淺談PM2.5與其監(jiān)測ppt課件

1、PM2.5Page 2PM2.5n PM是英文particulate matter（顆粒物）的首字母縮寫。PM2.5俗稱的細(xì)顆粒物是對空氣中直徑小于或等于2.5um的固體顆?；蛞旱蔚目偡Q。這些顆粒如此細(xì)小，肉眼是看不到的，它們可以在空氣中漂浮數(shù)天。人類纖細(xì)的頭發(fā)直徑大約是70um，這就比最大的PM2.5還大了近三十倍。Page 3PM2.5對健康的危害n PM2.5主要對呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)造成傷害，包括呼吸道受刺激、咳嗽、呼吸困難、降低肺功能、加重哮喘、導(dǎo)致慢性支氣管炎、心律失常、非致命性的心臟病、心肺病患者的過早死，老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。n 關(guān)于PM2.5死

2、亡風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)源自2002年發(fā)表于美國醫(yī)學(xué)會(huì)雜志的一篇基于長達(dá)16年的隨訪數(shù)據(jù)的論文。上面指出如果空氣中PM2.5的濃度長期高于10微克/立方米，死亡風(fēng)險(xiǎn)就開始上升。濃度每增加10微克/立方米，總的死亡風(fēng)險(xiǎn)就上升4%，得心肺疾病的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升6%，得肺癌的死亡風(fēng)險(xiǎn)上升8%。這意味拿吸煙做個(gè)比較。吸煙可使男性得肺癌死亡的風(fēng)險(xiǎn)上升21倍（也就是上升2100%），女性的風(fēng)險(xiǎn)上升11倍（1100%）；使中年人得心臟病死亡的風(fēng)險(xiǎn)上升2倍（200%）。和吸煙一比，PM2.5的危害就顯得非常小了。如果吸煙都沒有讓你感到恐懼，那你就不用擔(dān)心眼下PM2.5超標(biāo)對健康的影響了。Page 4n 美國國家航空航天局（N

3、ASA）2010年9月公布了一張全球空氣質(zhì)量地圖，專門展示世界各地PM2.5的密度。地圖由加拿大達(dá)爾豪斯大學(xué)的兩位研究人員制作。他們根據(jù)NASA的兩臺衛(wèi)星監(jiān)測儀的監(jiān)測結(jié)果，繪制了一張顯示出2001年至2006年P(guān)M 2.5平均值的地圖。 在這張圖上紅色（即PM2.5密度最高)，出現(xiàn)在北非、東亞和中國。中國華北、華東和華中PM2.5的密度，指數(shù)甚至接近每立方米80微克，甚至超過了撒哈拉沙漠。在這張2001-2006年間平均全球空氣污染形勢圖上，全球PM2.5最高的地區(qū)在北非和中國的華北、華東、華中全部。 全球分布Page 5PM2.5的監(jiān)測 目前，各國環(huán)保部門廣泛采用的PM2.5測定方法有三種：

4、重量法、射線吸收法和微量振蕩天平法。這三種方法的第一步是一樣的需要把PM2.5與較大的顆粒物分離，區(qū)別在于測定分離出來的PM2.5的重量。 將PM2.5直接截留到濾膜上，然后用天平稱重，這就是重量法。值得一提的是，濾膜并不能把所有的PM2.5都收集到，一些極細(xì)小的顆粒還是能穿過濾膜。只要濾膜對于0.3um以上的顆粒有大于99%的截留效率，就算是合格的。損失部分極細(xì)小的顆粒物對結(jié)果影響并不大，因?yàn)槟遣糠诸w粒對PM2.5的重量貢獻(xiàn)很小。Page 6環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法n 重量法：是最直接、最可靠的方法，是驗(yàn)證其它方法是否準(zhǔn)確的標(biāo)桿。n 對于PM2.5的采樣器來說，2.5um是

5、一個(gè)踩在邊線上的尺寸。直徑恰好為2.5um的顆粒有50%的概率能通過采樣器。大于2.5um的顆粒并非全被截留，而小于2.5um的顆粒也不是全都能通過。例如，按照環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測定 重量法的要求，3.0um以上顆粒的通過率需小于16%，而2.1um以下顆粒的通過率要大于84%。Page 7n 將PM2.5分離出來的采樣器在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過時(shí)，那些較大的顆粒被截留，PM2.5則能絕大部分隨著空氣順利通過。n 這和發(fā)生在我們呼吸道里的情形是非常相似的：大顆粒易被鼻腔、咽喉、氣管截留，所以細(xì)顆粒則更容易到達(dá)肺的深處，從而產(chǎn)生更大的健康風(fēng)險(xiǎn)。Page 8采樣器Page

6、 9EPA認(rèn)證測定方法n 重量法需人工稱重，程序繁瑣費(fèi)時(shí)。如果要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測，就需要用到另外兩種方法。射線吸收法：將PM2.5收集到濾紙上，然后照射一束beta射線，射線穿過濾紙和顆粒物時(shí)由于被散射而衰減，衰減的程度和PM2.5的重量成正比。根據(jù)射線的衰減就可以計(jì)算出PM2.5的重量。美國大使館那臺知名度很高的儀器依據(jù)的就是此原理。n 微量振蕩天平法：一頭粗一頭細(xì)的空心玻璃管，粗頭固定，細(xì)頭裝有濾芯。空氣從粗頭進(jìn)，細(xì)頭出，PM2.5就被截留在濾芯上。在電場的作用下，細(xì)頭以一定頻率振蕩，該頻率和細(xì)頭重量的平方根成反比。于是，根據(jù)振蕩頻率的變化，就可以算出收集到的PM2.5的重量。Page 10P

7、M2.5與能見度n 雖然空氣中不同大小的顆粒物均能降低能見度，不過相比于粗顆粒物，更為細(xì)小的PM2.5降低能見度的能力更強(qiáng)。能見度的降低其本質(zhì)上是可見光的傳播受到阻礙。當(dāng)顆粒物的直徑和可見光的波長接近的時(shí)候，顆粒對光的散射消光能力最強(qiáng)?？梢姽獾牟ㄩL在0.4-0.7微米之間，而粒徑在這個(gè)尺寸附近的顆粒物正是PM2.5的主要組成部分。理論計(jì)算的數(shù)據(jù)也清楚地表明這一點(diǎn)：粗顆粒的消光系數(shù)約為0.6平方米/克，而PM2.5的消光系數(shù)則要大得多，在1.25-10平方米/克之間，其中PM2.5的主要成分硫酸銨、硝酸銨和有機(jī)顆粒物的消光系數(shù)都在3左右，是粗顆粒的5倍。所以，PM2.5是灰霾天能見度降低的主要原

8、因。Page 11Page 12利用能見度來測定PM2.5n 大氣能見度的好壞是受大氣對太陽光的散射和吸收的消光效應(yīng)制約的。能見度降低的主要原因有兩個(gè)：一是物體和背景兩者之間的對比度減少,二是由于細(xì)粒子和氣態(tài)污染物對光的吸收和散射，使來自物體的光信號減弱。n 通常光衰減的范圍是用bext/m測量和表示的（用530nm或550nm作為可見光區(qū)的基準(zhǔn)波長）。例如，bext = a 110-4/m 表示光移動(dòng)距離每1米，光信號的衰減a 0.01%。由于可見距離Vd（m）通常規(guī)定是當(dāng)來自物體輻射只剩2%時(shí)的距離，因此，Vd可以由下式計(jì)算：n Vd=3.91/ bext Page 13根據(jù)光學(xué)原理得出光

9、的衰減，消光系數(shù)bext的構(gòu)成通常用下式表示： bext =bsp +bsw +bsg +bap +bag 式中：n bsp是由細(xì)粒子對光的散射構(gòu)成的（通常在城市環(huán)境中是光衰減的最大成份，并且與氣溶膠細(xì)粒子物質(zhì)有高相關(guān)）；n bsw是由空氣濕度引起的光散射（發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對濕度高出70%時(shí)變得很重要）;n bsg是清潔空氣產(chǎn)生的瑞利散射（在海平面它是0.1310-4/ m）;n bap是由細(xì)粒子產(chǎn)生的光的吸收(通常是光衰減的第二大因素,并且主要是煙灰(煤煙)粒子);n bag主要是NO2氣體對光的吸收。bag（10- 4/ m）已經(jīng)發(fā)現(xiàn)與NO2濃度（ppm）有關(guān) bag =3 .3NO2 n 原則上

10、，只要給出了空氣中粒子的粒徑分布和化學(xué)成份的詳細(xì)資料，氣溶膠對能見度的影響就可以預(yù)測Page 14激光雷達(dá)探測氣溶膠n 用于探測大氣氣溶膠和云的激光雷達(dá)技術(shù)主要是米散射探測技術(shù)，使用這種技術(shù)的激光雷達(dá) 被稱為米散射激光雷達(dá)。n 以激光為光源（激光波長一般為um量級），探測激光與大氣氣溶膠相互作用的后向散射回波信號，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)反演方法從回波信號中獲得氣溶膠后向散射和消光特性。利用偏振探測原理獲取的氣溶膠消偏振特性用于分析氣溶膠的形狀因子，從而區(qū)分沙塵暴和其它氣溶膠粒子。n 利用光散射儀測定PM2.5，至少有30-40%的不確定性，但是此方法相比前3種方法無需進(jìn)行顆粒分離，全天時(shí)全高程即時(shí)迅速

11、。Page 15n Mie散射的特點(diǎn)是散射粒子的尺寸與入射激光波長相近或比入射激 光波長更大，其散射光波長和入射光相同，散射過程中沒有光能量的交換，是彈性散射。相 對其他的光散射機(jī)制而言，Mie散射的散射截面最高，因此Mie散射激光雷達(dá)的回波信號通常 較強(qiáng)。當(dāng)一個(gè)激光脈沖發(fā)射到大氣中時(shí)，在傳播路徑上激光脈沖被大氣氣溶膠粒子和云粒子 散射和消光，不同高度(距離)的后向散射光的強(qiáng)弱與此高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒 子的散射特性有關(guān)，其后向散射光可由激光雷達(dá)探測到，通過求解米散射激光雷達(dá)方程就能 夠反演相對應(yīng)高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的消光系數(shù)。Page 16Raman_Mie激光雷

12、達(dá)測量對流層大氣氣溶膠光學(xué)特性Page 17信號處理n 國內(nèi)廣州蘭州等地利用激光雷達(dá)對大氣垂直分布進(jìn)行檢測分析，并探討求解方法。對Mie散射激光雷達(dá)而言,常用的求解方法有Collis斜率法、Fernald方法以及Klett方法。n Collis方法很簡單，但該方法應(yīng)用的前提條件是大氣均勻分布，在實(shí)際大氣中，氣溶膠與云、霧等分布經(jīng)常出現(xiàn)較大的變化，大氣并不是均勻分布的。Klett在Collis的斜率法的工作基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步假設(shè)后向散射系數(shù)與消光系數(shù)存在一指數(shù)變化關(guān)系。該方法幾經(jīng)研究改進(jìn)以后，成為廣泛應(yīng)用的比較成功的算法。第三種方法是Fernald方法，是國內(nèi)相關(guān)學(xué)者普遍采用的算法。Fernald

13、將大氣看成2部分:空氣分子與氣溶膠，認(rèn)為大氣消光系數(shù)(或后向散射系數(shù))是空氣分子的消光系數(shù)(或后向散射系數(shù))與氣溶膠消光系數(shù)(或后向散射系數(shù))的和，F(xiàn)ernald就是在此基礎(chǔ)之上給出了Mie散射激光雷達(dá)方程的解，但應(yīng)用Fernald方法來求解激光雷達(dá)方程時(shí),氣溶膠消光后向散射比是重要的誤差產(chǎn)生源。依賴于氣溶膠粒子的尺度譜分布與折射指數(shù),其變化范圍很廣，很難精確確定其垂直分布廓線。好在有很多學(xué)者在確定的領(lǐng)域做了不少研究工作，該方法也成為普遍采用的算法。Page 18存在問題n Mie散射激光雷達(dá)主要用于探測30km以下低空大氣中氣溶膠和云霧的輻射特性，可以監(jiān)測此高度內(nèi)的PM2.5剖面濃度n 空氣中的顆粒物濃度越高，對光的散