适用于船舶黑烟检测的改良型林格曼黑度法

胡健波，邓孟涛，徐 旻，谢 昕，张翰林，彭士涛

（1.水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，港口水工建筑技术国家工程研究中心，交通运输部天津水运工程科学研究院，天津300456；2. 上海海事局，上海200086）

一、引言

船舶大气污染防治是绿色航运发展的重要组成部分，是航运业贯彻落实党中央、国务院关于加快推进生态文明建设和打赢蓝天保卫战的重要举措，涉及的相关标准包括硫氧化物（SOx）排放相关的GB 17411《船用燃料油》和其它污染物排放相关的GB 15097《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》[1]。前者按船舶类型设定了船用燃料油的硫含量限值[2]，后者按发动机等级设定了一氧化碳（CO）、碳氢化合物（HC）、氮氧化物（NOx）等污染物的排放限值[3]。为持续改善沿海和内河港口城市空气质量，交通运输部在珠三角、长三角、环渤海（京津冀） 水域船舶排放控制区（简称“排放控制区”）实施取得明显成效后，于2018年印发了《船舶大气污染物排放控制区实施方案》[4]，严控SOx、NOx、颗粒物（PM）和发挥性有机化合物（VOCs）等污染物排放，并规定了使用低硫燃油、靠港使用岸电等措施。

然而，由于船舶运营期间的大气污染物排放标准缺失，船舶大气污染防治仍面临巨大压力，尤其是老旧船舶的冒黑烟现象[5]。当下航运企业对于船舶大气污染防治的主动责任意识不强，只把船舶冒黑烟现象视为发动机性能下降导致的经济、安全问题的一个表征[6,7]，带病航行附带产生的船舶大气污染问题长期被忽视。英美等发达国家已将船舶冒黑烟控制纳入当地执法体系，我国只有香港特别行政区的《船舶及港口管制条例》、台湾地区的《交通工具空气污染物排放标准》和上海市的《上海市大气污染防治条例》将船舶黑烟列为违法行为，并制定了相应的罚则[8]。船舶黑烟这一HC和PM排放污染严重的现象应是我国船舶大气污染防治的重要工作内容，但相关的检测技术与监管应用较少[8-11]。

通过梳理国内外船舶黑烟管控要求，科学分析黑烟的视觉机理，识别传统林格曼黑度法存在问题的原因；并根据船舶黑烟检测的要求和特点，提出了适用于船舶黑烟检测的改良型林格曼黑度法。

二、国内外船舶黑烟管控要求

国内外船舶黑烟管控的共同点都是采用林格曼黑度法这一视觉黑度指标作为判定依据。虽然林格曼烟气黑度与烟气中HC和PM没有准确的对应关系，但是这一方法成本低、可操作性强，因而被国内外普遍采用。国内外船舶黑烟管控的严格程度与处罚力度有所不同，分别对国外和国内展开详细的介绍。

（一）国外

美国多个州对船舶黑烟排放出台了管控标准。美国阿拉斯加州《船舶可见污染物标准》规定船舶在阿拉斯加海岸线3 n mile之内排放的烟气不透光度不能高于20%（相当于林格曼黑度1级）。德克萨斯州则规定船舶排气的不透光度不能连续5 min超过30%。美国《加利福尼亚健康与安全法典》第41701条规定，所有排放源3 min及以上时长连续排放的气体与林格曼黑度2级的颜色一样深或更深，视为违法。

英国在《清洁空气法案1993》第1部分第3条中对黑烟做了明确定义，即与林格曼黑度2级相当或更深的颜色。船舶应在英国领海水域遵守此项规定，违法者可能被罚款高达5 000英镑。

迪拜政府于2014年7月2日发表声明，呼吁所有船舶确保在港口期间严格遵守关于空气排放的规定。所有停靠迪拜港口的船舶都必须遵守当地的PCFC-EHS 港口和海事法规，以遏制该地区的空气污染，包括船舶黑烟。

新加坡海事和港口管理局（MPA）于2019年3月发布通函，警告经营人采取所有必要措施，防止船舶在其整个港口停留期间从发动机排气装置和船上辅助机械上排放过量的烟灰、灰渣或黑烟。经营人未能遵守上述规定将是违法行为，可能会被起诉。如被定罪，违法者可能被罚款高达5 000新元。

（二）国内

香港特别行政区的《船舶及港口管制条例》（第313章）及《商船（本地船只）条例》（第548章）规定：非本地船只或本地船只如在香港水域内排放分量足以造成滋扰的烟雾属于犯罪。但是对黑烟排放限值未进行明确的定义，且该法条没有根据船舶大小和违规次数制定不同的罚款依据。因此，香港政府于2014年出台了《船舶黑烟管制条例》修订版，规定若船舶3 min及以上时长连续排放的气体与林格曼黑度2级的颜色一样深或更深，则视为违法。本地船舶的最高罚款为10 000～25 000港币，远洋船为25 000～50 000港币。

台湾地区于2006年出台的《交通工具空气污染物排放标准》第8条规定：允许主机功率3 000 kW以上的船舶启动时20秒内和3 000 kW以下的船舶启动时10秒内，排烟目测不透光度不超过60%（相当于林格曼黑度3级）；其它时段的排烟目测不透光度不超过40%（相当于林格曼黑度2级）。

上海市的《上海市大气污染防治条例》第38条第5款规定: 在本市行驶的机动车、船不得排放明显可见的黑烟。第85条第2款规定: 违反本条例第三十八条第一款、第五款规定，在本市行驶的机动船向大气排放污染物超过规定的排放标准或者排放明显可见黑烟的，由海事部门责令改正，可以处1 000～10 000元罚款；情节严重的，处10 000～50 000元罚款。

三、黑烟的视觉机理

黑烟是一个视觉上的烟气排放指标，其背后的机理主要是烟羽与观测者视线方向上的太阳光被吸收和散射的过程以及其它方向散射光的影响（图1）。光的主要源头是视线方向的烟羽后方的太阳散射光，次要源头是其它方向的太阳散射光。观测到的光经历了两个过程，分别是经过烟羽段的吸收与散射和经过烟羽与观测者之间的散射；之所以不包括烟羽与观测者之间的吸收过程，是因为能够进入到近地表大气层的太阳光波段必然是大气分子吸收能力很弱的波段，该过程可以忽略不计。

图1 黑烟的视觉机理示意图

Sback为从观测者角度的烟羽后方的太阳散射光强度，Saccept为观测者观测到的光线强度。

x为烟羽的不透光度（0～100%），即近距离观测的烟羽黑度，越黑则x越大；反之，越白或越淡则x越小。x值等于0、0.2、0.4、0.6、0.8和1分别代表林格曼黑度0、1、2、3、4和5级。

y为烟羽到观测者之间的太阳光散射率（0～100%），与天气雾霾程度和距离有关，雾霾越重、距离越远，则y越大；反之，雾霾越轻、距离越近，则y越小。例如，当雾霾很严重时，y近似1，则远处的烟羽不可见（无论是否黑烟），Saccept=Sback；当几乎没有雾霾时，y近似0，则远处的烟羽清晰可见，近距离和远距离（使用望远镜）观测的烟羽黑度差别不大，Saccept=Sback×(1-x)。

四、传统林格曼黑度法存在的问题

传统林格曼黑度法根据HJ/T 398《固定污染源排放烟气黑度的测定林格曼烟气黑度图法》（简称“标准”）[12]，需要林格曼烟气黑度图参照辅助，并对观测位置和条件、观测方法、计算方法、质量保证措施等做了明确的要求。但是，存在干净天空林格曼黑度等级大于0和非晴朗天气无法开展检测工作这两个问题。

根据传统林格曼黑度法的视觉机理（图2）可知，从林格曼烟气黑度图的0级黑度图（白色涂料）上观测到的是太阳散射光的全部反射光，而非来自烟羽后方的太阳散射光，导致干净天空的黑度检测结果存在一定等级的黑度（大于0级）。标准的解决办法是，选择在合适的天气和时间开展检测，确保林格曼烟气黑度图与烟气有相似的背景天空。另一种解决办法是，林格曼烟气黑度图弃用白色涂料，改用透光材质，即不同等级的黑度为干净天空与黑线的混合色。

图2 传统林格曼黑度法的视觉机理示意图

根据标准要求，林格曼烟气黑度图距离观测者较近，而烟羽距离观测者较远，导致非晴朗天气下的尾气烟羽与观测者之间的大气散射影响不可忽略，严重扭曲烟羽黑度的判定。标准的解决办法是不建议在雨雪天、雾天开展检测工作，即要求观测时的天气能见度很高。

因此，传统的林格曼黑度法的应用条件较为苛刻且结果较为主观，只能在林格曼烟气黑度图与烟气有相似的天空背景且天气能见度很高时应用。

五、适用于船舶黑烟检测的改良型林格曼黑度法

（一）船舶黑烟检测要求

1. 需适应大多数的天气条件

船舶是移动的大气污染源，具有移动范围广（跨省甚至跨国）的特点。因此，在发现船舶冒黑烟时，需要迅速开展烟羽黑度检测，否则很可能会在短时间内驶离辖区。这对检测技术的普适性要求较高，要求能适应大多数的天气条件。

2. 需适应晃动的黑度检测方法

根据国内外船舶黑烟管控要求，各个国家判定船舶是否冒黑烟的标准是连续一定时长持续冒黑烟，因此需要连续检测烟羽的林格曼黑度并录制视频留证。在发现船舶冒黑烟时，观测者很有可能是手持相机或手机录制视频证据，甚至是在海巡艇等晃动平台录制视频证据。因为不可避免的晃动，使得烟羽在视频画面中的位置往往不固定。要求观测者同时手持小型的林格曼烟气黑度图（图3）和录制视频证据，获取稳定视频数据的难度较大，需适应晃动的黑度检测方法或目视判别方法。

图3 手持小型的林格曼烟气黑度图进行船舶黑烟检测的示例

3. 应尽可能在移动平台进行观测

另外，标准要求观测者的视线应与烟羽飘动的方向垂直，在太阳光照射下观测时，尽量使照射光线与视线成直角，光线不应来自观察者的前方或后方。船舶在水上航行，如若在岸边观测，很可能无法满足上述观测位置要求。因此，应尽可能在海巡艇上或者利用无人机等移动观测平台，开展船舶黑烟检测工作。

（二）改良型林格曼黑度法

为了满足船舶黑烟检测的要求且保证烟羽林格曼黑度的准确度，需要基于黑烟的视觉机理和船舶的特点，提出适用于船舶黑烟检测的改良型林格曼黑度法。根据公式1推导，可以获得林格曼黑度相关的x值计算公式如下：

根据观察，船上或多或少存在一定的黑色物体，可以假设是林格曼黑度5级（x=1）的烟羽，例如船体黑漆或船上窗户等船上暗目标。观测者看到这些暗目标时，暗目标的Saccept= Sback×y，即观测到的暗目标亮度与烟羽与观测者之间的散射有关。当雾霾很严重时，y近似1，则船上暗目标和烟羽均不可见，暗目标或烟羽的Saccept=Sback。当几乎没有雾霾时，y近似0，则远处船上的暗目标清晰可见，近距离和远距离（使用望远镜）观测的效果差别不大，暗目标的Saccept=0。根据公式2，以上这些情形下观测船上暗目标，计算结果均是x=1，说明船上的暗目标作为林格曼黑度5级烟羽的假设成立。因此，公式2可以演变成如下的公式3。

可以假设烟羽附近的干净天空是一种林格曼黑度0级（x=0）的烟羽。观测者看到干净天空时，干净天空的Saccept=Sback，即观测到的亮度就是观测者角度的烟羽后方的太阳散射光强度，因为无论怎么变换观测位置，观测同一片天空的亮度是不变的（无论雾霾是否严重）。根据公式2，计算结果是x=0，说明干净天空作为林格曼黑度0级烟羽的假设成立。因此，公式3可以演变成如下的公式4。

其中，Saccept、Saccept暗目标和Saccept干净天空分别是观测者观测到的烟羽、暗目标和干净天空的亮度。根据公式4，以船上暗目标和干净天空分别作为林格曼黑度5级和0级烟羽的参照（图4），可以准确计算出船舶烟羽的林格曼黑度。船上暗目标应来自烟羽所在船舶，确保暗目标与烟羽离观测者的距离一致，光线被散射的程度相同。图4中远处另一艘船舶的船上暗目标的颜色深度不如烟羽所在船舶，不能作为本船烟羽黑度测定的参照，另外这也说明了烟羽与观测者之间的大气散射对传统林格曼黑度法结果准确性的影响。这种适用于船舶黑烟检测的改良型林格曼黑度法，无需林格曼烟气黑度图，而且不存在传统的林格曼黑度法的苛刻使用条件（只能在林格曼烟气黑度图与烟气有相似的天空背景且天气能见度很高时应用）。

图4 改良型林格曼黑度法以船上暗目标和干净天空分别作为林格曼黑度5级和0级参照的示例

最后，建议在海巡艇或无人机等移动平台上应用改良型林格曼黑度法，以满足标准对观测位置和角度的要求。

六、结语

通过梳理国内外船舶黑烟管控要求，识别了林格曼黑度法在船舶黑烟检测中应用的广泛性，主要是基于该方法成本低、可操作性强的优点。通过科学分析黑烟的视觉机理，认识到传统林格曼黑度法应用条件较为苛刻且结果较为主观，只能在林格曼烟气黑度图与烟气有相似的天空背景且天气能见度很高时应用。总结了船舶黑烟检测需适应大多数的天气条件、需适应晃动的黑度检测方法和应尽可能在移动平台进行观测这三大要求，并根据船上或多或少存在一定的暗目标的特点，以船上暗目标和干净天空分别作为林格曼黑度5级和0级烟羽的参照，提出了适用于船舶黑烟检测的改良型林格曼黑度法，为适用于船舶黑烟检测的技术与装备研发奠定了科学基础。