淺談PM2.5與其監(jiān)測(cè)ppt課件

1、PM2.5,PM2.5,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(duì)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。,PM2.5對(duì)健康的危害,PM2.5主要對(duì)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(guò)早死，老人、小孩以及心肺疾病患者是PM2.5污染的敏感人群。 關(guān)于PM2.5死亡風(fēng)險(xiǎn)的數(shù)據(jù)源自2002年

2、發(fā)表于美國(guó)醫(yī)學(xué)會(huì)雜志的一篇基于長(zhǎng)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(zhǎng)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(duì)健康的影響了。,美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）2010年9月公布了一張全球空氣

3、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(tái)衛(wèi)星監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)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(guó)。中國(guó)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(guò)了撒哈拉沙漠。在這張2001-2006年間平均全球空氣污染形勢(shì)圖上，全球PM2.5最高的地區(qū)在北非和中國(guó)的華北、華東、華中全部。,全球分布,PM2.5的監(jiān)測(cè),目前，各國(guó)環(huán)保部門廣泛采用的PM2.5測(cè)定方法有三種：重量法、射線吸收法和微量振蕩天平法。這三種方法的第

4、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(cè)定分離出來(lái)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(guò)濾膜。只要濾膜對(duì)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(duì)結(jié)果影響并不大，因?yàn)槟遣糠诸w粒對(duì)PM2.5的重量貢獻(xiàn)很小。,環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定 重量法,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。 對(duì)于PM2.5的采樣器來(lái)說(shuō)，2.5um是一個(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

5、通過(guò)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(guò)。例如，按照環(huán)境空氣PM10和PM2.5的測(cè)定 重量法的要求，3.0um以上顆粒的通過(guò)率需小于16%，而2.1um以下顆粒的通過(guò)率要大于84%。,將PM2.5分離出來(lái)的采樣器在抽氣泵的作用下，空氣以一定的流速流過(guò)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(guò)。 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)。,采樣器,EPA認(rèn)證測(cè)定方法,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(cè)，就需要用到另外兩種方法。

6、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(guò)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(guó)大使館那臺(tái)知名度很高的儀器依據(jù)的就是此原理。 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?？諝鈴拇诸^進(jìn)，細(xì)頭出，PM2.5就被截留在濾芯上。在電場(chǎng)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。,PM2.5與能見度,雖然空氣中不同大小的顆粒物均能降低能見度，不過(guò)相比于粗顆粒物，更為細(xì)小的PM2.5降低能見度的能力

7、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(zhǎng)接近的時(shí)候，顆粒對(duì)光的散射消光能力最強(qiáng)?？梢姽獾牟ㄩL(zhǎng)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因。,利用能見度來(lái)測(cè)定PM2.5,大氣能見度的好壞是受大氣對(duì)太陽(yáng)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

8、兩個(gè)：一是物體和背景兩者之間的對(duì)比度減少,二是由于細(xì)粒子和氣態(tài)污染物對(duì)光的吸收和散射，使來(lái)自物體的光信號(hào)減弱。 通常光衰減的范圍是用bext/m測(cè)量和表示的（用530nm或550nm作為可見光區(qū)的基準(zhǔn)波長(zhǎng)）。例如，bext = a 110-4/m 表示光移動(dòng)距離每1米，光信號(hào)的衰減a 0.01%。由于可見距離Vd（m）通常規(guī)定是當(dāng)來(lái)自物體輻射只剩2%時(shí)的距離，因此，Vd可以由下式計(jì)算： Vd=3.91/ bext,根據(jù)光學(xué)原理得出光的衰減，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： bsp是由細(xì)粒子對(duì)光的散射構(gòu)成的（通常在城市環(huán)境

9、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)）； bsw是由空氣濕度引起的光散射（發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對(duì)濕度高出70%時(shí)變得很重要）; bsg是清潔空氣產(chǎn)生的瑞利散射（在海平面它是0.1310-4/ m）; 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); bag主要是NO2氣體對(duì)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 原則上，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(duì)能見度的影響就可以預(yù)測(cè),激光雷達(dá)探測(cè)氣溶膠,用于探測(cè)大氣氣溶膠和云的激光雷達(dá)技術(shù)主要是米散射探測(cè)技術(shù)，使用這種技術(shù)的

10、激光雷達(dá) 被稱為米散射激光雷達(dá)。 以激光為光源（激光波長(zhǎng)一般為um量級(jí)），探測(cè)激光與大氣氣溶膠相互作用的后向散射回波信號(hào)，利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)反演方法從回波信號(hào)中獲得氣溶膠后向散射和消光特性。利用偏振探測(cè)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。 利用光散射儀測(cè)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(wú)需進(jìn)行顆粒分離，全天時(shí)全高程即時(shí)迅速。,Mie散射的特點(diǎn)是散射粒子的尺寸與入射激光波長(zhǎng)相近或比入射激 光波長(zhǎng)更大，其散射光波長(zhǎng)和入射光相同，散射過(guò)程中沒有光能量的交換，是彈性散射。相 對(duì)其他的光散射機(jī)制而言，Mie散射的散射截面最高

11、，因此Mie散射激光雷達(dá)的回波信號(hào)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(cè)到，通過(guò)求解米散射激光雷達(dá)方程就能 夠反演相對(duì)應(yīng)高度(距離)的大氣氣溶膠粒子和云粒子的消光系數(shù)。,Raman_Mie激光雷達(dá)測(cè)量對(duì)流層大氣氣溶膠光學(xué)特性,信號(hào)處理,國(guó)內(nèi)廣州蘭州等地利用激光雷達(dá)對(duì)大氣垂直分布進(jìn)行檢測(cè)分析，并探討求解方法。對(duì)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。 Coll

12、is方法很簡(jiǎn)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(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者普遍采用的算法。Fernald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(lái)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。,存在問(wèn)題,Mie散射激光雷達(dá)主要用于探測(cè)30km以下低空大氣中氣溶膠和云霧的輻射特性，可以監(jiān)測(cè)此高度內(nèi)的PM2.5剖面濃度 空氣中的顆粒物濃度越高，對(duì)光的散射就越強(qiáng)。但光的