大氣臭氧探測激光雷達研制及其案例分析

摘" 要：該文研制一款基于差分吸收原理的臭氧激光雷達，由激光發射系統、光學接收系統、數據采集與處理系統組成，響應靈敏，分辨率高，能夠實時獲得對流層3 km高度臭氧濃度和消光系數的垂直分布特征，在大氣環境監測以及環境保護決策支持等方面具有重要價值。結果顯示，臭氧濃度在2 km以下存在明顯的垂直分布和日變化特征，其中午間濃度高值分布高度在0.5 km以下和1.4～1.8 km之間，夜間存在臭氧殘留分布高度在0.4～1.1 km。低空臭氧濃度日變化趨勢與地面站點一致，夜間臭氧消耗程度弱存在殘留。

關鍵詞：臭氧探測激光雷達；技術原理；系統研制；監測結果分析；案例分析

中圖分類號：TN958.98" " " "文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）32-0027-04

Abstract： In this paper， an ozone lidar based on the principle of differential absorption has been developed. It consists of a laser transmitting system， an optical receiving system， and a data acquisition and analysis system. It has sensitive response and high resolution. It can obtain the ozone concentration and extinction coefficient at a height of 3 km in the troposphere in real time. The vertical distribution characteristics are of great value in atmospheric environment monitoring and environmental protection decision support. The results show that there are obvious vertical distribution and daily variation characteristics of ozone concentration below 2 km， among which the height of the high concentration at noon is below 0.5 km and between 1.4～1.8 km， and the height of ozone residue at night is between 0.4～1.1 km. The daily change trend of low-altitude ozone concentration is consistent with that of ground stations， and ozone depletion is weak at night and there is residue.

Keywords： ozone detection lidar; technical principle; system development; monitoring result analysis; case analysis

臭氧是地球大氣中一種至關重要的微量氣體，其在平流層中能有效吸收太陽短波紫外線，對地球生物有著天然屏障的作用[1]。然而，在對流層特別是近地面環境中，高濃度的臭氧對人體健康、生態環境和氣候變化產生負面影響。因此，準確、實時地監測臭氧分布及其變化情況，對于深入理解臭氧的生成機制[2]、評估空氣質量狀況[3]、預警臭氧污染事件以及制定科學的環保政策至關重要。

臭氧激光雷達作為一種先進的主動遙感監測技術，是臭氧垂直分布監測的重要工具。相較于傳統的地面監測站，臭氧探測激光雷達具備諸多優勢：非接觸式直接監測反演臭氧濃度；實時快速捕捉臭氧層結構和污染事件，提供連續、立體的臭氧垂直分布數據；可獲取高時空分辨率大氣臭氧3 km高度垂直分布特征。目前臭氧探測激光雷達已廣泛應用于大氣環境監測，王馨琦等[4]利用臭氧激光雷達在廣州市進行長期連續觀測，分析臭氧日變化特征，解析了局地污染和區域傳輸不同臭氧污染模式的特征。項衍等[5]為利用臭氧激光雷達獲取杭州市臭氧時空分布特征，同時結合WRF-Chem模式模擬臭氧時空特征和氣象要素。He Yuanping等[6]基于臭氧激光雷達數據分析珠海市O3和PM2.5共同污染的相互作用機制。本文研制一款臭氧激光雷達，能夠長期連續觀測垂直高度臭氧的分布特征，極大地滿足環境保護部門對臭氧污染狀況的及時了解需求，為臭氧污染治理提供數據支撐。

1" 臭氧探測激光雷達工作原理

臭氧探測激光雷達是以激光為光源，通過激光與大氣相互作用，產生包含氣體分子和氣溶膠粒子信息的信號，利用反演算法得到氣體分子和氣溶膠粒子的信息。采用差分吸收原理，大氣臭氧探測激光雷達向大氣中的發射波長接近的2束脈沖激光，其中一束激光的波長正處于臭氧吸收光譜的峰值上為λon，臭氧對它有較強的吸收；另一束激光的波長處于臭氧吸收光譜的邊翼為λoff，對它吸收很小或沒有吸收。由于這2個波長相互接近，其他氣體分子和氣溶膠對這2束激光的消光作用基本相同，可以忽略，從而根據2個波長回波信號強度的差異可以確定待測氣體分子的濃度。臭氧探測激光雷達方程如式（1）所示

式中：N（z）為距離z處待測吸收氣體的數密度，P（λi，z）為波長λi距離z處的激光回波信號，δ（λi，T）為波長λi溫度T時的待測氣體吸收截面。BA、EA、EM和Eother分別為大氣后向散射、大氣氣溶膠消光、大氣分子消光和其他吸收氣體吸收引起的修正項，其中Eother一般忽略不計。

氣溶膠消光系數反演方程如式（2）所示，基于米散射原理，根據激光雷達方程，經過積分、取自然對數以及求導等運算后，得到參考高度zc處以下各高度上的消光系數。

式中：Sa為氣溶膠消光后向散射比，一般取50[7]；Sm為大氣分子的后向散射比，一般取8π/3；αm（z）為距離z處大氣分子消光系數；αa（z）為距離z處大氣氣溶膠消光系數。

2" 臭氧探測激光雷達系統結構

臭氧探測激光雷達由激光發射系統、光學接收系統、數據采集與處理系統3部分組成，雷達系統結構圖如圖1所示，主要技術指標參數見表1。

激光發射系統主要包括激光器、擴束器、拉曼管組等。激光器發射266 nm波長激光，通過拉曼管發生受激拉曼散射作用，分別產生289、316 nm激光。激光脈沖經擴束器放大、準直，再由反射鏡發射至大氣中，與大氣中的顆粒物、分子等相互作用向各個方向發生散射。

光學接收系統主要包括望遠鏡、光闌、分光器件等。激光與大氣相互作用產生的后向散射光被卡塞格林望遠鏡接收，回波信號匯聚于光闌，然后經過準直透鏡、分光器件去除天空背景光干擾和分離2個波長信號，再通過光電倍增管將光信號轉換為電信號。

數據采集與處理系統包括信號采集、控制單元和數據反演分析可視化呈現，主要包括探測器、采集卡、工控機和數據采集與處理軟件等。轉換后的電信號，經信號放大器放大，采集卡采集，通過數據分析軟件反演臭氧濃度和消光系數廓線并進行可視化呈現。

3" 監測結果與分析

2023年7月開展臭氧激光雷達連續觀測試驗，獲得垂直高度上臭氧濃度和消光系數的分布特征，監測方式為垂直固定監測，時間分辨率為10 min，高度分辨率為7.5 m。

圖2、圖3分別為臭氧激光雷達監測的臭氧濃度和消光系數等高線圖，圖4為同期同址近地面站點的污染物濃度時間序列圖。由圖4可知，17日—18日空氣質量指數（AQI）大于100，環境空氣質量均為輕度污染，首要污染物均為O3_8h。結合臭氧雷達進行分析，17日上午時間段地面臭氧濃度值低于0.3 km高度臭氧，地面臭氧滴定消耗作用強[8]。17日中午時間段臭氧濃度值逐漸升高，主要為本地光化學生成貢獻，近地面與低空變化趨勢一致，13時和17時出現2次峰值濃度，其中17時持續時間短，該時段近地面風速增大為5m/s，有利于西南風向污染物傳輸累積。夜間時段低空臭氧存在殘留影響濃度值高于地面。

17日臭氧主要分布在1.8 km高度范圍內，結合圖5（a）臭氧濃度廓線分析，對流層內臭氧存在多層結構，午間時段高值分布高度在0.5 km以下和1.4～1.8 km之間，而早晚垂直分布則不同主要為殘留臭氧，分布高度在0.4～1.1、0.5 km處濃度值最高。早晚沒有光照的情況下，主要為臭氧消耗，近地面人類活動影響更頻繁滴定消耗強，低空消耗弱，再者夜間邊界層穩定垂直交換能力差則出現明顯的分層現象。白天濃度過高影響夜間濃度值高于早晨。

18日凌晨低空0.5 km高度存在污染殘留層，夜間邊界層較為穩定，太陽出來后穩定層結破壞，垂直對流加強，殘留臭氧存在向近地面沉降，導致地面臭氧濃度累積出現升高[9]。主要為本地生成及殘留沉降累積。夜間時段20時左右出現次峰值，峰值持續時間短，風速減小，其與擴散條件密切相關，隨后CO濃度持續上升，本地一次污染排放增加，滴定消耗能力加強，臭氧濃度值下降[10]。

18日不同時刻的臭氧濃度廓線圖如圖5（b）所示，受17日持續的臭氧濃度高值影響，18日早晨濃度值高與夜間時段相近，均在1.5 km高度存在臭氧殘留層。探測高度方面，白天探測高度相對低，一是白天臭氧濃度高，激光雷達能量衰減快；另一方面是光學設備在白天會受到太陽光源的干擾。通過臭氧雷達監測可發現臭氧濃度變化較大的區域主要在近地層2 km高度范圍內。

4" 結論

本論文主要研究一款基于差分吸收原理的臭氧探測激光雷達，由激光發射系統、光學接收系統、數據采集與處理系統組成，功耗低，體積小，時空分辨率高，響應靈敏，能夠實時獲得對流層3 km高度臭氧濃度和消光系數的垂直分布特征。結果顯示，7月17日—18日2 km高度以下臭氧濃度垂直結構和日變化特征明顯。其中午間臭氧濃度高值分布高度在0.5 km以下和1.4～1.8 km之間，夜間存在臭氧殘留分布在0.4～1.1 km區間。18日上午存在污染氣團沉降累積，與本地生成共同導致地面臭氧濃度峰值。監測期間低空臭氧變化趨勢與地面站點一致，夜間低空臭氧消耗弱存在殘留。

參考文獻：

[1] 王振亞，李海洋，周士康.平流層中臭氧耗減化學研究進展[J].科學通報，2001（8）：619-625.

[2] 石玉珍，王庚辰，徐永福，北京市城近郊區光化學煙霧模擬研究[J].氣候與環境研究，2008，13（1）：84-92.

[3] 任麗紅，胡非，周德剛，等.北京夏季近地層臭氧垂直變化及其環境效應的觀測研究[J].中國科學院研究生院學報，2005，22（4）：429-435.

[4] 王馨琦，張天舒，裴成磊，等.差分吸收激光雷達監測廣州市臭氧垂直分布特征[J].中國激光，2019，46（12）：279-287.

[5] 項衍，張天舒，范廣強，等.基于差分吸收激光雷達和數值模式探測杭州夏季臭氧分布[J].光學精密工程，2018，26（8）：1882-1887.

[6] HE Y P， LI L， WANG H L， et al. A cold front induced co-occurrence of O3 and PM2.5 pollution in a Pearl River Delta city： Temporal variation， vertical structure， and mechanism [J].Environmental Pollution，2022（36）：119464.

[7] 豆曉雷，常建華，劉振興，等.基于Mie散射激光雷達的氣溶膠消光系數反演方法[J].激光與紅外，2019，49（9）：1047-1053.

[8] 劉琳琳.差分吸收激光雷達觀測淮南大氣SO2和NO2濃度時空分布實驗研究[D].合肥：中國科學技術大學，2019.

[9] HE G， DENG T， WU D， et al. Characteristics of boundary layer ozone and its effect on surface ozone concentration in Shenzhen， China： a case study[J]. Sci. Total Environ. 2021（791）：148044.

[10] 秦龍，高玉平，王文秀，等.差分吸收激光雷達用于探測天津市夏秋季臭氧垂直分布特征[J].光學精密工程，2019，27（8）：1697-1703.