基于飞机观测研究西南污染物输送对北京上空气溶胶消光系数垂直分布的影响

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科学研究和技术服务业

目前国内大气科学领域通过飞机观测对不同高度气象要素和大气成分开展原位测量的需求较大，已有多家科研单位着手进行该领域的探索和试验。但飞机观测中的数据质量控制是基础且关键的一环。相对于地面观测，飞行过程中受空速、气压变化、振动等多种因素的干扰，机载仪器的运行状态和测量精度往往会受到较大影响。为解决该问题，通过在仪器进样前端增加一套控压装置维持采样压力处于某固定的设定值（例如，650 hPa），使仪器始终在一个稳定的压力下进行测量。 本装置结合实时反馈控制技术，设计了一种能够用于实时控制气溶胶质谱仪进样压力的接口装置，该装置克服了传统气溶胶质谱仪进样压力不可实时控制的问题，以及降低了仪器校正所消耗的成本。采用采用实时反馈调节系统控制气泵抽速，维持内部腔体在正常工作的压力环境，使得气溶胶质谱仪能够在在高空中高效、可靠地进行在线质谱检测分析。除了控制气溶胶质谱仪器的进样压力环境以外，还可用于飞机观测中其它对进样压力有特殊要求的观测仪器上。 2020年开始，该装置已经在北京市人工影响天气办公室的飞机观测平台上使用，利用该设备开展了多架次的飞机观测试验，取得了高质量的气溶胶化学成分的航测资料。目前该设备运行状态良好，并可根据需要进行压力设定范围的改进，生产周期约为3个月。

控压进样装置，用于解决飞机观测中环境压力不断变化对仪器测量影响的问题，使气溶胶质谱仪在不同压力环境下都能高效、稳定、实时地进行质谱检测分析，测径系统无需校正。该控压进样系统的主要元件包括进气管、临界孔板、气压调节腔体、进样管、排气口、临界孔板、缓冲腔体、气泵、控制模块、测压器。具体运作方式如下：待测气溶胶首先从进气管进入，通过临界孔后，在气压调节腔体内扩散，保持层流状态。进样管位于气压调节腔体内部，其入口处气溶胶样品浓度均匀，部分样品气溶胶进入进样管。气压调节腔体尾部设有排气口，通过气泵抽出剩余气体。气溶胶样品从进气管进入，通过临界孔后，进入缓冲腔体，随后依次进入空气动力学透镜、气溶胶质谱仪。缓冲腔体设有测压器，其测得的压力值以电信号的方式实时反馈到控制系统，控制系统通过判断缓冲腔体的压力大小，输出信号控制气泵抽速，以调节缓冲腔体的压力至正常工作压力。 控压装置中的临界孔板、气压调节腔体、缓冲腔体、制模块等均为定制产品，可根据需求进行改进，气泵需要采用高性能的真空隔膜。因此拟合作方需要大约8万元的资金购置和组装相关的配件，相关人员需要熟悉大气科学的外场观测试验要求、相关仪器的性能原理、拟开展试验的具体目的和方案等。

可国（境）内外转让

高空环境下进行气溶胶质谱分析时，通常将质谱仪器放置于飞行器中，随飞行器飞行进行实时检测分析。而对流层内大气压随高度增加而降低，空气动力学透镜前端压力随着外界压力的变化而变化，使得其传输效率和聚焦性能产生变化，影响最终检测结果。该设备克服了传统气溶胶质谱仪进样压力不可控的问题，降低了气溶胶质谱仪系统校正所消耗的成本，控制气泵抽速来维持气压缓冲腔内部气压维持在正常工作的压力环境，使得气溶胶质谱仪能够在在高空中高效、稳定地进行在线质谱检测分析。除了控制气溶胶质谱仪器的进样压力环境以外，还可用于其他对进样压力有特殊要求的气溶胶检测仪器上。通过该成果的转化，可为国内相关科研项目的实施、环保监察、云微物理探测等科研、业务领域提供技术支撑，提升航测数据的质量控制。在此前提下可实现利用飞机观测平台对气象要素和大气成分更为准确的原位测量。为卫星、地基探空等多种反演结果的验证提供宝贵的数据支撑，同时可根据模式模拟大气成分三维空间分布的需求提供相应的观测方案。另外，该装置还可用于在地面模拟高空低压的情况，对不同的仪器设备进行低压条件下的标定和测试，避免在高空中标定产生的大量观测成本等问题，同时也可对该系统粒子损失的情况进行定量的修正。

北京市自然科学基金面上项目

北京市科学技术委员会;中关村科技园区管理委员会

气溶胶质谱通过空气动力学透镜将环境大气从大气压环境引入到真空系统内部，一般通过一个100微米左右的临界小孔进行限流和真空隔绝。空气动力学透镜对颗粒物进行高效率的传输和聚焦， 在透镜的出口处颗粒物在气体分子的碰撞下产生加速，不同大小的颗粒物获得的速度也不同，大颗粒物速度较小，小颗粒物的速度较大。通过测量颗粒物的飞行速度即可获取颗粒物的空气动力学直径。然而，颗粒物在透镜出口处的速度分布与透镜前端的进样压力密切相关，外界环境压力的变化就会导致透镜内部的压力发生变化，从而导致颗粒物速度分布发生变化。这种情况在进行气溶胶机载实验观测过程中尤为显著，当仪器随着飞机快速地在不同海拔高度环境下进行测量时，连续的压力变化对于颗粒物粒径测量的准确性造成了巨大的影响，难以通过后续的手段进行校正。另一方面，空气动力学透镜前端的进样压力还会影响颗粒物的传输效率，当压力发生变化时，传输效率也会随着发生变化，从而造成不同海拔高度下测量结果之间比对困难。因此，开发相关的仪器装置，动态地消除在机载环境下外界环境压力持续变化对气溶胶质谱测量的差异显得尤为关键。 设计的关键技术点在于稳定空气动力学透镜前端的进样压力，常规的气溶胶质谱空气动力学透镜直接连接到环境大气，环境压力发生变化时透镜压力则发生变化。因此在本项目中采取的技术方案是前端增加一个可控的腔室连接到空气动力学透镜的前端。压力腔室的另外一端连接到环境大气，通过一定的技术手段控制腔室内部的压力稳定在一个确定的数值。 压力控制装置在空气动力学透镜的前端增加一个压力控制腔体，腔体的两端分别连接大气环境和空气动力学透镜进样口。在压力腔的两侧分别接有真空计和抽气出口。连接大气压的一端通过另外一个较大孔径（~250微米）的小孔片与大气环境相连，腔体内部的压力通过一个皮拉尼真空计进行监控，压力数值传送到外部电路控制器。外部电路控制器通过接收的数值信号转换腔体的真空度，并通过一个比例阀控制外部真空泵的抽速。在实验过程中，首先设定希望控制的压力数值，当真空计显示的真空数值高于设定的数值时，控制电路即会控制比例阀的通路，提高真空泵的抽速从而迅速将真空度稳定在设定的数值上。 为了尽可能减少颗粒物在经过压力腔后的损失，在本项目中压力腔室的取样设计设计在距离进样孔下游一定位置处，确保气流在经过临界小孔缓释成为层流后进行取样分析。另外取样管的内径根据等速采样的要求进行设计，确保不同粒径的颗粒物在经过压力腔之后的损失保值一直且控制在最低值。具体的设计可参考如图所示的尺寸表示。