大气环境高灵敏光谱探测技术(3)
多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术是近年逐渐发展起来的一种多种成分同时探测的被动遥感技术,其探测来自不同观测仰角的散射太阳光辐射,通过光谱解析获得污染成分沿光程的斜柱浓度,结合大气辐射传输模型反演来实现对多种大气痕量气体对流层柱总量、廓线分布信息的探测,其对边界层或对流层底的时空变化非常敏感,可以同时获得污染气体SO2、NO2、甲醛(HCHO)、HONO和气溶胶在对流层的垂直总量和分布信息,其在国内已应用于区域大气复合污染的研究[4,13-15]。
如图7(a)(b)(c)(d)所示,利用MAX-DOAS获取了2014年北京怀柔APEC会议期间污染过程中HCHO的垂直廓线分布演变[16]。HCHO主要集中在1.0 km以下,基本来自局地产生,同时HCHO的浓度高值主要出现在午后和下午,表明HCHO的浓度受到光化学反应二次生成的影响。结合风场分析,西南风将HCHO的前体物VOCs等传输至观测站点,VOCs在观测点经过光化学反应生成HCHO且不断累积从而使HCHO浓度升高,即该地HCHO浓度主要受污染输送和二次氧化生成的影响。
图7 2014年11月14—17日一次污染过程的HCHO垂直廓线
2.3 车载走航立体遥测
在地基立体网的基础上,同时逐渐发展车载走航立体遥测,其更具有机动性,可以更有针对性地对所关心区域的污染分布进行网络化监测。采用高灵敏光谱探测技术来构建车载大气污染立体分布及输送遥测系统,可以实现大气污染成分的立体分布及排放、输送通量,为大气污染的预报预警、大气成分区域输送监测、大气污染模型研究、卫星遥感的地面验证等方面研究提供科学数据[17-18]。车载大气污染立体分布及输送的遥测系统通常集成掩日通量遥测傅里叶红外光谱(SOF-FTIR)、被动DOAS以及激光雷达,分别实现VOCs污染气体空间分布及排放通量测量、SO2/NO2空间分布及排放通量测量以及PM/O3空间分布测量,此外通常车辆还可安装空气质量监测系统及微小型气象仪,用于获取移动式监测环境空气质量及多种气象参数。
例如,2017年4个典型季节采用车载走航立体遥测系统对京津冀区域5条(西南、东部、南部、东南及西北输送通道)主要污染输送通道及输送界面的污染气团进行了扫描测量,NO2和SO2柱浓度空间分布特征见图8(a)(b)。系统快速获取了京津冀及其污染输送通道NO2和SO2柱浓度空间分布特征,其中西南通道为京津冀最主要的污染物输送通道,在南、北风场下污染气体柱浓度呈现显著区别;山东、天津等地污染物在南风影响下沿东南通道向北输送;北部通道在不利气象条件下,山谷间易形成污染物积累。
2.4 机载/无人机立体遥测
大气环境高灵敏光谱探测技术不仅可以搭载在车载平台,也可以应用于有人机或无人机平台。通过对机载污染气体区域分布遥测系统观测数据的分析,获得了污染物的时空分布特征,同时将观测数据与地图叠加,快速甄别污染来源。例如,通过机载成像DOAS系统对地观测,在河北某市城郊地区发现了工业排放源或散乱源排放,SO2和NO2都具有相对高值,机载遥测NO2和SO2分布特征见图9。通过对比城市地区的观测结果,显示城市附近的NO2具有较高值,主要由交通排放引起,对于周边地区的高值点进行成像,发现主要位于工业区或散乱源烟囱排放的上方区域。
图8 京津冀区域主要污染输送通道典型季节NO2和SO2柱浓度空间分布特征
图9 机载遥测NO2和SO2分布特征
3 大气环境高灵敏光谱探测技术的发展趋势
随着科学技术的进步,环境监测技术迅速发展,光谱技术、仪器分析、计算机技术等现代化技术手段在环境监测中得到了广泛应用,基于光谱技术的各种自动连续监测系统相继问世,推动了相关设备的产业化及示范应用。环境监测已从单一的环境分析发展到物理监测、流动监测、遥感和卫星监测,已从间断性监测逐步过渡到自动连续监测,并且已经建立了系统性、区域性、复合性的污染检测和污染信息研究体系。
随着系列化的环境光学和光谱学等技术的研发,大气痕量成分的检测极限向更高精度发展,由ppm级(10-6)转向ppb(10-9)、ppt(10-12)和ppq(10-15)级,即监测分析由常量分析转向常量与痕量、超痕量分析相结合;大气痕量成分的探测种类向更多组分发展,即常规的SO2、颗粒物、NOx等向O3、VOCs发展,更契合京津冀、长三角等地大气污染灰霾与臭氧协同防治对监测的需求。
局域微观精细化监测方面,将大力发展基于物联网技术的大气环境监测传感器,实现网络化的污染源监测;宏观区域监测方面,创新地基遥感监测手段,获取更多的大气成分和气象参数,突破卫星和机载高光谱分辨率大气遥感关键技术,提升重污染天气下的观测能力,实现大气环境的立体化、智能化综合关联监测,为我国的环境科学研究、环境质量管理和环境外交提供科学技术和支撑。
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0211/361.html
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