[發明專利]一種沙塵氣溶膠湍流通量測量系統及其測量方法

在審

• 申請號: 201811587663.2
• 申請日: 2018-12-25
• 公開（公告）號: CN109632716A
• 公開（公告）日: 2019-04-16
• 發明（設計）人: 鞠婷婷;張宏昇;任燕;康凌;蔡旭輝;宋宇;高迎鵬;王鵬飛
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N21/47
• 分類號: G01N21/47
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種沙塵氣溶膠湍流通量測量系統及其測量方法。本發明在消光系數測量儀的發射器中采用白光光源，提高儀器的信噪比；并在光源前設置周期性轉動的遮光器，相鄰采樣點的散射消光系數做差，從而消除外界噪聲的散射消光系數；通過提高消光系數測量儀的采樣頻率，得到高頻的氣溶膠的散射消光系數，在強沙塵的條件下，得到沙塵氣溶膠湍流通量；本發明提高了消光系數測量儀的采樣頻率，以達到計算湍流通量的要求，利用渦動相關法求出沙塵氣溶膠湍流通量，首次解決了沙塵氣溶膠的質量濃度脈動及其湍流通量的獲取問題，為預報模式提供基礎；并且操作簡單，可實施性強，可與現有水熱通量觀測系統配套，也可單獨構成觀測系統，觀測數據處理成熟。

技術領域

本發明屬于空氣污染氣象學領域，具體涉及一種沙塵氣溶膠湍流通量的測量系統及其測量方法。

背景技術

大氣探測中，消光系數測量儀通過測量散射光強來得到消光系數，消光系數測量儀采用前向散射的原理設計的。沙塵質量濃度γ和沙塵探測系統輸出電壓值在一定條件下有一個正比例關系式。消光系數測量儀的發射器發射紅外射線，接收器測量采樣體積內的大氣的散射光強，通過散射光強來有效的計算消光系數。受測量精度的限制，消光系數測量儀不能獲得高頻采樣數據，采樣時間最快也僅僅達到1分鐘。但是，這樣的采樣頻率對于得到消光系數的高頻脈動和進行湍流分析及相應的湍流通量計算是遠遠不夠的。

現有技術中，用于湍流通量獲取的基本方法有：渦動相關法、波文(Bowen)能量平衡法和空氣動力學方法。其中，渦動相關法符合湍流通量的原始定義，原理嚴謹，簡單直接。但需要高精度、響應速度極快的湍流脈動傳感器。野外獲取沙塵通量的方法主要分為兩種：一種為應用基于莫寧-奧布霍夫(M-O)相似性的空氣動力學方法計算垂直沙塵通量；另一種為通過野外觀測獲取水平躍移通量，根據垂直沙塵通量與水平躍移通量的關系，計算垂直沙塵通量。由于目前還沒有直接獲得沙塵氣溶膠的質量濃度高頻數據的儀器，所以就無法利用渦動相關法計算沙塵氣溶膠湍流通量。

發明內容

為了解決沙塵氣溶膠湍流通量的直接獲取問題，本發明提出了一種沙塵氣溶膠湍流通量的測量系統及其測量方法。

本發明的一個目的在于提供一種沙塵氣溶膠湍流通量的測量系統。

本發明的沙塵氣溶膠湍流通量的測量系統包括：消光系數測量儀、沙塵測量儀和超聲風溫儀；其中，消光系數測量儀包括發射器和接收器，發射器的光源采用白光光源，在白光光源前安裝周期轉動的遮光器；提高消光系數測量儀的采樣頻率f，f為1～10HZ，遮光器的頻率亦為f，即在一個采樣點，光源沒有被遮擋，在下一個采樣點，光源被遮擋，分別得到不遮光的散射消光系數和遮光的散射消光系數，取二者的差，起到實時校準的目的，從而得到消除外界光源影響的高頻的氣溶膠的散射消光系數，然后得到瞬時的能見度脈動；通過沙塵測量儀得到沙塵氣溶膠的質量濃度，依據沙塵氣溶膠的質量濃度與能見度之間存在近似的冪指數關系，利用瞬時的能見度脈動得到沙塵氣溶膠的質量濃度脈動C′，結合超聲風溫儀測量得到垂直速度脈動w′，得到沙塵氣溶膠湍流通量F。

遮光器連接至控制器，通過控制器控制遮光器轉動的周期；控制器采用電磁閥。

本發明的一個目的在于提供一種沙塵氣溶膠湍流通量的測量方法。

本發明的沙塵氣溶膠湍流通量的測量方法，包括以下步驟：

1)發射器的光源采用白光光源，在白光光源前安裝周期轉動的遮光器，提高消光系數測量儀的采樣頻率f，遮光器的頻率為f，即在一個采樣點，光源被遮擋，下一個采樣點，光源沒有被遮擋，在第2i和第2i-1個采樣點，分別得到不遮光的散射消光系數b_spi1和遮光的散射消光系數b_spi0，二者做差，得到高頻的氣溶膠的散射消光系數b_spi＝b_spi1-b_spi0，i＝1，2，3，……，N/2，N為采樣個數，為偶數，b_spi為第2i個采樣點的氣溶膠的散射消光系數；