關于大氣環境監測的技術及應用研究

陳奇 章燕清

【摘?要】大氣環境是一個十分復雜的動態系統，大氣氣溶膠及其氣態前體物、大氣成分及環境要素分布在從大氣邊界層、對流層到平流層的垂直空間里，具有顯著的時間和空間變化特征以及典型的地理環境氣候區域特征，影響著空氣質量、氣候變化。提高大氣環境的監測技術水平，發展遙感觀測手段，實現對大氣環境的在線、快速、立體探測，對于了解大氣中各種成分的動態變化過程、源匯機制以及其對環境、氣候的影響等具有重要意義。

【關鍵詞】立體監測;環境光學;大氣環境

引言

近年來，中國科學院等單位先后發展了大氣顆粒物激光雷達探測、痕量氣體多軸差分吸收光譜在線測量等關鍵技術設備，構建了我國首個大氣環境綜合立體監測系統，獲取了大量實驗區大氣污染高分辨時空變化信息，彌補了常規業務監測網絡在監測手段、監測內容和監測范圍的不足。同時地面立體觀測網也已開始起步，如“江淮大氣環境立體探測研究（示范）網”已在無錫、上海、合肥、岳西、廈門、銅陵等建立站點并連續運行，開展長期的區域大氣環境監測。但總的來說，我國大氣環境立體監測評估方法、技術手段發展都需要進一步的提升，尤其是在大氣成分時空分布、相互作用及其變化過程的定量化綜合測量分析方面。因此，大氣污染物的高精度立體觀測方法研究和現代綜合觀測技術手段的發展，依然是研究的重點。

1.技術進展

基于光學原理的大氣環境在線監測技術是一種新興技術，結合了環境科學、大氣光學、光譜學等學科，利用光學中的吸收光譜、發射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸等方法研究環境污染的機理及監測防治技術，圖1是痕量氣體在紫外-可見-紅外-激光波段的特征光譜例子，光譜特征數據庫是發展環境監測技術的基礎，光譜數據分析方法是能否成功研發環境監測儀器設備的核心。目前國內已形成了以差分光學吸收光譜（DOAS）技術、可調諧半導體激光吸收光譜（TDLAS）技術、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）技術、非分光紅外（NDIR）技術、激光雷達技術、光散射測量技術、熒光光譜技術、激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術、光聲光譜技術等為主體的環境光學監測技術體系[2～9]。DOAS技術廣泛用于紫外和可見波段范圍，監測標準污染物O3，NOx，SO2和苯等，測量的種類為對應于該波段的窄吸收光譜線的氣體成分，并對大氣中自由基NO3和HONO的測量十分有效。

1.1地基遙感監測

污染氣體監測技術。地基大氣成分遙感探測技術主要有被動差分吸收光譜技術（DOAS）、被動傅里葉變換紅外光譜技術（FTIR）、多波段光度計遙感、微波輻射計遙感等。被動DOAS技術通過探測太陽散射光譜，結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。目前中國科學院安徽光學精密機械研究所在國內率先開展了主動DOAS技術、地基被動DOAS技術（MAX-DOAS和車載多動DOAS）以及機載和星載DOAS技術的研究。大氣環境空氣質量的主動DOAS監測技術研究，可以實現對大氣環境一次污染物（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探測。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的新技術，以散射太陽光作為光源，通過天頂及多個離軸方向對穿越大氣層的散射太陽光譜（紫外/可見）進行探測，這些光譜包含了痕量氣體、氣溶膠、云的吸收、發射和散射等信息。由于增加了多個離軸（近地面低仰角）探測方向，對低層大氣探測更為靈敏，通過被動差分吸收光譜的解析方法并結合大氣輻射傳輸模型，能夠獲得對流層痕量氣體的垂直柱濃度以及垂直分布信息，特別是對邊界層非常敏感，可用于衛星數據的地基校驗和化學模型的校驗。

1.2車載測量技術

在存在主導風向的天氣下，如果將監測系統裝載于車上，圍繞某一區域周圍測量，結合氣象儀器提供的風速、風向信息，GPS系統提供測量點的經緯度位置信息，通過計算就可以監測出該區域的有害氣體排放通量。車載測量技術通常有兩種監測模式：閉合路徑監測模式和下風口監測模式當工業區周圍有監測車可以通過的閉合路徑時可以采用閉合路徑監測模式，該方式測量到的工業區有害氣體排放通量更準確。當工業區周圍沒有監測車可以通過的閉合路徑時，如果風速較大且比較穩定，工業排放氣體幾乎都被吹到下風向，此時可以采用下風口監測模式，監測到的有害氣體的排放通量可以近似為工業區的排放通量。實際車載測量中，出于精確測量氣體擴散場的考慮，需要根據車載的風速儀實測地面風速來估算風廓線，利用經驗公式并考慮煙羽擴散模式。

1.3 機載遙感監測

在地基遙感技術快速發展并逐漸成熟的基礎上，借助于機載平臺的大氣環境遙感載荷也開始發展起來。需要建立大氣環境立體探測的空中實驗平臺，包括飛艇、飛機、氣球以及無人機等的遙感監測實驗系統，實現多時空尺度全面長期連續監測與數據積累，逐步形成對大氣系統的立體、動態監測分析能力。開展大氣不同高度的大氣物理化學過程研究，以及從區域尺度到全球尺度的系統觀測測量研究。如美國大氣和地球科學研究機構所裝備的C-130，ER-2，灣流和麥道等大氣綜合探測飛機系統，歐洲的FAlCON。

2.應用示范

利用立體監測技術可以監測大氣環境污染物質，確定它們的濃度，判斷它們是否超過環境保護的有關規定，并可以用這些信息通過閉路反饋系統控制生產過程，對環境污染進行監測、控制和治理，目前已被廣泛應用于環境空氣質量監測、污染源煙氣排放監測、霧霾時空分布監測、區域排放通量監測、交通排放現場監測、生態系統溫室氣體排放等方面。

2.1 霧霾過程時空分布監測

細粒子雷達通過直接觀測對流層范圍內細粒子的空間分布和時間演化，監測真實大氣中的污染過，了解對流層尺度灰霾與光化學煙霧的污染狀況，取得準確的污染物種類和來源，為分析灰霾過程引起的顆粒物形態和光學性質的變化提供科學數據。

2.2 生態系統痕量氣體激光在線監測對于大型生態系統，由于下墊面的非均一性及天氣過程的不可重復性，痕量氣體的分布存在較大的時空差異，通過開放式生態系統痕量氣體在線監測技術研究，可以實現高時間分辨率、高靈敏度的大尺度痕量氣體濃度的在線監測。實際運用中，利用高頻波長掃描技術改善大氣湍流對激光吸收光譜造成的影響，并結合參考校準光譜，實現氣體濃度的長期穩定監測。

結束語：

基于光學與光譜技術的大氣環境立體監測技術發展已有十余年，其應用廣度和深度仍在不斷擴展。作為全世界范圍內經濟發展最快的國家之一，我國的大氣污染問題已引起越來越多的關注，構建并完善以常規監測、自動監測為基礎，遙感監測為輔助的天地一體式環境監測體系，提高監測和預報水平，建設大氣環境探測與模擬實驗研究設施。針對我國大氣復合污染防治研究，建設我國自己的大氣環境探測與模擬實驗研究設施，形成從實驗室微觀機理研究到模擬大氣環境實驗，再到外場觀測實驗和驗證的有機閉環鏈條，揭示我國城市和區域尺度的大氣復合污染形成機理并量化其環境影響，建立符合中國特點的相關污染模式，從而預測我國不同區域背景下大氣環境復合污染及其環境效應的發控制戰略提供科技支撐。

參考文獻：

[1]呂立慧，劉文清，張天舒，等. 新型微脈沖激光雷達測量大氣水平能見度。中國激光，2018，41：0908005-1-5

[2]范廣強，張天舒，付毅賓，等.差分吸收激光雷達監測北京灰霾天臭氧時空分布特征。中國激光，2019，41：1014003-1-6]