使用太陽光度計測大氣霧霾

何 杰，董國波，李英姿，陳 彥，李 華

（北京航空航天大學a.能源與動力工程學院；b.物理科學與核能工程學院，北京100191）

1 引 言

隨著空氣狀況的惡化，我國不少地區把陰霾天氣作為一類災害性天氣預警預報，即“霧霾天氣”.大氣氣溶膠［1］是由大氣介質和混合于其中的固體或液體顆粒物組成的體系.由于它是大氣的重要組成部分，因此對大氣中的許多物理化學反應有重要的影響.霧霾天氣的產生就是受到大氣氣溶膠的影響，濃霧情況下，氣溶膠在逆溫層下累積，作為凝結核為霧霾天氣的形成提供了物質基礎.比如，氣溶膠會吸收和反射太陽輻射，從而影響到達地面的能量，反射太陽輻射可以降低氣溫，使能見度降低.大量氣溶膠聚集可能形成云滴聚集，還可能使云的維持時間增加，進而影響降水量.大氣氣溶膠極大地影響到地氣系統的能量平衡，從而對氣候變化有影響，并且具有定量霧霾的作用.

越來越嚴重的霧霾天氣已經嚴重影響到人們的日常生活和基本健康，在逐漸通過科技手段預防和根治霧霾、降低霧霾影響的同時，霧霾的測試手段，特別是簡易測試手段也越來越受到人們的關注.當前國際上已有衛星遙感儀器 MODIS［2］的全球氣溶膠遙感測量，同時還需要地面對大氣氣溶膠的直接測量，如全自動太陽光度計CE-318氣溶膠檢測儀器［3］，但是這些儀器具有價格昂貴、須精密維護、操作復雜以及不便移動等缺點，不能滿足民眾日常生活中對大氣霧霾的檢測.一些國產的太陽光度計DTF-3和DTF-5［4］是基于光電倍增管做成的，而國外的太陽光度計則多是基于硅光電二極管，這些儀器都是為了測量大氣氣溶膠光學厚度.本文設計出基于LED燈的簡單便攜式太陽光度計，測試大氣霧霾內大氣氣溶膠光學厚度，并以此分析大氣霧霾狀況.

2 實驗原理

為了測量大氣的霧霾量，需要測量大氣層外的光強和地面的光強值，大氣層外的光強為定值，因此僅需要測量出地面的光強即可得到相應的大氣霧霾量.此外，由于各種光的散射效應不同，為了實現更精確的測量，需要選取某一頻率的光進行地面光強的實際測量，此處利用綠色LED來檢測接收頻率為525nm的光子，此時LED會產生電流，LED兩端便產生了電壓值.LED作為電光元件，反過來利用其可逆特性經光照也會產生電流，實驗中通過設計電路來消除諸如重復性、光電響應等影響因素，同時也在計算式中消除了暗電流的影響，提高了其作為光敏元件的可靠性.為進一步分析霧霾量可以設計測量電路，利用運算放大器的放大作用放大電壓值，其測量電路如圖1所示，可以實現上述的實驗設想及地面光強的測量.

圖1 測量原理電路圖

首先，當特定波長的光照射LED燈時，LED會產生微弱電流信號，然后利用運算放大器，得到儀器輸出的電壓值V（表征接收的光強值），該電壓值可以根據式（1）求得：

式中M為大氣中所含氣團量，γ為氣溶膠光學厚度（aerosol optical depth，AOD），V0為太陽地外常量.V0的實際意義為儀器在大氣層外所測定的電壓值，其值可以通過Langley法計算求得［5］.氣團量M可表達為M＝1／sinθ（其中θ是太陽角度即太陽光入射到地面的夾角［6］，正午時太陽角度為90°），在大氣相對穩定的條件下，可認為γ為常量.進行不同太陽角度θ的太陽直射輻射強度的測量，氣團量M與光強值（電壓值）的自然對數呈線性關系.因此，由式（1）可以推出：

根據ln V與M 的關系作直線，截距就是由太陽光度計獲得的大氣外界太陽輻射強度的自然對數，即ln V0；直線的斜率就是γ.

AOD是用來定量霧霾的一個量，可以描述大氣霧霾狀況.要準確計算出其值γ，還需要考慮光度計的暗電壓并補償瑞利散射［6］和太陽角度加以修正：

式中，Vd是暗電壓（儀器不接受太陽輻射時的電壓），p是以mPa為單位的大氣壓值.8 660是在LED檢測波長（525nm）處的瑞利散射經驗常量［7］.

3 實驗與數據處理

選取非常晴朗的天氣進行數據測量，此時由于天氣晴朗，在短時間內可認為大氣氣溶膠光學厚度為定值.通過測量不同時刻的電壓值和氣團量值，根據Langley法作圖，如圖2所示.通過擬合測得的數據，可以得到氣團量M與光強值（電壓值）的自然對數近似呈線性關系，由此進一步計算地外常量V0及γ值.擬合結果分別為V0＝7.660V和γ＝1.43，其中所得V0也是儀器的電壓極限值M＝0處即大氣層外的電壓值.

圖2 氣團量M與電壓值的關系

為了測量并分析大氣中的霧霾量，測試小組在昌平區沙河地區進行了一系列數據采集工作（具體測量時間集中在2012年3月份）.在儀器測量過程中，記錄了在測量當日的天氣情況和中午12時所測的電壓值，并計算了AOD的值γ.同時在網絡上收集了每天北京昌平地區的二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物等空氣污染指數.選取不同天氣狀態下所測數據如表1所示.

表1 不同天氣狀態電壓V，γ及空氣污染指數

由表1可以看出，天氣越晴朗，電壓值越大.在大氣層外的電壓值為7.660V，也就是儀器的最大電壓值.電壓值越小，說明接收到的光信號越小，則光在大氣中損耗得越多，造成這些損耗的因素就是大氣霧霾，透過損耗的電壓差值，再補償瑞利散射和太陽角度，便可以計算AOD的值γ.γ越大，霧霾量越多，能見度越小.根據北京市環境監測部門給出的昌平當日環境監測數據可知，二氧化硫、二氧化氮及可吸入顆粒物的變化趨勢與儀器所測得氣溶膠光厚度數值變化趨勢相近，這些結果體現出了大氣氣溶膠光學厚度其實是被這些因素影響.空氣中的二氧化硫、二氧化氮以及可吸入顆粒物產生了大氣散射效應，使測試裝置的信號接收器接收到的太陽信號減弱.因此，研究大氣氣溶膠光學厚度間接反映出空氣中二氧化硫、二氧化氮及可吸入顆粒物的變化趨勢.

根據1個月的實驗監測，對所測數據進行分析計算，不難得到如下結論：一般γ小于2.5時，基本可以確定是晴朗的天氣；γ大于5時，可以確定是大霧天氣，大氣霧霾含量較多.詳細信息見表2.

表2 當天12：00的電壓V，γ值與天氣情況

表3是2012年3月24日上午不同時間所測的1組數據（其中V1為電壓差值），測試地點位于北京市昌平區的沙河地區，當天天氣晴朗.

表3 同一天不同時間所測數據

從表3中可以看出，越接近中午，太陽角度M越小，從而電壓V值越大.而氣溶膠光學厚度隨著接近中午而逐漸增大，說明這一段時間內大氣霧霾的質量濃度慢慢提高.從當天北京市環境監測局昌平鎮發布的數據來看，這一段時間空氣中的二氧化氮和二氧化硫等可吸入顆粒的質量濃度也逐漸升高，與2組數據相當吻合.另外可以看出大氣氣溶膠光學厚度的最大值為1.703，屬于晴朗范疇.此處，可以利用γ值來表征霧霾量，利用不同的γ值區間可以描述不同的霧霾情況，并可以據此給霧霾劃分等級，也可與現有的霧霾劃分方式關聯，這當然需要大量的數據支撐.由于受限于各種條件，根據本測試儀器，給出了上述定量的、規律性的結論.

4 結束語

針對人們越來越關注大氣霧霾的含量，以及測試大氣霧霾中存在的諸多不利因素，本文設計了便攜式太陽光度計，可以實現對于γ的測試，進一步可以分析大氣霧霾情況，所測數據和北京市環境監測局發布的數據規律一致，可以據此評估大氣霧霾情況.

［1］石廣玉，檀賽春.大氣氣溶膠及其氣候效應［J］.科學觀察，2007，2（5）：39-41.

［2］董海鷹，劉毅，管兆勇.MODIS遙感中國近海氣溶膠光學厚度的檢驗分析［J］.南京氣象學院學報，2007，30（3）：328-337.

［3］張曉春，車慧正，魏垚.CE-318型太陽光度計常見問題及其解決方法［J］.氣象科技，2010，38（1）：102-106.

［4］詹杰，譚錕，邵石生，等.便攜式自動太陽輻射計［J］.量子電子學報，2001，18（6）：552-555.

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