關(guān)于大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的技術(shù)及應(yīng)用研究

陳奇 章燕清

【摘?要】大氣環(huán)境是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)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(duì)流層到平流層的垂直空間里，具有顯著的時(shí)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(cè)技術(shù)水平，發(fā)展遙感觀(guān)測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的在線(xiàn)、快速、立體探測(cè)，對(duì)于了解大氣中各種成分的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程、源匯機(jī)制以及其對(duì)環(huán)境、氣候的影響等具有重要意義。

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

引言

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院等單位先后發(fā)展了大氣顆粒物激光雷達(dá)探測(cè)、痕量氣體多軸差分吸收光譜在線(xiàn)測(cè)量等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)備，構(gòu)建了我國(guó)首個(gè)大氣環(huán)境綜合立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，獲取了大量實(shí)驗(yàn)區(qū)大氣污染高分辨時(shí)空變化信息，彌補(bǔ)了常規(guī)業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)在監(jiān)測(cè)手段、監(jiān)測(cè)內(nèi)容和監(jiān)測(cè)范圍的不足。同時(shí)地面立體觀(guān)測(cè)網(wǎng)也已開(kāi)始起步，如“江淮大氣環(huán)境立體探測(cè)研究（示范）網(wǎng)”已在無(wú)錫、上海、合肥、岳西、廈門(mén)、銅陵等建立站點(diǎn)并連續(xù)運(yùn)行，開(kāi)展長(zhǎng)期的區(qū)域大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)。但總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)評(píng)估方法、技術(shù)手段發(fā)展都需要進(jìn)一步的提升，尤其是在大氣成分時(shí)空分布、相互作用及其變化過(guò)程的定量化綜合測(cè)量分析方面。因此，大氣污染物的高精度立體觀(guān)測(cè)方法研究和現(xiàn)代綜合觀(guān)測(cè)技術(shù)手段的發(fā)展，依然是研究的重點(diǎn)。

1.技術(shù)進(jìn)展

基于光學(xué)原理的大氣環(huán)境在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種新興技術(shù)，結(jié)合了環(huán)境科學(xué)、大氣光學(xué)、光譜學(xué)等學(xué)科，利用光學(xué)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(jī)理及監(jiān)測(cè)防治技術(shù)，圖1是痕量氣體在紫外-可見(jiàn)-紅外-激光波段的特征光譜例子，光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù)是發(fā)展環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，光譜數(shù)據(jù)分析方法是能否成功研發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的核心。目前國(guó)內(nèi)已形成了以差分光學(xué)吸收光譜（DOAS）技術(shù)、可調(diào)諧半導(dǎo)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(dá)技術(shù)、光散射測(cè)量技術(shù)、熒光光譜技術(shù)、激光誘導(dǎo)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(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)體系[2～9]。DOAS技術(shù)廣泛用于紫外和可見(jiàn)波段范圍，監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)污染物O3，NOx，SO2和苯等，測(cè)量的種類(lèi)為對(duì)應(yīng)于該波段的窄吸收光譜線(xiàn)的氣體成分，并對(duì)大氣中自由基NO3和HONO的測(cè)量十分有效。

1.1地基遙感監(jiān)測(cè)

污染氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)。地基大氣成分遙感探測(cè)技術(shù)主要有被動(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。被動(dòng)DOAS技術(shù)通過(guò)探測(cè)太陽(yáng)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(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了主動(dòng)DOAS技術(shù)、地基被動(dòng)DOAS技術(shù)（MAX-DOAS和車(chē)載多動(dòng)DOAS）以及機(jī)載和星載DOAS技術(shù)的研究。大氣環(huán)境空氣質(zhì)量的主動(dòng)DOAS監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)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(xiàn)探測(cè)。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(cè)的新技術(shù)，以散射太陽(yáng)光作為光源，通過(guò)天頂及多個(gè)離軸方向?qū)Υ┰酱髿鈱拥纳⑸涮?yáng)光譜（紫外/可見(jiàn)）進(jìn)行探測(cè)，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(gè)離軸（近地面低仰角）探測(cè)方向，對(duì)低層大氣探測(cè)更為靈敏，通過(guò)被動(dòng)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(duì)流層痕量氣體的垂直柱濃度以及垂直分布信息，特別是對(duì)邊界層非常敏感，可用于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的地基校驗(yàn)和化學(xué)模型的校驗(yàn)。

1.2車(chē)載測(cè)量技術(shù)

在存在主導(dǎo)風(fēng)向的天氣下，如果將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝載于車(chē)上，圍繞某一區(qū)域周?chē)鷾y(cè)量，結(jié)合氣象儀器提供的風(fēng)速、風(fēng)向信息，GPS系統(tǒng)提供測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息，通過(guò)計(jì)算就可以監(jiān)測(cè)出該區(qū)域的有害氣體排放通量。車(chē)載測(cè)量技術(shù)通常有兩種監(jiān)測(cè)模式：閉合路徑監(jiān)測(cè)模式和下風(fēng)口監(jiān)測(cè)模式當(dāng)工業(yè)區(qū)周?chē)斜O(jiān)測(cè)車(chē)可以通過(guò)的閉合路徑時(shí)可以采用閉合路徑監(jiān)測(cè)模式，該方式測(cè)量到的工業(yè)區(qū)有害氣體排放通量更準(zhǔn)確。當(dāng)工業(yè)區(qū)周?chē)鷽](méi)有監(jiān)測(cè)車(chē)可以通過(guò)的閉合路徑時(shí)，如果風(fēng)速較大且比較穩(wěn)定，工業(yè)排放氣體幾乎都被吹到下風(fēng)向，此時(shí)可以采用下風(fēng)口監(jiān)測(cè)模式，監(jiān)測(cè)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(shí)際車(chē)載測(cè)量中，出于精確測(cè)量氣體擴(kuò)散場(chǎng)的考慮，需要根據(jù)車(chē)載的風(fēng)速儀實(shí)測(cè)地面風(fēng)速來(lái)估算風(fēng)廓線(xiàn)，利用經(jīng)驗(yàn)公式并考慮煙羽擴(kuò)散模式。

1.3 機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)

在地基遙感技術(shù)快速發(fā)展并逐漸成熟的基礎(chǔ)上，借助于機(jī)載平臺(tái)的大氣環(huán)境遙感載荷也開(kāi)始發(fā)展起來(lái)。需要建立大氣環(huán)境立體探測(cè)的空中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括飛艇、飛機(jī)、氣球以及無(wú)人機(jī)等的遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多時(shí)空尺度全面長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)積累，逐步形成對(duì)大氣系統(tǒng)的立體、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析能力。開(kāi)展大氣不同高度的大氣物理化學(xué)過(guò)程研究，以及從區(qū)域尺度到全球尺度的系統(tǒng)觀(guān)測(cè)測(cè)量研究。如美國(guó)大氣和地球科學(xué)研究機(jī)構(gòu)所裝備的C-130，ER-2，灣流和麥道等大氣綜合探測(cè)飛機(jī)系統(tǒng)，歐洲的FAlCON。

2.應(yīng)用示范

利用立體監(jiān)測(cè)技術(shù)可以監(jiān)測(cè)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(guò)環(huán)境保護(hù)的有關(guān)規(guī)定，并可以用這些信息通過(guò)閉路反饋系統(tǒng)控制生產(chǎn)過(guò)程，對(duì)環(huán)境污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制和治理，目前已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、污染源煙氣排放監(jiān)測(cè)、霧霾時(shí)空分布監(jiān)測(cè)、區(qū)域排放通量監(jiān)測(cè)、交通排放現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體排放等方面。

2.1 霧霾過(guò)程時(shí)空分布監(jiān)測(cè)

細(xì)粒子雷達(dá)通過(guò)直接觀(guān)測(cè)對(duì)流層范圍內(nèi)細(xì)粒子的空間分布和時(shí)間演化，監(jiān)測(cè)真實(shí)大氣中的污染過(guò)，了解對(duì)流層尺度灰霾與光化學(xué)煙霧的污染狀況，取得準(zhǔn)確的污染物種類(lèi)和來(lái)源，為分析灰霾過(guò)程引起的顆粒物形態(tài)和光學(xué)性質(zhì)的變化提供科學(xué)數(shù)據(jù)。

2.2 生態(tài)系統(tǒng)痕量氣體激光在線(xiàn)監(jiān)測(cè)對(duì)于大型生態(tài)系統(tǒng)，由于下墊面的非均一性及天氣過(guò)程的不可重復(fù)性，痕量氣體的分布存在較大的時(shí)空差異，通過(guò)開(kāi)放式生態(tài)系統(tǒng)痕量氣體在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率、高靈敏度的大尺度痕量氣體濃度的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。實(shí)際運(yùn)用中，利用高頻波長(zhǎng)掃描技術(shù)改善大氣湍流對(duì)激光吸收光譜造成的影響，并結(jié)合參考校準(zhǔn)光譜，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

結(jié)束語(yǔ)：

基于光學(xué)與光譜技術(shù)的大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展已有十余年，其應(yīng)用廣度和深度仍在不斷擴(kuò)展。作為全世界范圍內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展最快的國(guó)家之一，我國(guó)的大氣污染問(wèn)題已引起越來(lái)越多的關(guān)注，構(gòu)建并完善以常規(guī)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，遙感監(jiān)測(cè)為輔助的天地一體式環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，提高監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)水平，建設(shè)大氣環(huán)境探測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施。針對(duì)我國(guó)大氣復(fù)合污染防治研究，建設(shè)我國(guó)自己的大氣環(huán)境探測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施，形成從實(shí)驗(yàn)室微觀(guān)機(jī)理研究到模擬大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)，再到外場(chǎng)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的有機(jī)閉環(huán)鏈條，揭示我國(guó)城市和區(qū)域尺度的大氣復(fù)合污染形成機(jī)理并量化其環(huán)境影響，建立符合中國(guó)特點(diǎn)的相關(guān)污染模式，從而預(yù)測(cè)我國(guó)不同區(qū)域背景下大氣環(huán)境復(fù)合污染及其環(huán)境效應(yīng)的發(fā)控制戰(zhàn)略提供科技支撐。

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