大氣污染光學遙感技術及發展趨勢

劉文清，陳臻懿，劉建國，謝品華，張天舒，闞瑞峰，徐 亮

1.中國科學院環境光學與技術重點實驗室，安徽 合肥 230031 2.中國科技大學環境科學與光電技術學院，安徽 合肥 230026

1 發展需求

近30年來，中國在取得高速經濟增長的同時也付出了巨大的環境代價，大氣氧化、區域性/城市污染和PM2.5造成的嚴重環境污染和生態破壞已成為制約中國經濟可持續發展、危害生態環境、影響人民生活和身體健康的突出問題[1]。因此，必須對影響人類生存和決定對流層成分的大氣過程進行監測/觀測。目前發達國家的環境監測領域已經建立了比較完善的環境標準、監測技術與方法體系，領先優勢十分明顯。1995年美國環境保護署(EPA)制定了驗證環境創新技術的鑒定計劃(ETV)，通過評價環境監測儀器設備的性能(氣、水、土壤、生態系統、廢棄物、污染源等)，大大加快了先進環境監測儀器設備進入國內和國際市場的速度。之后環境科技研究逐漸進入以地球生態系統為對象的綜合集成研究階段，研究工作更加依賴于網絡化的長期連續觀測資料的積累和分析，例如：NOAA組織的包括70多個高質量地基觀測站的大氣成分與溫室氣體變化探測網絡(NDACC)、德國BREDOM地基DOAS觀測網絡、歐洲氣溶膠雷達觀測網(EARLINET)、亞洲沙塵暴觀測網(AD-Net)等[2-5]，這一系列大型國際外場監測計劃推動了監測新技術的應用，發展了一系列在線監測新技術、超級站、立體監測平臺以及長期定位觀測站，應用于全球環境變化和區域環境質量監測。

近年來，中國環境監測技術取得了較大進步，如開展了環境痕量成分檢測的光學新原理、新方法研究，發展了痕量污染物和大氣成分的高分辨光譜探測方法及技術，包括紫外/可見/紅外光譜技術、激光光譜技術、光學遙感技術等，并發展了多平臺(地基、機載、星載)環境污染物/大氣成分(污染氣體、溫室氣體等)探測技術及系統集成以及空間大氣成分探測載荷、地基觀測網絡[6-12]。部分“863”計劃成果已實現產業化，初步打破了多年來中國自動在線環境監測儀器必須依賴國外進口的局面，基本滿足了當前空氣質量指標(SO2、NO2、PM10)監測和水環境指標(COD等)監測的需求，為國家環境監測能力建設提供設備支撐。一些高端監測技術設備也為國家重大應急環境工程提供了技術支撐。但是,由于中國環境監測的業務范圍、應用部門增多，監測方式、內容、精度發生明顯轉變，對高新技術的需求比任何時候都更加迫切。

2 環境監測光譜技術進展與應用

大氣環境污染常用的監測分析方法主要分為非光譜方法和光譜方法[13-14]。相比而言，以光學和光譜學遙感技術為基礎的光譜技術以其大范圍、多組分檢測、連續實時監測方式成為大氣污染監測的理想工具。其主要優點包括但不局限于：高靈敏度，通過選擇合適的光譜波段，可測出低于10-9的污染物體積混合比濃度；多物種性，可利用同一波段實現非接觸在線自動監測多種污染物的濃度；寬測量范圍，測量范圍可從100 m擴展至數千米，無需多點采樣即可獲得區域污染平均濃度，且光譜技術是唯一能夠在星載平臺觀測全球大氣環境變換的技術手段。所以，光學和光譜學技術在環境監測領域的應用越來越廣泛，并逐漸成為當前重要常規污染物在線監測的技術主流和發展方向。

2.1 痕量氣體紫外-可見-紅外光譜探測技術

大氣微量成分和痕量成分具有壽命短、化學活性等特點，可以通過化學過程形成酸雨、光化學煙霧等。因此，對這些大氣微量成分的研究已成為大氣化學的重點之一。基于光學原理的大氣成分在線監測技術以光學中的吸收光譜、發射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸等為研究基礎，主要形成了以差分光學吸收光譜(DOAS)技術、可調諧半導體激光吸收光譜(TDLAS)技術、傅立葉變換紅外光譜(FTIR)技術、非分光紅外(NDIR)技術、激光雷達(LIDAR)技術、光散射技術、熒光光譜技術、激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術、光聲光譜技術等為主體的環境光學監測技術體系，并研發了用于區域、立體、實時監測的系列設備，如表1所示，由于篇幅所限，筆者只介紹其中的幾種技術。

表1 大氣污染物監測技術與儀器[15-20]

2.1.1 DOAS技術

DOAS技術最早由德國Heidelberg大學環境物理研究所的PLATT教授在1977年提出，主要是利用吸收分子在紫外到可見波段的特征吸收來研究大氣層(平流層、對流層)的痕量氣體成分(CH2O、O3、NO2、SO2、Hg、NH3等)，見圖1。1982年，DOAS技術首次被用到了氣球上，進行NO2的分布研究[21]。1985年首顆衛星DOAS被用于監測全球臭氧的變化[22]。如今最前沿的DOAS技術已與以前的技術有了很大的差別，包括用太陽光、天空散射光作為光源(被動DOAS)，大氣垂直廓線測量，星載DOAS測量技術以及運用多束光線組成的DOA-斷層掃描技術，來獲得痕量氣體二維或三維的濃度分布場。基于低仰角O4的吸收，研究并解決了被動DOAS技術獲取痕量氣體吸收光程的難題，實現了痕量氣體近地面混合比計算。同時商業用途的DOAS系統也開始專門用于城市、地下通道、工業礦區的SO2、NOx、O3、CH4等有害氣體的監測[23-25]。

圖1 京津冀地區DOAS網絡污染氣體垂直廓線

2.1.2 TDLAS技術

TDLAS技術是一種基于半導體激光與長光程吸收池技術的痕量氣體檢測方法[26]，其原理是利用二極管激光器的波長調諧特性, 獲得待測氣體特征吸收光譜, 從而實現待測氣體的定性或定量分析，并根據不同探測需求，選擇不同波段，主要分為0.78～2.6 μm的近紅外光譜和3～13 μm的中紅外光譜。前者相應于某些分子的“泛頻”譜帶，后者則為分子特征的“指紋”區。與光聲光譜技術不能調諧相比，可調諧半導體激光在單模運轉時的典型線寬為0.000 2 cm-1，且可在所希望的波長區連續調諧，其中鉛鹽半導體激光器，發射激光波長在2～30 μm波段區域，在液氮溫區運行時，典型的波長調諧范圍達到100 cm-1，能滿足中紅外區光譜測量的要求。TDLAS技術的高靈敏度、高分辨率測量與應用多次反射吸收池技術分不開。多次反射吸收池結合多種類型的調制光譜技術，TDLAS可對一些分子的體積比檢測限達到10-12，而對大多數痕量大氣分子，檢測限一般都可達到10-9量級，已經廣泛用于大氣中多種痕量氣體的檢測以及泄漏氣體的檢測。國外，如意大利、德國、美國等都開展了大規模的TDLAS技術研究[27-30]，包括近紅外測量二氧化碳和甲烷，中紅外的鉛鹽和量子級聯激光器測量一氧化二氮和其他溫室氣體。德國的馬普化學所利用TDLAS技術對稻田和大氣對流層的甲烷進行了探測，美國的科羅拉多大學利用近紅外的TDLAS技術研制了用于對流層甲烷的測量系統等。國內，中國科學院安徽光機所、中國科學技術大學、天津大學等也開展了大量的研究工作[31-35]，近年來小型化TDLAS系統還進行了球載CO2廓線探測外場[36]，如圖2(a)所示。圖2(b)為不同海拔下的吸光度信號，從實驗結果可以看出，壓強和高度呈負相關，海拔越高，吸收線展寬越小，為研究痕量氣體監測分析和分子結構的信息及其動力學過程提供了技術支持。

圖2 小型化TDLAS系統球載實驗及探測結果

2.1.3 FTIR技術

FTIR技術是基于對干涉后的紅外光進行傅立葉變換，通過測量干涉圖和對干涉圖進行傅立葉積分變換獲得光譜圖，從而對各種形態的物質進行定性和定量分析的一種技術[34]。20世紀70年代發展起來的FTIR光譜儀具有測量范圍寬、測量精度和分辨率高以及測量速度快等優點，在對其光源、干涉儀、檢測器及數據處理等各系統進行了大量的研究與改進后,傅立葉變換紅外光譜儀獲得了快速發展。20世紀90年代初,衰減全反射技術開始應用到紅外顯微鏡上, 誕生了全反射傅立葉變換紅外光譜儀[37]。根據系統光源配置的不同，開放光路傅立葉變換紅外光譜儀可以分為單站式與雙站式2種方式[38]。開放光路傅立葉變換紅外光譜儀適用于大面積無組織面源監測，并分為單站式和雙站式配置。抽取式傅立葉變換紅外光譜儀則利用最常見的多次反射懷特池，通過主副鏡之間多次反射來提高光程，從而提高探測靈敏度。近年來掩日通量傅立葉紅外監測技術(SOF-FTIR)成為發展方向，因太陽在紅外波段有較強的輻射強度，大部分分子在紅外波段都有特征吸收，SOF-FTIR通過分析經過氣體吸收后的太陽光吸收光譜，識別反演氣體濃度。NDACC的紅外工作團隊一直在利用SOF-FTIR監測方法[39]，通過地基高分辨率FTIR光譜儀測量太陽吸收光譜，對大氣痕量氣體整層濃度廓線進行反演(圖3)。

圖3 2016年3月10—24日FTIR測量的VOC氣體廓線Fig.3 VOC concentration measured by FTIR in 10th-24th，March，2016

2.2 顆粒物光散射監測技術

大氣氣溶膠是指空氣與懸浮在空氣環境中的固體或液體粒子共同構成的多相體系，顆粒物就是分散在這個體系中的各種固態或液態粒子[40]。大氣顆粒物是大氣中影響環境空氣質量的主要污染物之一，通過直接和間接方式影響著地球的輻射平衡乃至氣候變化。激光雷達可通過探測激光與大氣相互作用的輻射信號來遙感大氣顆粒物(圖4)。地基激光雷達是在地面定點進行激光大氣探測，從而獲取其上空小范圍內大氣氣溶膠和卷云的垂直分布和時間變化特征，研究人員也建立了激光雷達觀測網(如歐洲氣溶膠研究激光雷達觀測網、微脈沖激光雷達網和美國東部海岸氣溶膠激光雷達網)，以獲得大氣氣溶膠和云的三維空間分布信息。美國EPA已利用激光雷達系統進行大氣污染環境監測；日本通產省已著手研制能探測三維大氣物質密度和成分的測污激光雷達，用以測量城市上空的SOx、O3、NOx、甲烷等氣體的三維立體分布；德國OHB公司生產的車載式差分吸收和米散射激光雷達(DAS)，主要用于測量臭氧和氣溶膠[41]。中國大氣探測工作者自20世紀60年代以來一直致力于激光雷達的研究工作[41-46]。中國科學院大氣物理研究所于1965年研制成功中國第一臺紅寶石激光雷達；中國科學院安徽光機所于20世紀80年代初開始加強激光大氣探測的研究并于1991年建立了中國最大的探測平流層氣溶膠的L 625激光雷達。張寅超、胡歡陵等于20世紀末研制了中國第一臺車載激光雷達，初步實現了SO2、O3、NO2和顆粒物的立體掃描測量。2000年周軍、岳古明等研制了532～1 064 nm雙波段米雷達，用于對流層氣溶膠消光系數的垂直廓線探測[47]。在激光技術和探測技術的推動下，激光雷達的種類已由早期的米散射(Mie)激光雷達發展為喇曼(Raman)激光雷達、多普勒(Doppler)激光雷達、差分吸收(DIAL)激光雷達、共振熒光(Fluorescence)激光雷達等多種類型的激光雷達，激光雷達的探測波長也由單一波長發展為多波長。

圖4 2018年1月27日00：00—18：00激光雷達探測氣溶膠消光系數

2.3 區域大氣污染觀測技術

經濟發展的長期不平衡性導致中國大氣環境正面臨著各城市群、各區域的多污染物相互作用、多類型污染源排放、多過程耦合及多尺度疊加的區域大氣污染的復雜局面。

2.3.1 針對區域污染物分布的定點觀測

為了獲取大范圍的數據比對，歐美等發達國家將一系列先進的主被動、多波段立體觀測儀器集成聯網，進行了大范圍的數據觀測分析，獲得了大量近地面污染物的采樣、柱濃度和廓線信息，并運用于全球氣候和環境變化領域。中國自2012年建立了廣東鶴山大氣監測超級站后，北京、上海、重慶、江蘇、湖北等十余個省(市)環保部門以及部分科研機構也開始建設大氣監測超級站，并逐步形成了以城市環境空氣質量監測站、區域空氣質量監測站和背景值監測站為主體的大氣環境監測網絡。2014年在中科院先導專項的支持下，京津冀區域以激光雷達、差分吸收光譜為觀測主題，部署了13個站點的顆粒物觀測網(圖5)。

圖5 區域顆粒物觀測網絡

該顆粒物觀測網結合高塔分層梯度觀測和衛星反演，對北京及周邊地區的PM2.5等大氣環境污染進行綜合立體監測，在監測區域和監測數據上與北京市環境保護局行業常規監測相互補充。利用常規污染物(NO2、SO2、O3)和顆粒物數據的綜合集成平臺，可以進行區域灰霾污染模擬與跨界輸送權重識別。此外，地基聯網觀測結果也常被用于測試和校驗其他地基、機載、衛星測量結果及反演算法，為大氣研究外場實驗提供數據支持，并測試和改善大氣理論模型。

2.3.2 針對污染源排放的車載走航觀測

車載系統作為地基觀測的移動補充，通常用于應急監測和預警預報。一般車載系統主要由太陽跟蹤器、光譜儀、GPS接收機、計算機、風速風向儀、車速儀、升降臺組成。以車載FTIR系統為例，太陽跟蹤器負責跟蹤太陽并將太陽光導入FTIR光譜儀；FTIR光譜儀負責測量經氣體吸收后的太陽光譜；GPS接收機通過接收定位衛星信號，計算并記錄測量點的經緯度；計算機是整個裝置的控制中心，負責協調各部分工作，結合GPS定位和FTIR算法反演就可以獲得污染物分布特征(圖6)。

圖6 車載FTIR觀測甲酸(CH2O2)和甲醇(CH3OH)

目前國內已開展了車載移動平臺上的區域及污染源污染物分布及排放信息光學遙感監測方法研究，并獲得了基于大氣輻射模型的污染物柱濃度獲取方法、多種大氣干擾效應校正方法、云干擾修正方法、污染物排放通量算法等；車載激光雷達，則已實現了傳輸通道上的氣溶膠粒子走航觀測，為識別高濃度污染氣團，判斷其可能來源提供信息。在實際運用中，對于不同的排放對象，通常采用2種方法。

對于高架點源排放，車載系統位于煙羽下風向進行煙羽剖面掃描，假設在每條測量譜的積分時間(采樣點)Δt內，儀器的運動距離為Δx，煙羽在風的作用下移動了Δy距離，假設煙羽運動方向(即風向)與觀測面(車行方向)成α角，則Δt內垂直通過面的通量(Fluxi,j，單位時間垂直通過單位面積的污染物的量)可以用式(1)表示：

(1)

因為Δx=V車,jΔt，Δy=V風,jΔt，V風⊥,j=V風,jsinα，所以式(1)可以寫作：

Fluxi,j=VCDi,jV車,jV風⊥,jΔt

(2)

式中：VCDi,j為第i種物質在第j個Δt間隔內的垂直柱濃度；V車,j為第j個Δt間隔內的車速；V風⊥,j為第j個Δt間隔內垂直于車行駛方向上的風場。

對于無組織面源排放監測，車載監測車對無組織區域面源圍繞測量，按照高架點源排放監測原理，可計算區域面源上風向的SO2、NO2、VOCs排放通量為Flux上和下風向的SO2、NO2、VOCs排放通量為Flux下，則無組織面源SO2、NO2、VOCs的凈排放通量為Flux凈=Flux下-Flux上。

3 發展趨勢

大氣污染物對人類環境的副作用隨大氣成分的不斷改變而改變，人類也在不斷加深對它們的認識。國際經驗表明，經過大規模治理后，環境質量改善仍需要20～30年，且至今還沒有一種單一技術能滿足痕量污染物監測的多種要求，所以發展更高精度、更多成分、更大范圍、更加實用的多平臺環境監測技術才能滿足環境污染及其變化的各種需求。

1)發展痕量、區域、立體監測方法及技術和設備。建立大氣成分和邊界層的在線/流動觀測、地基立體觀測網、機載和星載測量體系。將單項監測技術研發應用轉變為監測技術集成應用，從局部(點)監測轉變為區域(面)監測，實現多參數同時測定的各種監測技術研發，儀器設備實現業務化應用[48]。

2)加強無人機遙感技術應用。無人機遙感技術作為繼航空、航天遙感之后的第三代遙感技術，可快速獲取資源、環境等空間遙感信息，具有低成本、高安全性、高機動性和高分辨率等技術特點，還可與衛星協同觀測、彌補衛星空間觀測上的空白，超長時間、惡劣和危險環境下的監測使其在環境保護領域的應用有著得天獨厚的優勢，是未來環境測量的方向。

3)制定大氣污染監測質量控制技術。針對大氣污染監測新標準，發展大氣環境質量監測質量控制關鍵技術、大氣污染源監測的質量控制與標準化測試技術，形成大氣污染源排放綜合監測、大氣復合污染立體觀測以及大氣環境監測質量控制等技術規范。

總之，在大氣污染控制技術方面，監測技術正從單一資料的分析, 向多時相、多數據源(包括遙感、非遙感數據資料數據)的信息復合與綜合分析過渡，為形成“全面設點、全國聯網、自動預警、依法追責”的國家生態環境監測新格局提供科技和數據支持。

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腦性癱瘓（cerebral palsy，CP）簡稱腦癱，是自受孕開始至嬰兒期非進行性腦損傷和發育缺陷所導致的綜合征，主要表現為運動障礙及姿勢異常［1］，常常伴有智力障礙、語言障礙、癲癇、行為異常及視聽障礙。因病因的復雜性、治療的長期性及預后的不確定性等多方面的影響，對每一個家庭而言是一種強烈的負性刺激，會影響家庭成員的生活質量和心身健康，甚至導致疾病的發生。本研究對腦癱兒童粗大運動功能障礙程度、病程、花費和初診年齡等相關問題與其父母心理健康狀況的關系進行探討，旨在了解腦癱兒童父母心理健康狀況及其相關影響因素。

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