区域大气环境污染光学探测技术进展(2)
为了进一步研究京津冀地区大气污染特征,厘清输送通道的影响,在科学技术部和中国科学院的支持下,中国科学院及国内科研院所在京津冀地区多次开展了大气环境立体探测技术研究. 2017年9月实施的“大气重污染成因与治理攻关项目”更是建立了迄今为止我国京津冀地区最完备的天地空一体化立体综合观测网. 16个地基立体观测站点从2017年10月下旬投入连续观测,以激光雷达、MAX-DOAS、卫星遥感等空间立体观测手段为主,充分利用区域或典型城市大气中污染物总量的综合观测技术和方法,重点关注太行山输送通道、燕山输送通道、东南部和南部输送通道的空间输送状况,获取了静稳天气下的污染物总量数据、对流天气下的污染物通量数据以及污染物积累过程的观测数据. 地基立体观测站点选址经过关联性优化,多位于城市行政边界位置,力图减少本地污染源的影响,强化输送观测的代表性. 通过大量的观测和数值模拟等研究,基本弄清了京津冀及周边地区大气污染的成因和污染传输路径,达成了科学共识. 图2为激光雷达于2018年1月中旬观测到的京津冀地区污染物输送通道及其时空分布,污染前期主要集中在京津冀中南部和山西省南部地区,污染中后期京津冀地区北部(如北京市、天津市、廊坊市等城市)受多股弱冷空气影响,污染形势有所缓解,但京津冀地区中南部重污染过程持续. 2017—2018年秋冬季,京津冀地区几次污染形成初期,均主要以偏南风(西南风或南风)为主,风速较低,并且存在明显的边界层降低和逆温现象.
图2 2018年1月中旬激光雷达观测到的京津冀区域污染物输送通道及其时空分布Fig.2 Spatio-temporal transport channel and distribution of pollutants observed by Lidar in the middle of January in Beijing-Tianjin-Hebei Region
2.2车载走航观测
车载走航遥测不受地点、时间、季节的限制,在突发性环境污染事故发生时,监测车可迅速进入污染现场,应用监测仪器在第一时间查明污染物的种类、污染程度,同时结合车载气象系统确定污染范围以及污染扩散趋势,可准确地为决策部门提供技术依据. 车载大气污染监测系统主要由激光发射系统、接收系统、信号探测与采集系统、GPS全球定位系统4个单元组成. 激光器发射的激光经准直扩束后垂直进入大气,激光与大气相互作用产生的后向散射光被望远镜接收,接收信号经探测采集存储进入计算机. 此外,GPS全球定位系统采集的经纬度信息也被存储进监测设备的原始数据中. 在区域大气污染立体监测中,通常使用车载走航SOF-FTIR观测VOCs、车载多轴DOAS观测SO2NO2通量、车载激光雷达观测颗粒物通量和总量,此外还可安装空气质量监测系统,用于获取移动式监测环境空气质量及多种气象参数. 在具体应用中,走航路线的设计原则:重点城市的观测路线应能围绕该区域的代表性区域,且能路线闭合;大范围观测路线应选择经过重点城市的高速公路网,且路线应尽可能沿可能输送路径、能覆盖整个污染气团剖面,观测路线应尽量避开道路上方有遮挡物(如隧道、树荫)的路线.
车载移动监测获取污染气体通量的原理基本相似,该研究以车载被动DOAS为例进行介绍. 车载被动DOAS系统对烟羽剖面进行扫描测量〔见图3(a)〕,假设在每条测量谱的积分时间(采样点)Δt内,仪器运动距离为Δx,而烟羽在风的作用下移动距离为Δy,此时测量过程中采样点气体的垂直柱浓度(VCD)反映的是图3(a)中这个立方体所包围着的烟羽的平均柱密度(单位为μgm2). 假设烟羽运动方向(即风向)与观测面(车行方向)BCGF成α角,则Δt内垂直通过面BCGF的通量(单位时间垂直通过单位面积的污染物的量)可以写作Fluxi,j=VCDi,j×V车,j×V风⊥,j×Δt(式中,V风⊥,j=V风,j×sinα,表示风向垂直于运动方向的分量). 在通量测量计算中,通过与点源的对比验证,采用的是烟羽高度上的风速来计算排放通量,烟羽高度上的风速一般通过风廓线获取,但有时在测量过程中无法获取风廓线数据. 当大气稳定度在中性级别时,地面气象站数据和高空数据具有较好的一致性,所以在此情况下可采用地面气象站风速数据. 在实际应用中,首先选取合理的走航路径,同时对重点观测城市划分成几个区域,分别对每个区域进行移动观测,获取每个区域的SO2、NO2排放量,用于卫星数据比对及改善对现有污染源清单的认识. 图3(b)为车载DOAS移动监测到的我国中部某城市大气中的NO2柱浓度,测量当日的主导风向为西南风,在测量区域的东北部出现了NO2柱浓度高值,说明在此风场影响下,监测区域对该城市主城区有NO2输送过程.
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0211/360.html
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