大气污染光学遥感技术及发展趋势(3)
2.2 颗粒物光散射监测技术
大气气溶胶是指空气与悬浮在空气环境中的固体或液体粒子共同构成的多相体系,颗粒物就是分散在这个体系中的各种固态或液态粒子[40]。大气颗粒物是大气中影响环境空气质量的主要污染物之一,通过直接和间接方式影响着地球的辐射平衡乃至气候变化。激光雷达可通过探测激光与大气相互作用的辐射信号来遥感大气颗粒物(图4)。地基激光雷达是在地面定点进行激光大气探测,从而获取其上空小范围内大气气溶胶和卷云的垂直分布和时间变化特征,研究人员也建立了激光雷达观测网(如欧洲气溶胶研究激光雷达观测网、微脉冲激光雷达网和美国东部海岸气溶胶激光雷达网),以获得大气气溶胶和云的三维空间分布信息。美国EPA已利用激光雷达系统进行大气污染环境监测;日本通产省已着手研制能探测三维大气物质密度和成分的测污激光雷达,用以测量城市上空的SOx、O3、NOx、甲烷等气体的三维立体分布;德国OHB公司生产的车载式差分吸收和米散射激光雷达(DAS),主要用于测量臭氧和气溶胶[41]。中国大气探测工作者自20世纪60年代以来一直致力于激光雷达的研究工作[41-46]。中国科学院大气物理研究所于1965年研制成功中国第一台红宝石激光雷达;中国科学院安徽光机所于20世纪80年代初开始加强激光大气探测的研究并于1991年建立了中国最大的探测平流层气溶胶的L 625激光雷达。张寅超、胡欢陵等于20世纪末研制了中国第一台车载激光雷达,初步实现了SO2、O3、NO2和颗粒物的立体扫描测量。2000年周军、岳古明等研制了532~1 064 nm双波段米雷达,用于对流层气溶胶消光系数的垂直廓线探测[47]。在激光技术和探测技术的推动下,激光雷达的种类已由早期的米散射(Mie)激光雷达发展为喇曼(Raman)激光雷达、多普勒(Doppler)激光雷达、差分吸收(DIAL)激光雷达、共振荧光(Fluorescence)激光雷达等多种类型的激光雷达,激光雷达的探测波长也由单一波长发展为多波长。
图4 2018年1月27日00:00—18:00激光雷达探测气溶胶消光系数Fig.4 Aerosol extinction coefficient measured by LIDAR in 00:00-18:00 in 27th January, 2018
2.3 区域大气污染观测技术
经济发展的长期不平衡性导致中国大气环境正面临着各城市群、各区域的多污染物相互作用、多类型污染源排放、多过程耦合及多尺度叠加的区域大气污染的复杂局面。
2.3.1 针对区域污染物分布的定点观测
为了获取大范围的数据比对,欧美等发达国家将一系列先进的主被动、多波段立体观测仪器集成联网,进行了大范围的数据观测分析,获得了大量近地面污染物的采样、柱浓度和廓线信息,并运用于全球气候和环境变化领域。中国自2012年建立了广东鹤山大气监测超级站后,北京、上海、重庆、江苏、湖北等十余个省(市)环保部门以及部分科研机构也开始建设大气监测超级站,并逐步形成了以城市环境空气质量监测站、区域空气质量监测站和背景值监测站为主体的大气环境监测网络。2014年在中科院先导专项的支持下,京津冀区域以激光雷达、差分吸收光谱为观测主题,部署了13个站点的颗粒物观测网(图5)。
图5 区域颗粒物观测网络Fig.5 Integrated three-dimensional monitoring systemfor regional atmospheric environment
该颗粒物观测网结合高塔分层梯度观测和卫星反演,对北京及周边地区的PM2.5等大气环境污染进行综合立体监测,在监测区域和监测数据上与北京市环境保护局行业常规监测相互补充。利用常规污染物(NO2、SO2、O3)和颗粒物数据的综合集成平台,可以进行区域灰霾污染模拟与跨界输送权重识别。此外,地基联网观测结果也常被用于测试和校验其他地基、机载、卫星测量结果及反演算法,为大气研究外场实验提供数据支持,并测试和改善大气理论模型。
2.3.2 针对污染源排放的车载走航观测
车载系统作为地基观测的移动补充,通常用于应急监测和预警预报。一般车载系统主要由太阳跟踪器、光谱仪、GPS接收机、计算机、风速风向仪、车速仪、升降台组成。以车载FTIR系统为例,太阳跟踪器负责跟踪太阳并将太阳光导入FTIR光谱仪;FTIR光谱仪负责测量经气体吸收后的太阳光谱;GPS接收机通过接收定位卫星信号,计算并记录测量点的经纬度;计算机是整个装置的控制中心,负责协调各部分工作,结合GPS定位和FTIR算法反演就可以获得污染物分布特征(图6)。
图6 车载FTIR观测甲酸(CH2O2)和甲醇(CH3OH)Fig.6 CH2O2 and CH3OH measured by mobile FTIR
文章来源:《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0212/362.html
上一篇:大气环境高灵敏光谱探测技术
下一篇:2013年中国光学学会学术大会