一種基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于大氣能見度與相對濕度觀測數(shù)據(jù)估算近地面可吸入顆粒物(PM10)濃度的方法，包括：S1：基于水平能見度觀測數(shù)據(jù)計算近地面氣溶膠散射系數(shù)；S2：基于近地面氣溶膠消光系數(shù)與PM10質(zhì)量濃度計算氣溶膠平均質(zhì)量散射效率；S3：根據(jù)季節(jié)、背景環(huán)境及氣象信息，建立氣溶膠平均質(zhì)量散射效率與相對濕度的相關(guān)模型；S4：利用S3所述相關(guān)模型，基于大氣能見度與相對濕度觀測數(shù)據(jù)估算PM10濃度。本發(fā)明通過基于大氣能見度、相對濕度等氣象數(shù)據(jù)估算近地面顆粒物污染水平，能有效補充顆粒物地面監(jiān)測站點的不足，拓展顆粒物濃度監(jiān)測的空間范圍。
【專利說明】一種基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大氣環(huán)境遙感監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種基于地面氣象觀測數(shù)據(jù)的近地面可吸入顆粒物(PMio)濃度估算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種主要的大氣污染物，氣溶膠對公共健康的影響已經(jīng)是公認的事實，直接威脅著人類生存與可持續(xù)發(fā)展。其中，可吸入顆粒物PMlO(空氣動力學(xué)直徑小于IOym的顆粒物)可達人體的支氣管區(qū)，粒徑小于5μπι的顆粒物可達到肺泡區(qū)，部分更小的粒子甚至可以通過毛細血管進入人體血液循環(huán)系統(tǒng)，對心臟及心血管造成較大危害。據(jù)《2006年中國環(huán)境狀況公報》統(tǒng)計，在我國監(jiān)測的557個城市中，43.4%的城市大氣質(zhì)量沒有達標(biāo)，顆粒物為主要污染物。
[0003]準(zhǔn)確獲取PMlO的時空分布、來源及傳輸路徑是衡量其污染影響，制定顆粒物防治政策的重要保障。當(dāng)前PMlO監(jiān)測主要依靠地面環(huán)境站點獲取，然而由于觀測設(shè)備一般昂貴且維護復(fù)雜，環(huán)境監(jiān)測站點分布不均且數(shù)量有限。而地面氣象站點相對于環(huán)境監(jiān)測站點而言，數(shù)量更大且空間分布較為均勻，如果基于經(jīng)驗方法由氣象站點觀測的數(shù)據(jù)估算周邊PMlO濃度，將有效補充環(huán)境監(jiān)測站點的數(shù)據(jù)不足。目前，大氣能見度和相對濕度已成為絕大部分氣象站點的基本觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)質(zhì)量較為可靠。更重要的是，氣象數(shù)據(jù)往往比環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)獲取的時間更長，可用于某地區(qū)顆粒物污染狀況的歷史數(shù)據(jù)分析。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是基于地面氣象站點觀測的大氣能見度及相對濕度數(shù)據(jù)，估算近地面可吸入顆粒物PMlO濃度，從而進一步拓展顆粒物監(jiān)測的空間覆蓋能力。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于地面氣象觀測數(shù)據(jù)的近地面可吸入顆粒物(PMlO)濃度估算方法，包括以下步驟:
[0006]S1、選擇建模站點:選擇處于同類環(huán)境中的、用于建模的地面氣象站點(具有能見度及相對濕度觀測數(shù)據(jù))和地面環(huán)境監(jiān)測站點(具有PMlO質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù))；
[0007]S2、計算散射系數(shù):基于所述地面氣象站點觀測的大氣能見度，依據(jù)已知經(jīng)驗關(guān)系，計算所述地面氣象站點處近地面氣溶膠散射系數(shù)(aerosol scatteringcoefficient)；
[0008]S3、計算平均質(zhì)量散射效率:基于步驟S2所述近地面氣溶膠散射系數(shù)與步驟SI中所述地面環(huán)境監(jiān)測站點觀測的PMlO質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，計算近地面氣溶膠平均質(zhì)量散射效率(aerosol average mass scattering efficiency)；
[0009]S4、擬合相關(guān)模型:根據(jù)目標(biāo)時間段不同氣溶膠類型，基于步驟S3所述氣溶膠平均質(zhì)量散射效率與Si中所述地面氣象站點獲取的相對濕度，按時間進行匹配，選取非線性經(jīng)驗函數(shù)擬合得到二者的相關(guān)模型；根據(jù)Mie散射理論，假定氣溶膠的化學(xué)組分與粒徑分布在一定時間內(nèi)變化不大，則氣溶膠平均質(zhì)量散射效率可近似看作相對濕度的函數(shù)；[0010]S5、估算PMlO濃度:利用步驟S4所述相關(guān)模型，基于與SI所述用于建模的地面氣象站點處于同類環(huán)境的另一地面氣象站點所觀測的大氣能見度與相對濕度數(shù)據(jù)，按不同氣溶膠類型估算所述另一地面氣象站點近地面PMlO質(zhì)量濃度。估算的過程是:
[0011]S51、基于所述另一地面氣象站點觀測的大氣能見度計算所述另一地面氣象站點處的近地面氣溶膠散射系數(shù)；
[0012]S52、根據(jù)氣溶膠來源類型選取目標(biāo)時間段所述相關(guān)模型，由所述另一地面氣象站點處觀測的相對濕度計算出所述另一地面氣象站點處近地面氣溶膠平均質(zhì)量散射效率；
[0013]S53、由所述另一地面氣象站點處近地面氣溶膠散射系數(shù)與所述另一地面氣象站點處氣溶膠平均質(zhì)量散射效率，計算所述另一地面氣象站點處PMlO質(zhì)量濃度。
[0014]優(yōu)選地，步驟S4所述不同氣溶膠類型，具體包括:根據(jù)地面站點所在區(qū)域的氣象條件與氣溶膠來源，將當(dāng)?shù)啬繕?biāo)時間段氣溶膠分為無機成分主導(dǎo)型和有機成分主導(dǎo)型兩種類型。
[0015]步驟SI和步驟S5所述同類環(huán)境，指城市或農(nóng)村中設(shè)定的距離范圍、或污染程度處于相同的量化范圍。
[0016]優(yōu)選地，在所述同類環(huán)境中，所述用于建模的地面氣象站點和地面環(huán)境監(jiān)測站點距離A小于所述用于建模的地面氣象站點和所述另一地面氣象站點之間的距離B。建模時PMlO觀測數(shù)據(jù)與能見度、相對濕度的觀測最好是在同一地點，或者二者相距越近越好；而在應(yīng)用這一模型估算另一地面氣象站點的PMlO時，該氣象站點只要與前述建模的站點環(huán)境背景相同且距離不要太遠即可
[0017]本發(fā)明通過基于大氣能見度、相對濕度等氣象數(shù)據(jù)估算近地面顆粒物污染水平，能有效補充顆粒物地面監(jiān)測站點的不足，拓展顆粒物濃度監(jiān)測的空間范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是按照本發(fā)明一種基于地面氣象觀測數(shù)據(jù)的近地面可吸入顆粒物(PMlO)濃度估算方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0020]圖1為按照本發(fā)明一種實施方式的基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物(PMlO)估算方法的流程圖，包括以下步驟:
[0021]步驟S1、選擇建模站點:選擇用于建模的地面氣象站點(具有能見度及相對濕度觀測數(shù)據(jù))和環(huán)境監(jiān)測站點(具有PMlO觀測數(shù)據(jù))，要求二者處于同類環(huán)境中。例如，滿足:1)直線距離較近(根據(jù)環(huán)境背景特點設(shè)定距離范圍A，如城市或高污染背景地區(qū)不超過5km，城郊或低污染背景地區(qū)不超過20km)，2) 二者背景環(huán)境相同(周邊環(huán)境或背景污染程度處于相同的量化范圍)，并具有一定代表性；
[0022]步驟S2、計算散射系數(shù):基于地面氣象站點觀測的大氣能見度，依據(jù)世界氣象組織(WMO)提出的經(jīng)驗關(guān)系，計算近地面的氣溶膠散射系數(shù)(aerosol scatteringcoefficient)；[0023]步驟S2具體包括:
[0024]S21、采用對比度閾值為0.05，由觀測的大氣能見度計算大氣總消光系數(shù)，如下式:
[0025]σ total (λ) =3.912/VIS 公式 I
[0026]其中，QtotalU)為大氣總消光系數(shù)，λ為消光系數(shù)對應(yīng)的波長，本說明中都取值為550nm，因此后文中λ不再標(biāo)出；VIS為大氣能見度觀測值(單位km)。
[0027]S22、基于經(jīng)驗公式和波長計算大氣分子消光系數(shù)，如下式:
【權(quán)利要求】
1.一種基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，包括以下步驟: 選擇處于同類環(huán)境中的、用于建模的地面氣象站點和地面環(huán)境監(jiān)測站點，所述用于建模的地面氣象站點具有能見度及相對濕度觀測數(shù)據(jù)，所述地面環(huán)境監(jiān)測站點具有PMio質(zhì)量濃度觀測數(shù)據(jù)； 基于所述地面氣象站點觀測的大氣能見度，依據(jù)已知經(jīng)驗關(guān)系，計算所述地面氣象站點處近地面氣溶膠散射系數(shù)； 基于所述近地面氣溶膠散射系數(shù)與所述地面環(huán)境監(jiān)測站點觀測的PMlO質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，計算近地面氣溶膠平均質(zhì)量散射效率； 根據(jù)目標(biāo)時間段不同氣溶膠類型，基于所述氣溶膠平均質(zhì)量散射效率與所述地面氣象站點獲取的相對濕度，按時間進行匹配，選取非線性經(jīng)驗函數(shù)擬合得到二者的相關(guān)模型； 利用所述相關(guān)模型，基于與所述用于建模的地面氣象站點處于同類環(huán)境的另一地面氣象站點所觀測的大氣能見度與相對濕度數(shù)據(jù)，按不同氣溶膠類型估算所述另一地面氣象站點近地面PMlO質(zhì)量濃度。
2.如權(quán)利要求1所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，所述同類環(huán)境，指城市或農(nóng)村中設(shè)定的距離范圍、或污染程度處于相同的量化范圍。
3.如權(quán)利要求1所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，在所述同類環(huán)境中，所述用于建模的地面氣象站點和地面環(huán)境檢測站點距離A小于所述用于建模的地面氣象站點和所述另一地面氣象站點之間的距離B。
4.如權(quán)利要求1所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，所述不同氣溶膠類型包括無機成分主導(dǎo)型和有機成分主導(dǎo)型兩種類型。
5.如權(quán)利要求1所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，所述估算另一地面氣象站點近地面PMlO質(zhì)量濃度的過程是: 551、基于所述另一地面氣象站點觀測的大氣能見度計算所述另一地面氣象站點處的近地面氣溶膠散射系數(shù)； 552、根據(jù)氣溶膠來源類型選取目標(biāo)時間段所述相關(guān)模型，由所述另一地面氣象站點處觀測的相對濕度計算出所述另一地面氣象站點處近地面氣溶膠平均質(zhì)量散射效率； 553、由所述另一地面氣象站點處近地面氣溶膠散射系數(shù)與所述另一地面氣象站點處氣溶膠平均質(zhì)量散射效率，計算所述另一地面氣象站點處PMlO質(zhì)量濃度。
6.如權(quán)利要求1~5任一項所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，所述經(jīng)驗關(guān)系包含如下過程: 由觀測的大氣能見度計算大氣總消光系數(shù):ot(rtal(X) =3.912/VIS，其中，σ (λ)為大氣總消光系數(shù)，λ為消光系數(shù)對應(yīng)的波長，VIS為大氣能見度； 計算大氣分子消光系數(shù):
7.如權(quán)利要求1~5任一項所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，計算所述平均質(zhì)量散射系數(shù)Ea，SMt的方法為:
8.如權(quán)利要求3所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，所述距離A在城市或高污染背景地區(qū)不超過5km、在城郊或低污染背景地區(qū)不超過20km ;所述距離B在城市或高污染背景地區(qū)不超過50km、在城郊或低污染背景地區(qū)不超過200km。
9.如權(quán)利要求4所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，在所述無機組分主導(dǎo)型氣溶膠類型條件下所述非線性經(jīng)驗函數(shù)為:
10.如權(quán)利要求8所述基于氣象觀測數(shù)據(jù)的可吸入顆粒物濃度估算方法，其特征在于，計算所述另一地面氣象站點處近地面氣溶膠散射系數(shù)的方法為:ΡΜ10’ = O1ascat/Ea，seat(RH’)，其中PM10’為估算的所述另一地面氣象站點處PMlO濃度，σ ’ a seat為該所述另一地面氣象站點處氣溶膠散射系數(shù)，RH’為近地面氣溶膠散射系數(shù)相對濕度。
【文檔編號】G06F19/00GK103942439SQ201410171151
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】王子峰, 陳良富, 陶金花, 陶明輝, 蘇林, 王中挺, 鄒明敏 申請人:中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所