試論我國(guó)大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

徐建閣

（河南省濮陽(yáng)市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，河南 濮陽(yáng) 457000）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，但環(huán)境問(wèn)題也越來(lái)越突出，政府對(duì)環(huán)境保護(hù)的重要性認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻，目前已經(jīng)開(kāi)始積極轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式，環(huán)境保護(hù)與生態(tài)治理也逐漸成為我國(guó)的重點(diǎn)關(guān)注和研究?jī)?nèi)容。大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)是我國(guó)針對(duì)大氣環(huán)境污染防治、應(yīng)對(duì)氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境、保障人體健康等重大需求開(kāi)展的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于我國(guó)的環(huán)境治理具有不可取代的重要意義。因此，筆者就我國(guó)目前現(xiàn)有的大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行介紹，主要包括：機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、星載遙感監(jiān)測(cè)以及車載測(cè)量設(shè)備，并探究了這四大技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀。

2 機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理為將監(jiān)測(cè)設(shè)備安裝到飛機(jī)上，由飛機(jī)將監(jiān)測(cè)設(shè)備帶到大氣的平流層，對(duì)不同高度的大氣污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]。

目前，我國(guó)的機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)有了進(jìn)一步的發(fā)展，有特定的飛機(jī)用于測(cè)量大氣污染，且建立了基于飛艇、飛機(jī)、氣球以及無(wú)人機(jī)等機(jī)載平臺(tái)的大氣環(huán)境空中監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)不同高度、全球區(qū)域的大氣環(huán)境的全面、長(zhǎng)期、連續(xù)、立體、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2014年，我國(guó)成功研發(fā)了一種可快速獲取區(qū)域環(huán)境大氣污染成分的機(jī)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括機(jī)載激光雷達(dá)、機(jī)載差分吸收光譜儀和機(jī)載多角度偏振輻射計(jì)，這三種技術(shù)可以互相補(bǔ)充、合作監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境中大氣氣溶膠、污染氣體、顆粒物等主要大氣成分。其中機(jī)載差分吸收光譜儀是該系統(tǒng)的關(guān)鍵，其工作原理為通過(guò)探測(cè)地物的反射光譜，利用差分吸收光譜技術(shù)獲得污染氣體的區(qū)域分布狀況，并快速地探知地面排放污染源[2]。機(jī)載激光雷達(dá)用于探測(cè)云和氣溶膠相互作用、污染區(qū)域、沙塵傳輸路徑以及大氣環(huán)境突發(fā)事件等問(wèn)題，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較星載激光雷達(dá)所獲數(shù)據(jù)更為精確，可以解決星載激光雷達(dá)信噪比偏低的問(wèn)題，是星載激光雷達(dá)的有效補(bǔ)充及進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)對(duì)比的重要平臺(tái)。

3 地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)是我國(guó)常見(jiàn)的并逐漸成熟的大氣污染監(jiān)測(cè)技術(shù)，主要包括被動(dòng)差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)、被動(dòng)傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)、多波段光度計(jì)遙感、微波輻射計(jì)遙感等。該技術(shù)利用地基監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)大氣不同成分對(duì)太陽(yáng)光譜的吸收不同，且針對(duì)不同的光束進(jìn)行反射的原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，得出監(jiān)測(cè)區(qū)域的大氣中的主要?dú)怏w成分。

目前，我國(guó)地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)的最新發(fā)展為DOAS技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，該技術(shù)可以對(duì)大氣環(huán)境中的SO2和CO2進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)測(cè)，在地基站還可以監(jiān)測(cè)大氣有害氣體的含量及其集中分布的位置，為我國(guó)治理有害氣體和環(huán)境污染提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

3.1 被動(dòng)DOAS技術(shù)

被動(dòng)DOAS技術(shù)的工作原理為監(jiān)測(cè)大氣中不同氣體的吸收太陽(yáng)光譜的截面，并反演各種痕量氣體的含量[3]。目前，中國(guó)正在開(kāi)展主動(dòng)DOAS技術(shù)、地基被動(dòng)DOAS技術(shù)、機(jī)載和星載DOAS技術(shù)的研究。

3.2 傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)指的是通過(guò)測(cè)量干涉圖和對(duì)干涉圖進(jìn)行傅里葉變化的方法來(lái)測(cè)定紅外光譜。傅里葉變換紅外光譜技術(shù)主要具有監(jiān)測(cè)信號(hào)傳輸路徑多、監(jiān)測(cè)精確度高、分辨率高、波段寬等優(yōu)點(diǎn)，如今在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用十分廣泛，尤其適用于測(cè)量和鑒別污染嚴(yán)重的大氣成分、有機(jī)物或酸類以及溫室氣體等。

3.3 激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)

激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的工作原理為利用激光對(duì)大氣光學(xué)、物理特性、氣象參數(shù)進(jìn)行連續(xù)、高時(shí)空的監(jiān)測(cè)，從而獲得監(jiān)測(cè)區(qū)域中大氣三維數(shù)據(jù)的分布狀況。激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)具有監(jiān)測(cè)精度高、時(shí)空分辨率高、可長(zhǎng)期連續(xù)測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，如今已被廣泛應(yīng)用到大氣傳輸、全球氣候預(yù)測(cè)、氣溶膠氣候效應(yīng)等研究中。

目前，激光雷達(dá)技術(shù)有了新一步的發(fā)展，其硬件設(shè)備和算法進(jìn)一步完善，在激光光源、發(fā)射與接收光學(xué)、信號(hào)探測(cè)與采集等方面取得了不錯(cuò)的發(fā)展，激光雷達(dá)的探測(cè)功能逐漸多樣化，由僅能夜晚監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變?yōu)槿毂O(jiān)測(cè)，并且逐漸實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

同時(shí)，激光雷達(dá)監(jiān)測(cè)技術(shù)的監(jiān)測(cè)范圍不斷擴(kuò)大，氣溶膠等大氣成分的監(jiān)測(cè)精度不斷提升，并且減少了監(jiān)測(cè)盲區(qū)，尤其是在霧霾治理中起到了重要作用。目前，國(guó)際上建立了多個(gè)區(qū)域性地基激光雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)。激光雷達(dá)平臺(tái)由地基、車載發(fā)展到機(jī)載和星載，其監(jiān)測(cè)大氣氣體的范圍從局域逐漸拓展到區(qū)域。

4 星載遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用

衛(wèi)星遙感技術(shù)的原理為利用衛(wèi)星根據(jù)不同化學(xué)物質(zhì)的吸收特性反演大氣主要化學(xué)物質(zhì)的濃度及分布狀況，反映大氣的整體狀況。衛(wèi)星遙感技術(shù)具有全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的特點(diǎn)，在大氣監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮著不可替代的重要作用。衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠反映污染物在大氣層的水平分布狀況，可用于污染氣體的傳輸和排放研究。中國(guó)科學(xué)院研發(fā)的“載荷”氣體差分吸收光譜儀致力于監(jiān)測(cè) CH4、NOx、氣溶膠、SO2、O3和痕量氣體等主要大氣成分。

5 車載測(cè)量技術(shù)及其應(yīng)用

車載測(cè)量技術(shù)指的是將監(jiān)測(cè)設(shè)備放置在車輛上，將車輛行駛到某一需要監(jiān)測(cè)的特定區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4]。車載設(shè)備常用于有主導(dǎo)風(fēng)向天氣下的大氣污染物監(jiān)測(cè)，常用于監(jiān)測(cè)的區(qū)域?yàn)楣I(yè)區(qū)。此方法監(jiān)測(cè)時(shí)，污染物易受到風(fēng)力影響發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此給監(jiān)測(cè)大氣污染物帶來(lái)不小的難度。車載測(cè)量設(shè)備的原理是通過(guò)特定污染物監(jiān)測(cè)設(shè)備得到數(shù)據(jù)，結(jié)合氣象參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，以及GPS系統(tǒng)得到的該區(qū)域的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)等計(jì)算得到污染氣體的實(shí)際排放量。

車載測(cè)量技術(shù)通常有兩種監(jiān)測(cè)模式:一是閉合路徑監(jiān)測(cè)模式，主要用于周圍有可供車輛通過(guò)的閉合道路的監(jiān)測(cè)區(qū)域，該方式測(cè)量到的污染氣體排放量較為準(zhǔn)確；二是下風(fēng)口監(jiān)測(cè)模式，主要用于周圍沒(méi)有可供車輛通過(guò)的閉合道路的監(jiān)測(cè)區(qū)域，這時(shí)若該區(qū)域的風(fēng)速比較穩(wěn)定，那么該區(qū)域的污染氣體幾乎都會(huì)被吹到下風(fēng)向。因此，利用下風(fēng)口監(jiān)測(cè)模式得到的污染氣體排放量是最接近該區(qū)域的實(shí)際污染氣體排放量的。目前，該技術(shù)的應(yīng)用主要為監(jiān)測(cè)工業(yè)園區(qū)NO2等污染氣體的煙羽及擴(kuò)散過(guò)程，為該區(qū)域的減排工作提供科學(xué)的數(shù)據(jù)依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

大氣環(huán)境關(guān)系到人類的身體健康和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境治理問(wèn)題是我國(guó)急需解決的重要問(wèn)題，大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)是開(kāi)展環(huán)境治理的一項(xiàng)前置技術(shù)，對(duì)此，我國(guó)應(yīng)大力開(kāi)展此項(xiàng)工作，加大大氣立體監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)的支持力度。同時(shí)，對(duì)于現(xiàn)有的機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、地基遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、星載遙感監(jiān)測(cè)以及車載測(cè)量設(shè)備等大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)要繼續(xù)優(yōu)化和應(yīng)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)體系的完善和發(fā)展。