我國大氣環境立體監測技術及應用

陳業強?黃碧燕

摘 要：近年來，我國對于環境保護和能源節約加大力度進行改善，已經取得了非常不錯的成績。大氣環境是一個十分復雜的動態系統，大氣氣溶膠及其氣態前體物、大氣成分及環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境氣候區域特征，影響著空氣質量、氣候變化。提高大氣環境的監測技術水平，發展遙感觀測手段，實現對大氣環境的在線、快速、立體探測。

關鍵詞：大氣環境;立體監測

我國自改革開放發展至今已經取得了非常不錯的成績，隨著而來的是環境污染嚴重的問題。目前用于大氣環境污染監測的技術主要有光學技術、質譜技術和色譜技術等.其中基于光學原理的在線立體監測技術，由于具有非接觸、無采樣、高靈敏度、大范圍快速監測、遙感等特點，是國際上環境立體監測技術的主要發展方向之一。

一、大氣環境監測的目的

1.對大氣環境實施監測，可以幫助我們及時了解當前的大氣環境狀況，對于環境保護、預防環境災害具有巨大的幫助作用，可以使人們在大氣環境不好的情況下避免外出活動。

2.大氣環境監測，可依據監測數據了解污染程度，為有效解決污染問題提供依據。同時可為制定改善大氣質量措施，有效解決各種環境問題提供參考。總之，大氣環境污染監測，是有效保護大氣環境的必要條件，我們應該予以重視。

二、技術進展

基于光學原理的大氣環境在線監測技術是一種新興技術，結合了環境科學、大氣光學、光譜學等學科，利用光學中的吸收光譜、發射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸等方法研究環境污染的機理及監測防治技術，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，光譜特征數據庫是發展環境監測技術的基礎，光譜數據分析方法是能否成功研發環境監測儀器設備的核心。

三、大氣環境立體監測技術

1.車載測量技術。在存在主導風向的天氣下，如果將監測系統裝載于車上，圍繞某一區域周圍測量，結合氣象儀器提供的風速、風向信息，GPS系統提供測量點的經緯度位置信息，通過計算就可以監測出該區域的有害氣體排放通量.實際車載測量中，出于精確測量氣體擴散場的考慮，需要根據車載的風速儀實測地面風速來估算風廓線，利用經驗公式并考慮煙羽擴散模式。

2.機載遙感監測。在地基遙感技術快速發展并逐漸成熟的基礎上，借助于機載平臺的大氣環境遙感載荷也開始發展起來.需要建立大氣環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測實驗系統，實現多時空尺度全面長期連續監測與數據積累，逐步形成對大氣系統的立體、動態監測分析能力.開展大氣不同高度的大氣物理化學過程研究，以及從區域尺度到全球尺度的系統觀測測量研究。

3.星載遙感監測。衛星遙感技術以其獨特的全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的特點在環境監測領域具有無可比擬的優勢.根據不同化學物質的吸收特性反演大氣主要化學物質的濃度及分布狀況。

四、應用示范

1.在大氣灰霾形成過程監測方面。主要是以煙霧箱模擬和大氣環境下光化學中間過程物監測為主。煙霧箱是認識實際大氣中復雜光化學機制必不可少的科學裝置，可分為室內和室外煙霧箱。為了構建“外場觀測、大型煙霧箱模擬和數值模擬”的閉合鏈條，在大氣光化學中間過程監測與分析過程中，開展大氣氧化性自由基的測量與相關研究對于認識區域性和全球性大氣光化學復合污染、大氣灰霾形成機制十分重要。

2.生態系統痕量氣體激光在線監測。對于大型生態系統，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，通過開放式生態系統痕量氣體在線監測技術研究，可以實現高時間分辨率、高靈敏度的大尺度痕量氣體濃度的在線監測.實際運用中，利用高頻波長掃描技術改善大氣湍流對激光吸收光譜造成的影響，并結合參考校準光譜，實現氣體濃度的長期穩定監測。

五、發展趨勢

1.突破大氣環境監測的關鍵技術。發展大氣污染形成過程中關鍵物種（VOCs、大氣新粒子化學成分、自由基等）的準確、快速監測技術;突破對流層、平流層地基、機載大氣成分和大氣參數的遙測技術;實現對大氣PM2.5化學組分、光化學煙霧及其前體物和中間產物提供監測技術解決方案和成套裝備.構建大氣污染源排放綜合監測、大氣復合污染及其前體物立體觀測、以及大氣環境監測質量控制等大氣污染監測技術體系。

2.建立先進的大氣環境監測技術創新研究平臺。利用地基MAX-DOAS（多軸差分吸收光譜儀）和大氣細顆粒物探測激光雷達等設備，建設“灰霾及其前體物立體監測網絡”，開展SO2，NOx，HCHO（甲醛）等大氣細顆粒氣態前體物和顆粒物PM10（可吸入顆粒物）/PM2.5的垂直總量和廓線的監測研究，將彌補目前環保監測網絡單一地面監測數據的不足，為研究灰霾的形成、演變和區域輸送規律、開展霧霾準確預報提供技術手段.逐步建立地球表面至平流層重要大氣成分（O3，CO2，水汽，CH4，SO2，NOx，氣溶膠，痕量氣體等）和有關氣象環境要素參數（溫度、風場等）探測體系，通過多平臺，多波長、主被動結合的方式，獲得高分辨時空分布數據庫。

3.建設大氣環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境實驗，再到外場觀測實驗和驗證的有機閉環鏈條，揭示我國城市和區域尺度的大氣復合污染形成機理并量化其環境影響，建立符合中國特點的相關污染模式，從而預測我國不同區域背景下大氣環境復合污染及其環境效應的發展趨勢并提出控制思路，為國家和地方制定有效的控制戰略提供科技支撐.總之，只有發展特殊技術并綜合多種技術集成，才能滿足環境污染及其變化的各種需求，并推動大氣環境監測儀器向更高精度、更多成分、更大范圍、更加實用發展。

六、結語

大氣環境人們的生活息息相關，保護大氣環境是每一個公民的責任和義務。我們在加強對大氣環境監測的同時，應不斷完善監測內容，從做好大氣環境監測工作開始，努力提升環境監測技術和質量。依據監測的準確數據，及時掌握我國大氣環境現狀，以制定相關的保護措施。在大氣環境監測的基礎上，有效保護大氣環境，使大氣環境可持續發展，實現經濟、生態、環境的和諧發展目標。

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