關(guān)于大氣環(huán)境監(jiān)測的技術(shù)及應用研究

陳奇 章燕清

【摘?要】大氣環(huán)境是一個十分復雜的動態(tài)系統(tǒng)，大氣氣溶膠及其氣態(tài)前體物、大氣成分及環(huán)境要素分布在從大氣邊界層、對流層到平流層的垂直空間里，具有顯著的時間和空間變化特征以及典型的地理環(huán)境氣候區(qū)域特征，影響著空氣質(zhì)量、氣候變化。提高大氣環(huán)境的監(jiān)測技術(shù)水平，發(fā)展遙感觀測手段，實現(xiàn)對大氣環(huán)境的在線、快速、立體探測，對于了解大氣中各種成分的動態(tài)變化過程、源匯機制以及其對環(huán)境、氣候的影響等具有重要意義。

【關(guān)鍵詞】立體監(jiān)測;環(huán)境光學;大氣環(huán)境

引言

近年來，中國科學院等單位先后發(fā)展了大氣顆粒物激光雷達探測、痕量氣體多軸差分吸收光譜在線測量等關(guān)鍵技術(shù)設備，構(gòu)建了我國首個大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測系統(tǒng)，獲取了大量實驗區(qū)大氣污染高分辨時空變化信息，彌補了常規(guī)業(yè)務監(jiān)測網(wǎng)絡在監(jiān)測手段、監(jiān)測內(nèi)容和監(jiān)測范圍的不足。同時地面立體觀測網(wǎng)也已開始起步，如“江淮大氣環(huán)境立體探測研究（示范）網(wǎng)”已在無錫、上海、合肥、岳西、廈門、銅陵等建立站點并連續(xù)運行，開展長期的區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測。但總的來說，我國大氣環(huán)境立體監(jiān)測評估方法、技術(shù)手段發(fā)展都需要進一步的提升，尤其是在大氣成分時空分布、相互作用及其變化過程的定量化綜合測量分析方面。因此，大氣污染物的高精度立體觀測方法研究和現(xiàn)代綜合觀測技術(shù)手段的發(fā)展，依然是研究的重點。

1.技術(shù)進展

基于光學原理的大氣環(huán)境在線監(jiān)測技術(shù)是一種新興技術(shù)，結(jié)合了環(huán)境科學、大氣光學、光譜學等學科，利用光學中的吸收光譜、發(fā)射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸?shù)确椒ㄑ芯凯h(huán)境污染的機理及監(jiān)測防治技術(shù)，圖1是痕量氣體在紫外-可見-紅外-激光波段的特征光譜例子，光譜特征數(shù)據(jù)庫是發(fā)展環(huán)境監(jiān)測技術(shù)的基礎，光譜數(shù)據(jù)分析方法是能否成功研發(fā)環(huán)境監(jiān)測儀器設備的核心。目前國內(nèi)已形成了以差分光學吸收光譜（DOAS）技術(shù)、可調(diào)諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術(shù)、非分光紅外（NDIR）技術(shù)、激光雷達技術(shù)、光散射測量技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術(shù)、光聲光譜技術(shù)等為主體的環(huán)境光學監(jiān)測技術(shù)體系[2～9]。DOAS技術(shù)廣泛用于紫外和可見波段范圍，監(jiān)測標準污染物O3，NOx，SO2和苯等，測量的種類為對應于該波段的窄吸收光譜線的氣體成分，并對大氣中自由基NO3和HONO的測量十分有效。

1.1地基遙感監(jiān)測

污染氣體監(jiān)測技術(shù)。地基大氣成分遙感探測技術(shù)主要有被動差分吸收光譜技術(shù)（DOAS）、被動傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）、多波段光度計遙感、微波輻射計遙感等。被動DOAS技術(shù)通過探測太陽散射光譜，結(jié)合不同氣體的特征吸收截面，利用最小二乘法反演各種痕量氣體的濃度信息。目前中國科學院安徽光學精密機械研究所在國內(nèi)率先開展了主動DOAS技術(shù)、地基被動DOAS技術(shù)（MAX-DOAS和車載多動DOAS）以及機載和星載DOAS技術(shù)的研究。大氣環(huán)境空氣質(zhì)量的主動DOAS監(jiān)測技術(shù)研究，可以實現(xiàn)對大氣環(huán)境一次污染物（SO2，NO2等）、自由基及其前體物（NO3，OH，HONO，HCHO等）和針對污染源有毒有害氣體（H2S，Cl2，苯系物，SO2，NO2等）多種成分的快速在線探測。地基MAX-DOAS是一種大氣痕量氣體和氣溶膠垂直總量及分布探測的新技術(shù)，以散射太陽光作為光源，通過天頂及多個離軸方向?qū)Υ┰酱髿鈱拥纳⑸涮柟庾V（紫外/可見）進行探測，這些光譜包含了痕量氣體、氣溶膠、云的吸收、發(fā)射和散射等信息。由于增加了多個離軸（近地面低仰角）探測方向，對低層大氣探測更為靈敏，通過被動差分吸收光譜的解析方法并結(jié)合大氣輻射傳輸模型，能夠獲得對流層痕量氣體的垂直柱濃度以及垂直分布信息，特別是對邊界層非常敏感，可用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地基校驗和化學模型的校驗。

1.2車載測量技術(shù)

在存在主導風向的天氣下，如果將監(jiān)測系統(tǒng)裝載于車上，圍繞某一區(qū)域周圍測量，結(jié)合氣象儀器提供的風速、風向信息，GPS系統(tǒng)提供測量點的經(jīng)緯度位置信息，通過計算就可以監(jiān)測出該區(qū)域的有害氣體排放通量。車載測量技術(shù)通常有兩種監(jiān)測模式：閉合路徑監(jiān)測模式和下風口監(jiān)測模式當工業(yè)區(qū)周圍有監(jiān)測車可以通過的閉合路徑時可以采用閉合路徑監(jiān)測模式，該方式測量到的工業(yè)區(qū)有害氣體排放通量更準確。當工業(yè)區(qū)周圍沒有監(jiān)測車可以通過的閉合路徑時，如果風速較大且比較穩(wěn)定，工業(yè)排放氣體幾乎都被吹到下風向，此時可以采用下風口監(jiān)測模式，監(jiān)測到的有害氣體的排放通量可以近似為工業(yè)區(qū)的排放通量。實際車載測量中，出于精確測量氣體擴散場的考慮，需要根據(jù)車載的風速儀實測地面風速來估算風廓線，利用經(jīng)驗公式并考慮煙羽擴散模式。

1.3 機載遙感監(jiān)測

在地基遙感技術(shù)快速發(fā)展并逐漸成熟的基礎上，借助于機載平臺的大氣環(huán)境遙感載荷也開始發(fā)展起來。需要建立大氣環(huán)境立體探測的空中實驗平臺，包括飛艇、飛機、氣球以及無人機等的遙感監(jiān)測實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)多時空尺度全面長期連續(xù)監(jiān)測與數(shù)據(jù)積累，逐步形成對大氣系統(tǒng)的立體、動態(tài)監(jiān)測分析能力。開展大氣不同高度的大氣物理化學過程研究，以及從區(qū)域尺度到全球尺度的系統(tǒng)觀測測量研究。如美國大氣和地球科學研究機構(gòu)所裝備的C-130，ER-2，灣流和麥道等大氣綜合探測飛機系統(tǒng)，歐洲的FAlCON。

2.應用示范

利用立體監(jiān)測技術(shù)可以監(jiān)測大氣環(huán)境污染物質(zhì)，確定它們的濃度，判斷它們是否超過環(huán)境保護的有關(guān)規(guī)定，并可以用這些信息通過閉路反饋系統(tǒng)控制生產(chǎn)過程，對環(huán)境污染進行監(jiān)測、控制和治理，目前已被廣泛應用于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測、污染源煙氣排放監(jiān)測、霧霾時空分布監(jiān)測、區(qū)域排放通量監(jiān)測、交通排放現(xiàn)場監(jiān)測、生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放等方面。

2.1 霧霾過程時空分布監(jiān)測

細粒子雷達通過直接觀測對流層范圍內(nèi)細粒子的空間分布和時間演化，監(jiān)測真實大氣中的污染過，了解對流層尺度灰霾與光化學煙霧的污染狀況，取得準確的污染物種類和來源，為分析灰霾過程引起的顆粒物形態(tài)和光學性質(zhì)的變化提供科學數(shù)據(jù)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)痕量氣體激光在線監(jiān)測對于大型生態(tài)系統(tǒng)，由于下墊面的非均一性及天氣過程的不可重復性，痕量氣體的分布存在較大的時空差異，通過開放式生態(tài)系統(tǒng)痕量氣體在線監(jiān)測技術(shù)研究，可以實現(xiàn)高時間分辨率、高靈敏度的大尺度痕量氣體濃度的在線監(jiān)測。實際運用中，利用高頻波長掃描技術(shù)改善大氣湍流對激光吸收光譜造成的影響，并結(jié)合參考校準光譜，實現(xiàn)氣體濃度的長期穩(wěn)定監(jiān)測。

結(jié)束語：

基于光學與光譜技術(shù)的大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術(shù)發(fā)展已有十余年，其應用廣度和深度仍在不斷擴展。作為全世界范圍內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展最快的國家之一，我國的大氣污染問題已引起越來越多的關(guān)注，構(gòu)建并完善以常規(guī)監(jiān)測、自動監(jiān)測為基礎，遙感監(jiān)測為輔助的天地一體式環(huán)境監(jiān)測體系，提高監(jiān)測和預報水平，建設大氣環(huán)境探測與模擬實驗研究設施。針對我國大氣復合污染防治研究，建設我國自己的大氣環(huán)境探測與模擬實驗研究設施，形成從實驗室微觀機理研究到模擬大氣環(huán)境實驗，再到外場觀測實驗和驗證的有機閉環(huán)鏈條，揭示我國城市和區(qū)域尺度的大氣復合污染形成機理并量化其環(huán)境影響，建立符合中國特點的相關(guān)污染模式，從而預測我國不同區(qū)域背景下大氣環(huán)境復合污染及其環(huán)境效應的發(fā)控制戰(zhàn)略提供科技支撐。

參考文獻：

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