使用太阳光度计测大气雾霾

何 杰，董国波，李英姿，陈 彦，李 华

（北京航空航天大学a.能源与动力工程学院；b.物理科学与核能工程学院，北京100191）

1 引 言

随着空气状况的恶化，我国不少地区把阴霾天气作为一类灾害性天气预警预报，即“雾霾天气”.大气气溶胶［1］是由大气介质和混合于其中的固体或液体颗粒物组成的体系.由于它是大气的重要组成部分，因此对大气中的许多物理化学反应有重要的影响.雾霾天气的产生就是受到大气气溶胶的影响，浓雾情况下，气溶胶在逆温层下累积，作为凝结核为雾霾天气的形成提供了物质基础.比如，气溶胶会吸收和反射太阳辐射，从而影响到达地面的能量，反射太阳辐射可以降低气温，使能见度降低.大量气溶胶聚集可能形成云滴聚集，还可能使云的维持时间增加，进而影响降水量.大气气溶胶极大地影响到地气系统的能量平衡，从而对气候变化有影响，并且具有定量雾霾的作用.

越来越严重的雾霾天气已经严重影响到人们的日常生活和基本健康，在逐渐通过科技手段预防和根治雾霾、降低雾霾影响的同时，雾霾的测试手段，特别是简易测试手段也越来越受到人们的关注.当前国际上已有卫星遥感仪器 MODIS［2］的全球气溶胶遥感测量，同时还需要地面对大气气溶胶的直接测量，如全自动太阳光度计CE-318气溶胶检测仪器［3］，但是这些仪器具有价格昂贵、须精密维护、操作复杂以及不便移动等缺点，不能满足民众日常生活中对大气雾霾的检测.一些国产的太阳光度计DTF-3和DTF-5［4］是基于光电倍增管做成的，而国外的太阳光度计则多是基于硅光电二极管，这些仪器都是为了测量大气气溶胶光学厚度.本文设计出基于LED灯的简单便携式太阳光度计，测试大气雾霾内大气气溶胶光学厚度，并以此分析大气雾霾状况.

2 实验原理

为了测量大气的雾霾量，需要测量大气层外的光强和地面的光强值，大气层外的光强为定值，因此仅需要测量出地面的光强即可得到相应的大气雾霾量.此外，由于各种光的散射效应不同，为了实现更精确的测量，需要选取某一频率的光进行地面光强的实际测量，此处利用绿色LED来检测接收频率为525nm的光子，此时LED会产生电流，LED两端便产生了电压值.LED作为电光元件，反过来利用其可逆特性经光照也会产生电流，实验中通过设计电路来消除诸如重复性、光电响应等影响因素，同时也在计算式中消除了暗电流的影响，提高了其作为光敏元件的可靠性.为进一步分析雾霾量可以设计测量电路，利用运算放大器的放大作用放大电压值，其测量电路如图1所示，可以实现上述的实验设想及地面光强的测量.

图1 测量原理电路图

首先，当特定波长的光照射LED灯时，LED会产生微弱电流信号，然后利用运算放大器，得到仪器输出的电压值V（表征接收的光强值），该电压值可以根据式（1）求得：

式中M为大气中所含气团量，γ为气溶胶光学厚度（aerosol optical depth，AOD），V0为太阳地外常量.V0的实际意义为仪器在大气层外所测定的电压值，其值可以通过Langley法计算求得［5］.气团量M可表达为M＝1／sinθ（其中θ是太阳角度即太阳光入射到地面的夹角［6］，正午时太阳角度为90°），在大气相对稳定的条件下，可认为γ为常量.进行不同太阳角度θ的太阳直射辐射强度的测量，气团量M与光强值（电压值）的自然对数呈线性关系.因此，由式（1）可以推出：

根据ln V与M 的关系作直线，截距就是由太阳光度计获得的大气外界太阳辐射强度的自然对数，即ln V0；直线的斜率就是γ.

AOD是用来定量雾霾的一个量，可以描述大气雾霾状况.要准确计算出其值γ，还需要考虑光度计的暗电压并补偿瑞利散射［6］和太阳角度加以修正：

式中，Vd是暗电压（仪器不接受太阳辐射时的电压），p是以mPa为单位的大气压值.8 660是在LED检测波长（525nm）处的瑞利散射经验常量［7］.

3 实验与数据处理

选取非常晴朗的天气进行数据测量，此时由于天气晴朗，在短时间内可认为大气气溶胶光学厚度为定值.通过测量不同时刻的电压值和气团量值，根据Langley法作图，如图2所示.通过拟合测得的数据，可以得到气团量M与光强值（电压值）的自然对数近似呈线性关系，由此进一步计算地外常量V0及γ值.拟合结果分别为V0＝7.660V和γ＝1.43，其中所得V0也是仪器的电压极限值M＝0处即大气层外的电压值.

图2 气团量M与电压值的关系

为了测量并分析大气中的雾霾量，测试小组在昌平区沙河地区进行了一系列数据采集工作（具体测量时间集中在2012年3月份）.在仪器测量过程中，记录了在测量当日的天气情况和中午12时所测的电压值，并计算了AOD的值γ.同时在网络上收集了每天北京昌平地区的二氧化硫、二氧化氮、可吸入颗粒物等空气污染指数.选取不同天气状态下所测数据如表1所示.

表1 不同天气状态电压V，γ及空气污染指数

由表1可以看出，天气越晴朗，电压值越大.在大气层外的电压值为7.660V，也就是仪器的最大电压值.电压值越小，说明接收到的光信号越小，则光在大气中损耗得越多，造成这些损耗的因素就是大气雾霾，透过损耗的电压差值，再补偿瑞利散射和太阳角度，便可以计算AOD的值γ.γ越大，雾霾量越多，能见度越小.根据北京市环境监测部门给出的昌平当日环境监测数据可知，二氧化硫、二氧化氮及可吸入颗粒物的变化趋势与仪器所测得气溶胶光厚度数值变化趋势相近，这些结果体现出了大气气溶胶光学厚度其实是被这些因素影响.空气中的二氧化硫、二氧化氮以及可吸入颗粒物产生了大气散射效应，使测试装置的信号接收器接收到的太阳信号减弱.因此，研究大气气溶胶光学厚度间接反映出空气中二氧化硫、二氧化氮及可吸入颗粒物的变化趋势.

根据1个月的实验监测，对所测数据进行分析计算，不难得到如下结论：一般γ小于2.5时，基本可以确定是晴朗的天气；γ大于5时，可以确定是大雾天气，大气雾霾含量较多.详细信息见表2.

表2 当天12：00的电压V，γ值与天气情况

表3是2012年3月24日上午不同时间所测的1组数据（其中V1为电压差值），测试地点位于北京市昌平区的沙河地区，当天天气晴朗.

表3 同一天不同时间所测数据

从表3中可以看出，越接近中午，太阳角度M越小，从而电压V值越大.而气溶胶光学厚度随着接近中午而逐渐增大，说明这一段时间内大气雾霾的质量浓度慢慢提高.从当天北京市环境监测局昌平镇发布的数据来看，这一段时间空气中的二氧化氮和二氧化硫等可吸入颗粒的质量浓度也逐渐升高，与2组数据相当吻合.另外可以看出大气气溶胶光学厚度的最大值为1.703，属于晴朗范畴.此处，可以利用γ值来表征雾霾量，利用不同的γ值区间可以描述不同的雾霾情况，并可以据此给雾霾划分等级，也可与现有的雾霾划分方式关联，这当然需要大量的数据支撑.由于受限于各种条件，根据本测试仪器，给出了上述定量的、规律性的结论.

4 结束语

针对人们越来越关注大气雾霾的含量，以及测试大气雾霾中存在的诸多不利因素，本文设计了便携式太阳光度计，可以实现对于γ的测试，进一步可以分析大气雾霾情况，所测数据和北京市环境监测局发布的数据规律一致，可以据此评估大气雾霾情况.

［1］石广玉，檀赛春.大气气溶胶及其气候效应［J］.科学观察，2007，2（5）：39-41.

［2］董海鹰，刘毅，管兆勇.MODIS遥感中国近海气溶胶光学厚度的检验分析［J］.南京气象学院学报，2007，30（3）：328-337.

［3］张晓春，车慧正，魏垚.CE-318型太阳光度计常见问题及其解决方法［J］.气象科技，2010，38（1）：102-106.

［4］詹杰，谭锟，邵石生，等.便携式自动太阳辐射计［J］.量子电子学报，2001，18（6）：552-555.

［5］吴北婴.大气辐射传输实用算法［M］.北京：气象出版社，1999：14-15.

［6］盛裴轩.大气物理学［M］.北京：北京大学出版社，2008：93-99.

［7］王京丽，刘旭林.北京市大气细粒子质量浓度与能见度定量关系初探［J］.气象学报，2006，64（2）：221-227.