雾霾天气对航空伽玛能谱测量数据影响研究

王 宁，郑向向，姜德才，李 健，梁 韧

(中国自然资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

航空伽玛能谱测量具有效率高、成本较低、便于大面积工作等显著优点，在基础性及公益性地质调查、战略性矿产勘查中发挥着积极的作用，已被广泛地应用于地质填图、稀有矿产勘查、辐射环境评价等众多领域[1-3]。因此，野外测量数据质量控制显得尤为重要。在野外测量过程中，除仪器本身误差外，航空伽玛能谱数据质量主要受到空气湿度、地表湿度、飞行高度等因素影响[4]。除此之外，笔者在实际测量过程中发现，雾霾天气对伽玛能谱数据也存在一定的影响。我们利野外测量伽玛能谱原始数据及测区空气质量等相关数据，通过对数据进行深入分析，找出雾霾天气与伽玛能谱数据质量的相关性，并提出改善雾霾天气下测量原始数据质量的方法建议。

1 研究基础

氡(222Rn)是238U 衰变链中226Ra 的衰变产物, 是一种放射性惰性气体, 半衰期为3.82 d。由于226Ra 广泛存在于岩石、土壤等各种地质环境中, 所以222Rn 广泛存在于大气中。其扩散率取决于岩石、土壤性质、气象因素等。扩散到大气中的氡，衰变时产生的子体产物以正离子的形式存在，附着于大气尘粒(气溶胶微粒)上，其浓度和分布受大气混合条件的强烈影响[5-7]。

航空伽玛能谱测量谱线可看成U、Th、K 组分谱和飞行器、宇宙射线本底和氡本底叠加而成。宇宙射线和飞行器本底都是固定的常数, 两者可以通过处理在大气氡校正之前去除。而航空伽马能谱测量中大气氡能谱谱线形状和铀系伽马曲线大体是一致的[3]，大气氡及其子体浓度是航空伽马能谱测量中不容忽视的主要干扰之一，它直接影响到总量伽马照射量率和铀含量测量的准确性。因此，在航空伽玛能谱测量作业中，“航空伽玛能谱测量规范”明确规定了在雨天和雨后的第一天不允许飞行。孙海仁等[8]也对此进行了详细的试验分析并提出了相应的应对措施。此外，根据宋丽娜等[1]研究发现，雾霾天气氡子体浓度明显偏高，从整体趋势上来看，AQI(空气质量指数)[9]与结合态氡子体浓度呈正相关关系。AQI越大，即雾霾越严重，结合态氡子体浓度越大[1]。为验证雾霾天气对航空伽玛能谱测量影响，笔者对实际测区能谱基线及测线数据进行对比分析，为雾霾天气中测量数据进行大气氡校正处理时提供依据。

表1 空气质量及相对湿度

2 环境因素分析

为有效分析雾霾天气对航空伽玛能谱数据测量的影响，选取了2018年10月-12月雄安新区测区11个架次实测基线数据、保定市监测站空气监测数据以及中国气象局气象数据为分析对象，通过对比分析相同条件下测量，空气质量对航空伽玛能谱数据测量的影响。

2.1 能谱测量基线选择

雄安新区位于河北省保定市北东方向，由雄县、容城和安心县及部分周边区域组成。全境西北较高，东南略低，海拔标高在7 m～19 m之间，自然纵坡千分之一左右，为缓倾平原，土层深厚，地形开阔，植被覆盖率很低。居民区分布较为分散，分布不具有规律性。

为保证基线测量的一致性，能谱测量基线选取地势开阔且无居民区的固定区域，长度约4 km，具体基线位置如图1所示，基线选择在测区外附近，地表无明显人文干扰。

图1 测网示意图

2.2 测量气象条件分析

气象条件是影响能谱测量关键因素，因此本文研究中将空气质量、地表湿度作为重要参考对象。由于地表湿度数据无法获取，将使用相对湿度作为参考。

空气质量为取全天监测数据均值作为最终参考标准，相对湿度来源于国家气象信息中心。通过监测数据可以发现能谱测量中，雄安新区地区相对湿度较为稳定，有利于能谱测量工作，可视为排除湿度对能谱测量数据的干扰。

3 航空伽玛能谱野外测量数据分析

首先将13架次数据根据AQI值分为两组，即空气质量为优、良(AQI值0～100)为一组；空气质量轻度、中度污染(AQI值101～200)为一组。其次，为方便统计对比，对早晚基线能谱计数率数据及AQI值求均值处理(表2、表3)。

表2 优、良空气质量下测量能谱基线计数率

表3 轻度、中度污染空气质量下测量能谱基线计数率

由于总道计数率较大，而铀道、钍道计数率较小，为方便在同一纵比例尺下进行比较分析，我们对数据进行简单处理，即总道计数率总体缩小5倍；铀道、钍道计数率整体扩大3倍，具体对比趋势图如图2、图3所示。

图2 AQI(小于100)与伽玛能谱计数率(早基)曲线对比图

图3 AQI(大于100)与伽玛能谱计数率(早基)曲线对比图

图4 相邻架次铀道计数率局部原始影像

图5 相邻架次铀道计数率局部校正影像

由图2、图3可以看出，在AQI值小于100时，伽玛能谱各道(K、U、Th、Tc)计数率和AQI值无明显相关性；在AQI值大于100时，Tc道计数率、U道计数率和AQI值趋势变化相似；K道计数率、Th道计数率则和AQI值无明显相关性。

利用对应架次数据生成立体阴影图，如图4所示。可以发现雾霾天气对航空伽玛测量产生较大的影响，架次数据铀道计数率明显偏高，影像图中出现沿测线方向条带状高扬。

4 降低空气质量干扰方法探讨

空气质量对航空伽玛测量影响很大，如何在测量中准确获取测量数据，提高测量数据质量，笔者提出以下几种方法：

4.1 飞行测量方面

1)在条件允许的情况下，尽可能选择空气质量良好(AQI值小于100)天气进行飞行测量。

2)野外测量时，应详细记录测区内天气状况，包括空气质量、湿度、温度等，以便后期处理人员根据实际情况进行校正数据。

3)在飞行测量过程中，实时监测空气质量，作为后期大气氡校正的参考因素。

4.2 数据处理方面

利用基线测量数据，对比分析雾霾天气下空气质量能谱计数率对应关系，进而建立线型校正模型，以基线数据为基准，对雾霾天气下测量数据进行校正，结果显示测量数据条带现象得到明显地改善(图4)。

5 结语

笔者对比分析了实际测量航空伽玛数据与空气质量的关系，发现在AQI值大于100时，空气质量对航空伽玛测量影响较大，具体表现为铀道计数率和总道计数率值偏高，测量影像出现沿测线方向高值条带。为解决这一问题，笔者围绕测量和数据处理过程，提出了几种改进方法，以提高测量数据质量。由于大气氡的变化与多个因素有关，在以后的研究中需要进一步结合多个因素变化进行研究分析。