要

本发明公开了一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，包括如下步骤：通过黑碳仪测量获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的光衰减量ATNn,i(λ)，计算获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的黑碳仪吸光系数bATN,n,i(λ)；通过遮蔽校正参数和散射校正参数，对测量得到的上述黑碳仪吸光系数bATN,n,i(λ)进行校正，得到对应于λ波段的第n个周期下的校正后的吸光系数bcor,n,i(λ)。本发明的校正方法引入了两个不依赖于额外的“标准”设备的校正参数，因而无需依赖额外的校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及环保领域的大气参数的测量，尤其涉及利用黑碳仪测量气溶胶吸光系数的方法，特别涉及一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法。

背景技术

大气气溶胶对地球能量收支具有很重要的影响。根据第五次政府间气候变化委员会气候变化评估报告，气溶胶总体的辐射强迫为-0.9Wm

目前，测量气溶胶吸光系数的方法一般有两种，一种是利用光声光谱仪直接测量气溶胶得到原位吸光系数b

黑碳仪通过将空气中的气溶胶颗粒物收集在石英纤维滤带上，每间隔几分钟测定七个波段下透过一个点位的激光强度的光衰减量ATN。当光衰减量ATN达到某个设定值时，黑碳仪会自动进带，更换一段新的石英纤维滤带，并重新开始在这一段新的石英纤维滤带上测量光衰减量ATN。这样周而复始，可以自动完成对空气中的光衰减量ATN的测量，最后可以换算得出对应于七个波段的黑碳仪吸光系数b

通常情况下，黑碳仪吸光系数的计算公式如下：

式中：b

图1显示的是现有技术通过黑碳仪测量气溶胶吸光系数的原理示意图。图中示意性显示有n个周期的370nm下的测量数据(图中显示有两个周期，即n＝1或n＝2)。图形中的方形点显示的数据是通过黑碳仪每间隔5分钟测量得到光衰减量ATN

由于直接测量得到的原位吸光系数b

为了解决黑碳仪测量气溶胶吸光系数的准确度缺陷，现有技术提出了一些校正方法(参见附录参考文献1-6)。这些现有技术的校正方法的基本手段是将黑碳仪与一台“标准”原位吸光系数b

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，以减少或避免前面所提到的问题。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，所述黑碳仪可以测量获得波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm的气溶胶数据，所述校正方法包括如下步骤：

首先，通过黑碳仪测量获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的光衰减量ATN

其次，通过如下公式(1)，对测量得到的上述黑碳仪吸光系数b

其中，R

进一步地，所述遮蔽校正参数R

式中，f

再进一步地，不同波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm所对应的散射校正参数CC

CC

CC

CC

CC

CC

CC

CC

其中，α

通过对公式(12)进行数学变换，可以得到如下变形公式(13)：

式中，K为常数项；将周期n下的每一次测量得到的七个波段λ对应的七组R

本发明的校正方法引入了两个不依赖于额外的“标准”设备的校正参数，仅需通过黑碳仪自身数据获取两个校正参数，不需要借助其他参照设备。两个校正参数可以根据气溶胶的变化进行相应的调整，持续动态变化。使用时可以使用当地气溶胶的性质获得与之对应的两个动态的校正参数，经检验，校正后的吸光系数与真实数据高度重合，精度极高，完全可以做到用廉价易用的黑碳仪替代操作复杂、难以维护、价格高昂的单波段的校准设备的技术效果。

另外，由于本发明的校正方法可以不依赖于额外的标准校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中，

图1显示的是现有技术通过黑碳仪测量气溶胶吸光系数的原理示意图；

图2显示的是本发明的黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法的流程框图；

图3显示的是本发明的校正方法的原理示意图；

图4a～4g分别显示的是本发明的校正方法在不同光谱波段下的结果示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。其中，相同的部件采用相同的标号。

正如背景技术所述，现有技术利用黑碳仪测量气溶胶吸光系数的精度不高。例如，在图1所示的原理示意图中，作为标准参照的原位吸光系数b

分析认为之所以会有差异和跳跃，主要受到了两类因素的影响：其一是散射效应，包括滤膜纤维对光的多重散射效应以及颗粒物自身的散射效应。散射效应使得激光信号在透过气溶胶和滤膜时发生散射，虽然激光没有被气溶胶吸收，但由于黑碳仪测量的是激光的衰减信号，因此被黑碳仪误认为判定为吸收。图1的黑碳仪吸光系数b

考虑到散射效应和遮蔽效应双重影响，本发明提供了如下一种校正方法，分别针对这两种效应提供一个校正参数。与现有技术需要额外的“标准”设备提供“标准”校正数据不同，本发明提供的这两个校正参数与其它设备的校正数据无关，仅与黑碳仪的原始测量数据相关。

具体来说，现有技术为了校正黑碳仪吸光系数，需要先用一台准确度较高的设备(例如光声光谱仪)测量获得一组“标准”校正数据，然后通过各种算法用这个“标准”校正数据与黑碳仪的测量数据去“凑”出来一个校正公式。当环境条件发生变化的时候，例如气溶胶类型发生变化的时候，这种“凑”出来的校正公式就会不准，需要重新校正“凑”出来一个新的校正公式。从科学研究的角度，每次测量的环境条件或多或少都会发生变化，但是实际应用的时候不可能做到每次测量都校准(这样做也没有意义，还不如直接用标准设备测量)，因而只能用一套固定的校正公式多次测量，除非环境条件发生显著变化，否则会把这套校准方案一直用下去。可以想象，现有技术的这种方法的准确度是相对较差而且缺乏灵活性的，很难广泛扩展应用。

基于此，本发明提供了一种黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，所述黑碳仪可以测量获得波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm的气溶胶数据。本发明的校正方法，在原始的黑碳仪吸光系数的基础上，提供了两个分别针对散射效应和遮蔽效应的校正参数，这两个校正参数不依赖于额外的“标准”设备的“标准”校正数据，仅以黑碳仪本身的测量数据为基础求解得出，因而本发明的方法无需依赖额外的校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。

图2显示了本发明的黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法的流程框图，如图2所示，本发明的黑碳仪测量气溶胶吸光系数的校正方法，包括如下步骤：

首先，通过黑碳仪测量获得对应于λ波段的第n个周期下的、第i次测量的光衰减量ATN

该步骤与背景技术介绍的通过黑碳仪测量和计算获得吸光系数的方法相同。例如，如图1所示，显示了两个周期，每个周期内，每间隔5分钟测量一次光光衰减量。在每个周期内，针对七个波段，例如波长λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm的七个波段，都可以分别获得对应于每个波段的多次测量的光衰减量ATN

同样的，式中：b

当然，上述步骤与现有技术利用黑碳仪获得黑碳仪吸光系数的方法相同。之前已经说明，这种方法获得的吸光系数并不准确，其与图1中作为参考的原位吸光系数b

其次，正如前述，为了解决黑碳仪测量不准的问题，本发明引入了两个校正参数，通过如下公式(1)，对测量得到的上述黑碳仪吸光系数b

其中，R

进一步地，所述遮蔽校正参数通过如下公式(2)-(4)计算获得：

式中，f

公式(2)中的遮蔽因子用于表示相邻周期前后两个吸光系数的比值，用于衡量换点前后的吸光系数的跳跃幅度。公式(3)将n周期前后5个遮蔽因子进行均值化处理，获得偏移中心5个步长的中心移动平均遮蔽因子。公式(4)利用获得的中心移动平均遮蔽因子与同一周期内的每一个光衰减量值与最后一个光衰减量值的斜率进行校正，将同一周期内的每一个吸光系数校正趋于同样大小，使得同一周期以及相邻周期的吸光系数能够与真实吸光系数一样，大致呈一条水平直线。从公式(2)-(4)可以看出，本发明的遮蔽校正参数利用的是黑碳仪自身获得的测量和计算数据，不需要用到其它设备进行校准。

当然，以上校正步骤，大体上是将黑碳仪吸光系数尽量拉直为大致水平的直线，但是仍然与真实的吸光系数存在一定的截距，该截距可以通过下述的散射校正参数进行进一步地校正。

再进一步地，不同波段λ分别为370、470、520、590、660、880、950nm所对应的散射校正参数CC

CC

CC

CC

CC

CC

CC

CC

其中，α

公式(5)-(11)是发明人研究发现的一组经验公式，本领域技术人员在公式(5)-(11)的基础上，只要能够通过黑碳仪数据计算获得其中的吸收波长指数，就可以求解获得所需的散射校正参数CC

由于散射效应与滤膜纤维和颗粒物自身相关，因而发明人认为与散射效应相关的散射校正参数CC

式中，K为常数项；α

对于周期n下的每一次(例如第i次)测量数据，都存在与七个波段λ对应的七组R

将通过以上步骤获得的不同波段λ所对应的第n个周期下的、第i次测量的遮蔽校正参数以及散射校正参数，分别代入公式(1)，即可获得每个周期每次测量后的校正后的吸光系数b

关于经验公式(5)-(11)，其获取过程是比较复杂的。事实上对本领域技术人员来说，公式(5)-(11)只要可以正常使用，并能获得精确的结果，则并不需要知道该公式是如何得到的。当然，由于公式(5)-(11)存在经验猜测的范畴，其基本原理发明人也无法准确判断，只是基于经验以及后续数据验证，发现公式(5)-(11)可以用于获得准确的校正结果，其合理性可以得到验证，因而具备实用性和创造性。

以下内容为发明人提供的获取上述公式(5)-(11)的过程，其中包含基于经验猜想得到的一些参数关系，经过验证这些关系存在合理性。

正如公式(1)所示，由于校正后的吸光系数b

其中，CC

由于诸如光声光谱仪之类的原位测量设备只能得到单一波段的原位吸光系数(例如本发明中使用的光声消光仪的激光波段为870nm)，因此需要将870nm处的原为吸光系数转换成对应于黑碳仪七个波段(370、470、520、590、660、880、950nm)下的原位吸光系数。根据颗粒物光学特性，原位吸光系数遵循波长指数定律，如公式(15)所示：

式(15)与式(12)本质上是同源的，其中K

以往的研究中，只能对公式(14)获得的散射校正参数CC

因此，可以针对每个波段λ，在散射校正参数CC

CC

CC

CC

CC

CC

CC

CC

其中，m

从公式(14)可以看出，本发明的散射校正参数似乎利用了原位吸光系数进行了校正，但是与本领域的惯常经验不同的是，通过后续公式(15)-(22)的变换之后进一步获得的公式(5)-(11)的结果，经检验显示是一组通用公式，是不需要二次校正的。这是因为公式(14)-(15)虽然可以得到一组散射校正参数CC

例如，作为原位吸光系数的构建获取，其原始数据采集于2016年12月16日至2017年1月19日(冬季)，而图4a～4g显示的验证结果示意图中，数据采集于2016年10月1日至31日(秋季)。两个季节的气溶胶化学组成和来源具有较大差异，具有非常明显的光学特征差异性。

也就是说，发明人用2016年冬季采集的数据，得到公式(5)-(11)，再将公式(5)-(11)应用到之前(2016年秋季)的数据，对其进行校正，通过图4a～4g的比对，发现校正后的吸光系数与原位吸光系数结果极其近似，表明公式(5)-(11)一经校正，其结果就具备了通用特性，在以后的气溶胶测量校正过程中，不再需要对公式(5)-(11)进行进一步的校准。而公式(5)-(11)中的α

图3显示的是本发明的校正方法的原理示意图，与图1类似，其同样以λ＝370nm下的测量数据为例进行说明。图3中，星形点表示的是校正后的吸光系数b

图4a～4g分别显示的是本发明的校正方法在不同光谱波段下的结果示意图。从七个不同波段λ校正后的吸光系数与原位吸光系数的拟合对比可见，每一个波段的校正结果均与原位吸光系数高度重合，二者的相关性极高，完全可以做到用廉价易用的黑碳仪替代操作复杂、难以维护、价格高昂的单波段的光声光谱仪的技术效果，而且由于本发明的校正不依赖于额外的标准校准设备，可以动态适用于不同环境条件的各种气溶胶吸光系数的测量，扩展了黑碳仪的应用范围。

本领域技术人员应当理解，虽然本发明是按照多个实施例的方式进行描述的，但是并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案。说明书中如此叙述仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体加以理解，并将各实施例中所涉及的技术方案看作是可以相互组合成不同实施例的方式来理解本发明的保护范围。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化、修改与结合，均应属于本发明保护的范围。

附录：参考文献。

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