基于MAX-DOAS的被动光谱测量重庆地区HCHO的研究

甲醛（HCHO）对人体、气候、环境影响巨大,也是大气光化学反应的重要中间产物。重庆市作为我国西南工业重地,是全国人口最多、面积最大的直辖市。其以燃煤为主的能源结构与环保设施的落后,以及特殊的地形与气候特征,导致空气污染极为严重。因此研究重庆地区大气中的甲醛浓度变化规律,具有重要意义。于2018年12月,在中国重庆市江北区凤凰座区域搭建了地面多轴差分吸收光谱监测系统(MAX-DOAS)。结合光谱处理软件QDOAS利用非线性最小二乘拟合算法反演甲醛的差分斜柱浓度(DSCD),并通过几何近似的方法得到大气质量因子(AMF),然后将甲醛的斜柱浓度（SCD）转换为柱浓度(VCD)。分析显示,甲醛的日平均变化和周平均变化相似。甲醛VCD的最小和最大平均浓度值分别为0.982×1016和9.221×1016 molecule·cm-2。其平均日变化较为明显,表现为早晚较高,中午最低。从甲醛VCD的平均周变化可以看出,基本趋势与平均日变化基本一致。周一整体偏低,周二中午出现明显高值,但无明显的周末效应,也没有任何明显的周循环。对比地基MAX-DOAS测量数据与 (臭氧监测仪器)卫星产品TROPOMI观测值,二者的一致性较好,且相关系数为0.84。但是,TROPOMI观测值平均比MAX-DOAS 的甲醛VCD低21.5％。研究表明,地基MAX-DOAS可以对城市区域污染气体如甲醛的实时快速监测及变化规律的研究分析提供一种有效手段,也可以对卫星数据来源进行有效校验。     

基于多轴差分光学吸收光谱测量北京地区对流层NO2的研究

由于二氧化氮（NO₂）在大气的物理和化学机制进程中有着十分重要的作用,并且对环境、气候以及人体健康产生影响,合理、有效地监测和控制大气中NO₂浓度已成为十分重要的课题。地基多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）仪是利用太阳散射光的被动DOAS仪器,相较于小范围测量的点式仪器、利用光源和反射装置的主动DOAS仪器,具有时间分辨率高、高灵敏度、测量范围广和不受搭建平台制约等优势特点。2018年在北京中国气象科学研究院（116.32°E,39.95°N）开展了基于地基MAX-DOAS的对流层NO₂全年连续观测,采集得到原始吸收光谱并运用光谱处理软件QDOAS进行反演得到NO₂斜柱浓度（SCD）,选择较为简单的几何近似方法计算求出大气质量因子（AMF）,从而将NO₂SCD转换为垂直柱浓度（VCD）,据此研究分析了北京地区NO₂VCD月均值和季节均值变化、季节的日平均变化以及一周内日平均变化的特征。结果表明,北京地区对流层NO₂VCD随季节变化较为明显,呈现冬季最高而夏季最低的趋势,其中冬季季节均值达到2.94×1016 molec·cm-2,为夏季的1.6倍,不同季节的日均变化一般在下午表现出明显的差异,最大相差为2.17×1016 molec·cm-2。一周内每日的浓度变化有一定规律性,周日平均浓度较其他时间降低17%左右,出现了一定程度的周末效应。通过将地基MAX-DOAS观测结果和地面国控站点官园监测站（116.339°E,39.929°N）2018全年数据结果进行对比,显示出两者变化趋势具有好的一致性,相关系数r可达0.81。研究表明,地基MAX-DOAS不仅可以对区域污染气体如NO₂的实时快速监测及变化规律的研究分析提供一种有效手段,也可以对其他数据来源进行校验。     

基于车载被动DOAS系统的化工园区甲醛柱浓度精确反演研究

甲醛（HCHO）是大气中含量最为丰富的羰基化合物,是非甲烷可挥发性有机化合物（NMVOCs）的最重要的中间产物之一,广泛参与大气中的光化学反应,同时也是气溶胶的重要前体物,在大气化学中承担了非常重要的作用。石油化工行业的VOCs类排放是城市大气中HCHO的重要来源,而目前化工园区中的HCHO等NMVOCs类污染物主要通过点式设备获取近地面浓度,缺乏立体监测数据。差分光学吸收光谱（DOAS）技术已成功应用于SO₂和NO₂等污染气体监测,甲醛由于其光学吸收强度相对较弱,反演波段内其他气体交叉干扰强,实际的监测应用相对较少。选取某石化企业,运用被动DOAS方法实现了甲醛柱浓度的精确反演。研究通过建立甲醛吸收截面与其他参与拟合气体吸收截面的二维相关性矩阵,选取甲醛吸收截面同其他气体吸收截面相关性最小的波段,即实现其他气体对甲醛的DOAS反演交叉干扰最小的波段的获取。同时选取外场实际采集的光谱,选择不同起始波段和截止波段做迭代DOAS反演,通过拟合残差来评估甲醛在不同波段的实际反演效果。在截面间交叉干扰小,拟合残差低的波段范围内,选择尽量宽的波段作为最佳的拟合波段,实现甲醛的精确DOAS反演。由甲醛同其他气体吸收截面的二维相关性矩阵结果,甲醛与NO₂,SO₂和O₃和O₄间在大部分波段内相关性均在0.5以下,交叉干扰小;甲醛同BrO在起始波长318～320 nm,截止波长340～346 nm以及起始波长330～334 nm,截止波长354～360 nm两个波段范围内截面间相关性小于0.5,适合作为HCHO的反演波段。通过选择不同起始波段和截止波段做甲醛的迭代DOAS反演,结合拟合截面相关性分析结果综合考虑,最终采用332.4～358.1 nm作为HCHO的反演波段,拟合残差在10-4量级。利用车载被动DOAS系统,通过建立吸收截面间二维相关性矩阵并通过实测光谱的迭代反演,获取了适用于该套系统的HCHO最佳拟合波段,拟合残差降低至10-4量级,在实现甲醛精确反演的基础上,结合系统GPS信息,获取了某化工企业甲醛柱浓度的空间分布,整个外场观测期间,HCHO的反演误差低于6%。结果表明,车载被动DOAS系统在快速获取化工园区甲醛空间分布信息上可以发挥重要作用,为城市大气中甲醛的立体监测提供了一种有效测量手段。     

基于MAX-DOAS淮北地区疫情前后HCHO观测研究

构建了具有操作简单、大范围以及高灵敏度等特点的地基多轴差分吸收系统(MAX-DOAS),对淮北地区2019年10月至2020年5月进行连续观测,得到HCHO的时间序列。为了减少其他气体的干扰,采用不同波段反演HCHO差分斜柱浓度,对比发现,选用324～342 nm波段时,反演误差波动最小,能够精确获取甲醛气体浓度。由HCHO月均值序列结果可知,疫情中期与疫情前后相比,浓度分别降低了35%和23%。日变化以及周变化结果表明淮北地区HCHO浓度具有早晚高、中午低的日变化特征,且没有明显的周末效应。结合Hysplit风场后向轨迹模型对高值天气的风场进行研究,发现在2020年1月12～14日与18～21日期间,淮北地区在西北风场的影响下,会受到来自砀山等地的污染输送影响,引起HCHO浓度的升高。MAX-DOAS测量HCHO柱浓度结果与OMI卫星数据进行对比发现两种测量方式具有良好的一致性(R~2=0.87)。     

基于MAX-DOAS的上海市区NO2对流层柱浓度研究

二氧化氮（NO₂）是大气中的主要污染物之一，在对流层和平流层大气化学中发挥关键作用，不仅参与对流层臭氧的催化形成，而且还有助于气溶胶的生成并导致酸雨等气候灾害，危害人体健康。人为源排放（工业，电厂、交通等排放）的NO₂占氮氧化物排放总量的大部分。传统的监测手段例如卫星遥感技术对对流层底部没有足够的敏感度，原位采样仪器则只能获得近地面的污染物浓度信息。近年来广泛使用的多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）不仅对近地面观测敏感，还拥有时间分辨率高，探测下限低，可以同时监测多种污染物等优点。为了实时监测上海市NO₂对流层柱浓度的变化特征，在上海市徐汇区搭设了地基MAX-DOAS仪器，进行了长期的持续观测。分析2019年6月至9月的MAX-DOAS观测数据，发现NO₂VCDs(垂直柱浓度)受交通排放影响显著，一般上午9:00左右达到峰值（1.56×1016 molec·cm-2），随光照增强浓度降低明显，午后达到最低值（1.21×1016 molec·cm-2），傍晚交通排放增强16:00以后浓度再次抬升。工作日早高峰期间的NO₂VCDs明显高于周末（高出约11.8%），而周末傍晚NO₂VCDs较工作日傍晚大幅上升。将MAX-DOAS观测结果与TORPOMI卫星观测数据对比发现，两个数据具有良好的一致性，相关性系数r为0.87。采用HYSPLIT后向轨迹模型对观测期间500 m高空气团输运后向轨迹进行聚类分析，发现上海市NO₂污染受沿海区域污染气团输送影响较大。研究表明，地基MAX-DOAS系统作为一种实时、快速、连续的大气监测手段，可以广泛应用于城市区域污染监测应用中。上海市对流层NO₂的观测研究为上海市大气污染防治提供了一定的数据支持。     

多轴差分吸收光谱仪反演大气NO2的比对试验

为了满足卫星遥感产品地基验证平台中不同仪器观测数据一致性的要求, 2011年9月, 将3台不同设计方案、不同操作方式的多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS) 集中在中国科学院大气物理研究所香河大气探测综合试验站, 进行了近20天的同步观测测试. 并对所有仪器统一观测方位角, 分别采用相同的紫外、可见光波段的特征吸收带及吸收截面进行NO₂柱浓度的反演试验. 系统的比对分析表明: 3台MAX-DOAS的反演误差大都保持在6%以内, 说明仪器性能良好, 比较稳定; 紫外波段的反演结果略小于可见光波段, 尤其在阴天, 这是由于两波段对分子及气溶胶散射的敏感性不同造成的; 以可见光波段的反演结果为标准, 对紫外波段的反演结果进行系统订正, 订正后的各组数据一致性非常好, 满足卫星大气成分NO₂柱浓度遥感产品不同地基验证站点数据稳定、一致的要求. 关键词： MAX-DOAS 2')" href="#">NO₂ 斜柱浓度 比对试验     

采用MAX-DOAS观测北极新奥尔松地区夏季NO2的柱浓度与垂直分布

多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)作为一种观测痕量气体成分的地基遥感手段,在反演过程中利用天顶谱扣除了平流层的影响,因而对底层大气的测定较为敏锐。采用地基被动MAX-DOAS在2011年7月5日—8月1日对北极新奥尔松地区的NO2柱浓度进行观测。观测期间4个离轴观测角的NO2差分斜柱浓度(DSCDs)结果显示,NO2主要集中在对流层底部。观测期间新奥尔松地区NO2的平均混合比为1.023E11molec.cm-3(0～1km),其含量的波动与轮船的化石燃料燃烧和大气光化学反应有关。3km内NO2的垂直分布图显示,NO2主要来自海洋边界层的释放,且随时间呈现波动变化。     

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、输送等途径的必要手段。气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。该研究于2019年4-5月,利用中国科学院大气物理研究所（39.98°N,116.39°E）的地基多轴差分光学吸收光谱（MAX-DOAS）仪,对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。凭借MAX-DOAS实时、在线、连续的观测优势,能有效的对气溶胶进行监测。MAX-DOAS基于最优估算法（OEM）以及最小二乘光谱拟合法,并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型,利用海德堡廓线（HEIPRO）算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线,通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度（AOD）。利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线,分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比,验证MAX-DOAS算法的适用性。研究结果表明,MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果,相关系数为0.92,斜率为0.89。三层气溶胶消光系数与PM_2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69（60 m）,0.77（160 m）和0.75（280 m）。并且,将气溶胶平均消光系数和对应三层（60,160和280 m）的PM_2.5平均质量浓度对比,发现两者趋势一致。同样的,为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力,我们通过Angstrom指数确定沙尘天气,通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气,分析了在特殊天气条件下,MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、准确的响应。分析气溶胶平均消光系数,发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势,并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右,而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。当高度达到2 km左右时,气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。     

车载被动DOAS的污染气体柱浓度分布重构方法

大气污染的综合防治需要从不同尺度的区域出发,充分研究区域的环境特点,需要对空气质量有作用的多种因素进行全面系统的分析,获取大气污染物浓度时空分布是了解区域污染特征的重要途径。获取高空间分辨的大气污染物柱浓度分布情况是掌握区域污染程度的重要前提。由大气扩散模型,排放源周边的大气污染物的柱浓度服从高斯分布。将车载被动差分光学吸收光谱（DOAS）获取的对流层污染气体垂直柱浓度空间分布信息结合序贯高斯模拟方法重构了高空间分辨率的区域污染物柱浓度分布及其误差分布。分别选取工业园区（钢铁企业）、城市区域（北京市怀柔城区、北京市通州城区）等典型区块进行走航观测,获取观测路径上的NO₂和HCHO柱浓度,结合地理信息网格化车载观测数据,利用序贯高斯模拟获取了观测区域的NO₂和HCHO柱浓度分布以及污染物柱浓度误差分布,重点分析了该方法在排放特征不同的区域柱浓度分布模拟重构的可行性及重构结果的不确定性。某钢铁企业、怀柔城区、通州城区内污染源依次减少,气态污染物分布的结构复杂性依次降低。由半方差分析结果,某钢铁企业由于NO₂排放源多,污染物柱浓度空间依赖性略弱,城市区域污染物柱浓度表现出强烈的空间相关性,并且整体呈现出了区域污染源越复杂,空间相关性的范围越小的特点。基于立体监测数据获取了观测区域百米空间分辨的污染物垂直柱浓度分布及误差分布,在不依赖下垫面数据、源清单数据或人口分布数据的基础上基于实测数据低成本地获取了重点工业区或城市区域气态污染物的分布细节,同已有的卫星遥感等方法获取污染气体垂直柱浓度分布相比,空间分辨率提高了2～3个数量级,同时通过柱浓度误差分布定量评估了模拟重构的准确性。针对不同排放特征的重点区域大气污染状况,提供了新的准确性可评价的实测手段,该方法对了解区域污染状况、污染控制对策及控制效果的评估具有重要作用。     

利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO2

介绍了基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演对流层NO2的方法.利用差分吸收光谱技术(DOAS),扣除太阳夫琅和费结构及Ring效应的影响,拟合得到了大气中NO2的差分斜柱浓度dSCD,结合不同观测方向的测最结果分析得到了对流层大气中NO2的差分斜柱浓度(△SCID),结合辐射传输模型SCIATRAN计算得到了大气质量因子(AMF),并进一步计算得到了对流层NO2的垂直柱浓度(VCD)信息.为确保数据的准确性和可比性,将计算结果与长光程差分吸收光谱仪(LP-DOAS)的测量结果进行对比,二者具有较好的一致性,其相关系数R2分别为0.940 27和0.969 24.     

利用被动差分吸收光谱技术反演南极中山站地区夏季臭氧柱浓度

采用被动差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)对南极中山站地区(69°22′24′′S,76°22′14′′E)的臭氧柱含量进行了72天(2008年12月10日-2009年2月19日)观测,通过被动差分吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散...     

基于车载被动差分光学吸收光谱技术的甲醛排放通量遥测研究

甲醛(HCHO)是大气中含量最为丰富的羰基化合物,广泛参与大气中的光化学反应,是一种重要的大气反应活性的指示剂以及城市大气气溶胶的前体物,在大气化学中扮演着重要的角色.本文初步探索了利用车载被动差分光学吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)遥测...     

基于扫描DOAS系统对北京城市大气中甲醛的梯度测量与分析

利用扫描长程DOAS(差分吸收光谱技术)系统结合气象高塔于2009年7月28日至8月13日开展了测量大气污染物廓线的外场,实验,对北京市大气中的SO2,NO2,O3,HCHO,HONO五种痕量气体进行实时监测,获得了 HCHO等污染物的浓度时间序列及垂直梯度时间序列.通过分析HCHO气体的垂直分布频率特征,并结合其他气...     

A Scanning Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy System for Measurement of Tropospheric NO2 in Beijing

A scanning multi-axis differential optical absorption spectroscopy （DOAS） system is developed for monitoring tropospheric NO2 abundance. Measurements at different viewing angles near the horizon can be performed sequentially with one telescope collecting scattered sunlight reflected by a moving mirror. Tropospheric NO2 diurnal variations can be derived from slant column densities （SCDs） of different elevation angles. The result from a field campaign in Beijing in summer of 2005 reveals potential possibility for the monitoring of tropospheric NO2 by multi-axis DOAS technique.     

基于差分吸收光谱技术的大气痕量气体二维观测方法

基于差分吸收光谱技术, 对大气痕量气体二维观测方法进行研究. 对常规多轴差分吸收光谱系统进行改进, 使望远镜可指向不同方位角, 获取测量点各方位角上的痕量气体信息, 从而更直观地了解测量点四周污染气体分布及其演变情况. 主要对NO₂浓度分布进行了研究, 同时获取了不同方位角上的O₄斜柱浓度; 采用辐射传输模型模拟计算O₄斜柱浓度并与实测数据对比, 结果表明二者具有高度相关性, 验证了大气中O₄分布的稳定性; 基于实测O₄数据提取光路信息, 结合辐射传输模型对NO₂和O₄因廓线不同造成的散射路径差异进行修正, 将NO₂斜柱浓度进一步转化为体积混合比, 获得了不同方位角上NO₂ 浓度分布图. 将计算结果与长光程差分吸收光谱技术数据进行对比, 结果表明二者具有较好的一致性.     

机载多轴差分吸收光谱技术获取对流层NO2 垂直柱浓度的研究

介绍了一种基于机载平台获取对流层NO₂垂直柱浓度的多轴差分吸收光谱技术. 研究了利用差分吸收光谱技术结合不同观测角度的测量光谱反演差分斜柱浓度, 并利用辐射传输模型SCIATRAN计算对流层NO₂垂直柱浓度的方法. 研究了不同海拔高度、不同地面反照率以及不同太阳天顶角等条件对天顶和天底两个观测角度的大气质量因子的影响. 报道了该系统在2008年12月10日在珠三角地区的实验结果, 结合天顶和天底两个方向反演得到了珠三角地区对流层NO₂垂直柱浓度的分布信息. 同时还将机载测量结果跟安装在珠海市的一台地基多轴差分吸收光谱仪的结果进行了对比, 二者相差仅为8%. 实验结果表明, 机载多轴DOAS技术可以实现对大区域对流层NO₂浓度的快速获取.