CN109632716A - 一种沙尘气溶胶湍流通量测量系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沙尘气溶胶湍流通量测量系统及其测量方法。本发明在消光系数测量仪的发射器中采用白光光源，提高仪器的信噪比；并在光源前设置周期性转动的遮光器，相邻采样点的散射消光系数做差，从而消除外界噪声的散射消光系数；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，在强沙尘的条件下，得到沙尘气溶胶湍流通量；本发明提高了消光系数测量仪的采样频率，以达到计算湍流通量的要求，利用涡动相关法求出沙尘气溶胶湍流通量，首次解决了沙尘气溶胶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。
Description
技术领域
本发明属于空气污染气象学领域，具体涉及一种沙尘气溶胶湍流通量的测量系统及其测量方法。
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。沙尘质量浓度γ和沙尘探测系统输出电压值在一定条件下有一个正比例关系式。消光系数测量仪的发射器发射红外射线，接收器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、波文(Bowen)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。野外获取沙尘通量的方法主要分为两种：一种为应用基于莫宁-奥布霍夫(M-O)相似性的空气动力学方法计算垂直沙尘通量；另一种为通过野外观测获取水平跃移通量，根据垂直沙尘通量与水平跃移通量的关系，计算垂直沙尘通量。由于目前还没有直接获得沙尘气溶胶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沙尘气溶胶湍流通量。
发明内容
为了解决沙尘气溶胶湍流通量的直接获取问题，本发明提出了一种沙尘气溶胶湍流通量的测量系统及其测量方法。
本发明的一个目的在于提供一种沙尘气溶胶湍流通量的测量系统。
本发明的沙尘气溶胶湍流通量的测量系统包括：消光系数测量仪、沙尘测量仪和超声风温仪；其中，消光系数测量仪包括发射器和接收器，发射器的光源采用白光光源，在白光光源前安装周期转动的遮光器；提高消光系数测量仪的采样频率f，f为1～10HZ，遮光器的频率亦为f，即在一个采样点，光源没有被遮挡，在下一个采样点，光源被遮挡，分别得到不遮光的散射消光系数和遮光的散射消光系数，取二者的差，起到实时校准的目的，从而得到消除外界光源影响的高频的气溶胶的散射消光系数，然后得到瞬时的能见度脉动；通过沙尘测量仪得到沙尘气溶胶的质量浓度，依据沙尘气溶胶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沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′，结合超声风温仪测量得到垂直速度脉动w′，得到沙尘气溶胶湍流通量F。
遮光器连接至控制器，通过控制器控制遮光器转动的周期；控制器采用电磁阀。
本发明的一个目的在于提供一种沙尘气溶胶湍流通量的测量方法。
本发明的沙尘气溶胶湍流通量的测量方法，包括以下步骤：
1)发射器的光源采用白光光源，在白光光源前安装周期转动的遮光器，提高消光系数测量仪的采样频率f，遮光器的频率为f，即在一个采样点，光源被遮挡，下一个采样点，光源没有被遮挡，在第2i和第2i-1个采样点，分别得到不遮光的散射消光系数bspi1和遮光的散射消光系数bspi0，二者做差，得到高频的气溶胶的散射消光系数bspi＝bspi1-bspi0，i＝1，2，3，……，N/2，N为采样个数，为偶数，bspi为第2i个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bsp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)以气溶胶的散射消光系数作为大气总的消光系数，得到第2i个采样点的能见度vi：
vi＝3.912/bspi
得到第2i个采样点的能见度脉动 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Sb(n)和能见度谱Sv(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Sb(n)和Sv(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)沙尘测量仪测得沙尘气溶胶的质量浓度在一段时间的均值在强沙尘的条件下，沙尘气溶胶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均为一次强沙尘事件的拟合系数，根据上式通过非线性拟合得到拟合系数a和b；
8)通过真实的高频的能见度脉动V′得到沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′：
9)通过超声风温仪测量得到垂直速度脉动w′；
10)利用涡动相关法，通过沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′和垂直速度脉动w′，得到沙尘气溶胶湍流通量F：
其中，在步骤1)中，气溶胶的散射消光系数的采样频率f为1～10HZ。采样个数N与采样频率f有关，其范围为1200f～3600f。
在步骤7)中，强沙尘的条件下是指沙尘气溶胶(PM10)的质量浓度应该不低于200μgm-3，而为保证计算得到的沙尘气溶胶湍流通量的准确性，并且PM10的质量浓度应该不高于800μgm-3。
步骤2)、3)和7)中，一段时间为20～60min。
本发明的优点：
本发明在消光系数测量仪的发射器中采用白光光源，应用白光较强的光强，提高仪器的信噪比；并在光源前设置周期性转动的遮光器，相邻采样点分别得到不遮光的散射消光系数和遮光的散射消光系数，取二者的差，从而消除外界噪声的高频的气溶胶的散射消光系数；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，并在强沙尘的条件下，依据沙尘气溶胶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沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′，结合超声风温仪测量得到垂直速度脉动w′，得到沙尘气溶胶湍流通量F；本发明提高了消光系数测量仪的采样频率，以达到计算湍流通量的要求，由消光系数脉动反算沙尘气溶胶的质量浓度脉动，最后利用涡动相关法求出沙尘气溶胶湍流通量，首次解决了沙尘气溶胶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。
附图说明
图1为本发明的沙尘气溶胶湍流通量的测量方法的一个实施例得到的不同相对湿度RH下能见度与PM10浓度的关系图；
图2为本发明的沙尘气溶胶湍流通量的测量方法的一个实例得到的能见度和PM10浓度的关系图，其中，(a)为能见度和PM10浓度的时间序列图，(b)为分别在两个阶段的能见度和PM10质量浓度的曲线图；
图3为根据本发明的沙尘气溶胶湍流通量的测量方法的一个实例得到的沙尘气溶胶湍流通量的时间序列图；
图4为本发明的沙尘气溶胶湍流通量的测量方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
图1给出了不同相对湿度RH下能见度与PM10浓度的关系。
以2018年4月26日发生的一次典型的沙尘暴事件为例，此次沙尘暴事件发生在2018年4月26号，从上午10:00持续了6个半小时到15:30结束，如图2(a)所示。如图2(b)所示，此次沙尘过程中，能见度数值和PM10浓度存在非常好的非线性相关，尽管有两个明显的阶段，其中空心点(虚线)代表3m的沙尘气溶胶的质量浓度与沙尘气溶胶湍流通量均随时间增大的阶段；实心点(实线)代表着3m的沙尘气溶胶的质量浓度沙与尘气溶胶湍流通量均随时间增大而减小的阶段，但此阶段中沙尘通量数值一直大于0，表明此阶段沙尘仍在向上输送，也为起沙阶段。
根据图2(b)可以看出，针对科尔沁沙尘源区，为获得较为真实、准确的能见度数值，沙尘气溶胶(PM10)的质量浓度应该不低于200μgm-3，而为确保计算得到的PM10瞬时浓度值的准确性，PM10的质量浓度应该不高于800μgm-3。由于以上条件的限制，导致此方法仅适用于部分较强的跃移起沙事件。根据图2(b)的散点，可以根据拟合结果，分别得出两阶段的拟合系数a和b，并给出了拟合结果与实测的相关系数R，通过得到的拟合系数进而计算出整个起沙阶段的沙尘气溶胶湍流通量，起沙尘气溶胶湍流通量的时间序列如图3所示。
本实施例的沙尘气溶胶湍流通量的测量方法，包括以下步骤：
1)发射器的光源采用白光光源，在白光光源前安装周期转动的遮光器，提高消光系数测量仪的接收器的采样频率为2HZ，遮光器的频率为2HZ，即在一个采样点，光源被遮挡，下一个采样点，光源没有被遮挡，在第2i和第2i-1个采样点，分别得到不遮光的散射消光系数bspi1和遮光的散射消光系数bspi0，二者做差，得到高频的气溶胶的散射消光系数bspi＝bspi1-bspi0，i＝1，2，3，……，N/2，采样个数N为偶数，bspi为第2i个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bsp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30min的均值；
3)以气溶胶的散射消光系数作为大气总的消光系数，得到第2i个采样点的能见度vi：
vi＝3.912/bspi
得到第2i个采样点的能见度脉动 为能见度在30min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Sb(n)和能见度谱Sv(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Sb(n)和Sv(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)沙尘测量仪测得沙尘气溶胶的质量浓度在一段时间的均值在强沙尘的条件下，沙尘气溶胶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30min的均值，a和b均为一次强沙尘事件的拟合系数，根据上式通过非线性拟合得到拟合系数a和b；
8)通过真实的高频的能见度脉动V′得到沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′：
9)通过超声风温仪测量得到垂直速度脉动w′；
10)利用涡动相关法，通过沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′和垂直速度脉动w′，得到沙尘气溶胶湍流通量F：
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种沙尘气溶胶湍流通量的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括：消光系数测量仪、沙尘测量仪和超声风温仪；其中，消光系数测量仪包括发射器和接收器，发射器的光源采用白光光源，在白光光源前安装周期转动的遮光器；提高消光系数测量仪的采样频率f，f为1～10HZ，遮光器的频率亦为f，即在一个采样点，光源没有被遮挡，在下一个采样点，光源被遮挡，分别得到不遮光的散射消光系数和遮光的散射消光系数，取二者的差，起到实时校准的目的，从而得到消除外界光源影响的高频的气溶胶的散射消光系数，然后得到瞬时的能见度脉动；通过沙尘测量仪得到沙尘气溶胶的质量浓度，依据沙尘气溶胶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沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′，结合超声风温仪测量得到垂直速度脉动w′，得到沙尘气溶胶湍流通量F。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述遮光器连接至控制器，通过控制器控制遮光器转动的周期。
3.如权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述控制器采用电磁阀。
4.一种如权利要求1所述的沙尘气溶胶湍流通量系统的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：
1)发射器的光源采用白光光源，在白光光源前安装周期转动的遮光器，提高消光系数测量仪的采样频率f，遮光器的频率为f，即在一个采样点，光源被遮挡，下一个采样点，光源没有被遮挡，在第2i和第2i-1个采样点，分别得到不遮光的散射消光系数bspi1和遮光的散射消光系数bspi0，二者做差，得到高频的气溶胶的散射消光系数bspi＝bspi1-bspi0，i＝1，2，3，……，N/2，N为采样个数，为偶数，bspi为第2i个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bsp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)以气溶胶的散射消光系数作为大气总的消光系数，得到第2i个采样点的能见度vi：
vi＝3.912/bspi
得到第2i个采样点的能见度脉动 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Sb(n)和能见度谱Sv(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Sb(n)和Sv(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)沙尘测量仪测得沙尘气溶胶的质量浓度在一段时间的均值在强沙尘的条件下，沙尘气溶胶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均为一次强沙尘事件的拟合系数，根据上式通过非线性拟合得到拟合系数a和b；
8)通过真实的高频的能见度脉动V′得到沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′：
9)通过超声风温仪测量得到垂直速度脉动w′；
10)利用涡动相关法，通过沙尘气溶胶的质量浓度脉动C′和垂直速度脉动w′，得到沙尘气溶胶湍流通量F：
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在步骤1)中，气溶胶的散射消光系数的采样频率f为1～10HZ。
6.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，采样个数N与采样频率f有关，其范围为1200f～3600f。
7.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，在步骤7)中，强沙尘的条件下是指沙尘气溶胶PM10的质量浓度不低于200μgm-3，并且PM10的质量浓度不高于800μgm-3。
8.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，步骤2)、3)和7)中，一段时间为20～60min。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20190416 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |