[发明专利]基于单颗粒偏光特性自适应进行沙尘颗粒物定量监测方法

说明书

本发明提供一种基于单颗粒偏光特性自适应进行沙尘颗粒物定量监测方法，包括：对所有颗粒物进行分档，将同一粒径段的颗粒物归到一档；根据第i个粒径档中每个颗粒物的退偏振比，计算得到第i个粒径档中颗粒物退偏振比的概率密度函数；利用双高斯函数对第i个粒径档中颗粒物退偏振比的概率密度函数进行自适应拟合，得到两个概率密度函数；根据两个高斯模态的概率密度函数的模态均值，判断为非沙尘颗粒或沙尘颗粒；得到PM_2.5中沙尘颗粒物质量浓度和PM₁₀中沙尘颗粒物的质量浓度。能够对大气中颗粒物的性质进行定量监测，准确快速的得到PM_2.5中沙尘颗粒物质量浓度和PM₁₀中沙尘颗粒物的质量浓度，满足大气环境监测日益精细化的需求。

技术领域

本发明属于大气环境监测技术领域，具体涉及一种基于单颗粒偏光特性自适应进行沙尘颗粒物定量监测方法。

背景技术

沙尘颗粒是一种重要的以自然来源为主的大气颗粒物，具有重要的环境和气候效应。特别是在我国北方地区，沙尘颗粒对空气污染物PM₁₀(粒径小于等于10μm的颗粒)和PM_2.5(粒径小于等于2.5μm的颗粒)都有重要的贡献。只有量化了PM₁₀和PM_2.5中沙尘的贡献，才能阐明人为排放对PM₁₀和PM_2.5的影响，进而采取科学的控制措施以减轻空气污染。沙尘颗粒中，粒径大于2.5μm的粗颗粒对于质量浓度贡献较大，因此受沙尘影响时，空气中PM₁₀质量浓度的增幅显著大于PM_2.5质量浓度。然而，虽然沙尘对细颗粒物质量浓度贡献较小，但由于细颗粒物的单颗粒质量远小于粗颗粒，因此细颗粒沙尘的数浓度远大于粗颗粒。人在呼吸时，粗颗粒物会被鼻部拦截，而细颗粒物可以抵达人的肺部，即细颗粒沙尘对人体健康危害更大。相对于粗颗粒沙尘，细颗粒沙尘有更大的数浓度和表面积体积比，可以阻挡更多的太阳辐射、产生更多的云凝结核(CCN)，即细颗粒沙尘具有更重要的气候效应。因此，为了更好的了解沙尘颗粒的环境和气候效应，不仅需要了解沙尘的总体浓度，更需要了解不同粒径沙尘粒子的浓度。

目前，在我国空气质量业务监测领域，还没有针对沙尘的专门监测，一个重要的原因是缺乏简便可靠的自动化监测仪器和方法。但在评估城市空气质量时，需要根据PM₁₀浓度以及PM_2.5与PM₁₀的比值，将受到沙尘影响的时间剔除(生态环境部，2017，http://www.mee.gov.cn/gkml/hbb/bgt/201701/t20170106_394054.htm)。然而直接将这些数据剔除后，不仅排除了沙尘的影响，也会使得对人为污染影响的评估产生偏差。为了更好的评估沙尘和人为源颗粒物对空气质量的影响，需要研发适用于业务监测的简便可靠的沙尘监测方法。

目前，在国际上大气环境研究领域，广泛采取的、较为准确的监测沙尘浓度的方法为X射线荧光光谱法测量颗粒物中沙尘标识元素(如硅、铝、铁等)的浓度，进而根据这些元素的浓度推断沙尘颗粒的总浓度。利用分级采样结合X射线荧光光谱法可以测量不同粒径段的沙尘浓度，X射线荧光光谱法的检测限受到颗粒物采样量的限制。因此该方法采样总级数有限，每一级粒径段包含的粒径范围较大，难以获得高时间和粒径谱分辨率的沙尘浓度监测。另外，分级采样结合X射线荧光光谱法难以实现自动化监测，运维的资金和人力成本太大。

沙尘颗粒除了粗颗粒占比大和特有标识元素等特性外，还有一个显著区别于人为污染物的重要的特性，即沙尘颗粒为非球形，而人为污染颗粒物主要为球形颗粒。非球形的颗粒具有与球形颗粒明显不同的偏光特性，即非球形颗粒具有较大的退偏振比，而球形颗粒退偏振比为零。该特性被广泛应用于偏振激光雷达对沙尘天气的定性识别。近年来，具有偏振特性检测功能的光学粒子计数器可以采集到的监测环境大气中的每个单颗粒的粒径和退偏振比，已经被成功应用于东亚地区对沙尘天气的定性识别。多年自动化运行表明，该仪器具有非常好的稳定性和可靠性，且简便易用，不需要大量的人工维护。