基于光纤耦合长光程LED-DOAS技术的大气NO_2测量研究

大气中NO2的含量在10-9量级。研究了一种以发光二极管(LED)为光源的光纤耦合长光程差分吸收光谱(DOAS)系统,用于测量大气NO2。对比了四种不同类型和波段的蓝光LED,确定以中心波长451nm的CREE宝蓝LED为测量光源。在0.8km的测量光程、2min的测量时间分辨率的情况下,在445nm~465nm光谱反演波段内得到NO2的探测限为3.36×10-9。利用系统对大气NO2的浓度进行了一整天的连续观测,通过对吸收光谱的分析计算,反演出的大气NO2浓度在(7~31)×10-9之间变化。测量结果表明,将光纤耦合技术与LED光源的长光程DOAS系统相结合后,可实现大气NO2的高灵敏、高时间分辨率探测。     

应用多光路主动差分光学吸收光谱仪观测大气污染物的空间分布

研制了一套具有4条测量光路的主动差分光学吸收光谱仪(DOAS)系统,以一盏短孤氙灯为4台集成一体的发射/接收望远镜提供光源,可同时发射4条相互独立的测量光路,4台望远镜的角度可分别独立调整以对准不同位置的角反射镜,光路之间的最大发散角可达28°.为测试仪器性能,使4条光路测量同一区域内的NO₂浓度. 对4条光路的测量结果进行相互对比,任意两条光路的相关系数均在0.97以上,测得NO₂的体积分数平均差异小于10^-9, 表明结果具有良好的一致性 关键词： 差分光学吸收光谱 2')" href="#">NO₂ 2')" href="#">SO₂ 大气污染     

LED温度波动对差分吸收光谱技术测量NO2的影响研究

研究了中心波长分别为370 nm(近紫外)、452nm(蓝光)和660 nm(红光)三种无标准具结构的发光二极管(LED)光源温度波动对差分吸收光谱技术(DOAS)测量NO2的影响.利用温度10℃时的LED灯谱构造NO2吸收谱,将其他温度下测得的LED谱作为灯谱,以此得到不同温度波动下的NO2差分光学密度,再拟合NQ2差分吸收截面到差分光学密度,结果发现拟合残差的峰-峰值与LED温度波动幅度均近似成线性关系,相关性分别为0.995,0.945和0.989;斜率分别为1.12×10-3,5.25×10-5和7.45×10-4℃-1.拟合结果表明,蓝光LED温度波动对DOAS反演影响最小,基本上不影响探测灵敏度,而近紫外和红光LED温度波动对DOAS测量较为敏感,温度波动会导致探测灵敏度的下降.将温度特性相似的有、无标准具结构的两种蓝光LED的反演结果进行了比较,结果显示标准具结构会大幅度增加温度波动对DOAS反演的影响.     

邯郸市大气NO_2浓度的测量与分析

NO2是大气污染的主要气体之一,其浓度的快速监测对相应地区环境改善具有重要的指导意义。本文以NO2浓度极低时的地面天顶光作为参考光谱,其它时刻天顶光作为样品光谱,利用差分吸收光谱(Differential Optical Absorption Spectroscopy,DOAS)法,对2014年2月5日邯郸市大气中NO2浓度及其变化进行了实时监测,并分析了浓度变化的原因。本文采用的NO2浓度监测方法具有实验搭建简单、耗费较低、精度较高等优点,具备较强的实用性。     

太阳光谱方法测量成都地区大气二氧化氮浓度

文章报道的是用太阳光谱方法测量成都地区NO2浓度的实验研究,使用CCD光学多道分析器采集成都市区和西岭雪山的太阳光谱,以大气上界太阳光谱为参考,对五个分立光谱段以最小二乘法进行数据拟合,应用差分吸收原理解谱,获得了成都市区和西岭雪山NO2浓度.成都市区NO2浓度(垂直柱体密度)在3.1×1016至5.8×1016(molecule·cm-2)之间,西岭雪山的NO2浓度在0.7×1016至1.0×1016(mole-cule·cm-2)之间.随大气温度的上升,NO2浓度有上升趋势.     

湍流混合层流场的PIV测量

本文使用PIV对在坚直通道内放置一个特殊设计的隔板所形成的湍流混合层流动进行测量,高低侧速比为4:1,基于两股流体速度差和管道水力半径的Re数范围4400～158400.发现混合层中大涡拟序结构的尺度随雷诺数的增加而增大,而后又随雷诺数的继续增大而减小,气泡的加入会延缓或阻碍大涡拟序结构的发展.对雷诺应力、湍流强度、涡量、旋涡强度在混合层流场内随雷诺数的变化和分布规律进行分析,发现混合层内雷诺应力、湍流强度、涡量及旋涡强度均集中分布在隔板下游一个较窄的锥形区域内,雷诺应力和湍流强度随雷诺数的增大先增人后减小,随离开隔板距离的增大而减小.涡量及旋涡强度随雷诺数的增大而增加,随离开隔板距离的增大而减小.     

开放光路非相干宽带腔增强吸收光谱技术测量大气NO2

采用蓝色发光二极管(LED)作为非相干宽带腔增强吸收光谱技术(IBBCEAS)系统光源,测量了436～470nm波段内NO2样气的吸收,验证IBBCEAS的高探测灵敏度。通过氮气和氦气两者瑞利散射截面的差异标定了镜片在430～490nm波段内的反射率,并利用纯氧中氧气二聚体(O2-O2)在477nm处的吸收验证了镜片反射率标定的准确性。镜片反射率在461nm处最大且为0.99937,光学腔长度为73.5cm时的最大有效光程为1.17km。当光谱采集时间为20s时,NO2的探测灵敏度(1σ)达到了0.25×10-9。进行了开放光路下环境大气中NO2和O2-O2在454～486nm波段内的吸收测量,结果表明大气中气溶胶等颗粒物的Mie散射消光降低了IBBCEAS仪器的探测灵敏度(1.04×10-9)。大气中O2-O2的测量为IBBCEAS吸收光程的在线标定提供了一种可行的途径。     

被动多轴差分吸收光谱技术监测大气NO_2垂直廓线研究

痕量气体垂直廓线的监测,对大气污染研究具有重要意义。介绍了被动多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术监测痕量气体垂直廓线的光学遥感方法。研究中MAX-DOAS测量多个角度的斜柱浓度、结合大气辐射传输模型,利用最优估算法反演出痕量气体垂直廓线,并对最优估算法参数选取和反演评估进行了详细描述。将该技术应用于合肥地区NO2垂直廓线的监测:通过与长光程差分吸收光谱仪的测量结果对比,相关系数达到0.80。该技术为大气环境立体监测提供了一种简便的方法。     

多轴差分吸收光谱技术测量近地面NO2体积混合比浓度方法研究

多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)通过测量不同角度的太阳散射光, 获取痕量气体的柱浓度信息, 广泛应用于整层NO₂柱浓度的监测. 由于缺少有效观测距离的信息, MAX-DOAS无法获取近地面NO₂的体积混合比浓度. 本文分析了消光系数和有效观测距离的关系, 提出了利用能见度信息获取有效观测距离, 进而将MAX-DOAS测量的水平方向NO₂斜柱浓度转换为体积混合比浓度的方法. 并在合肥开展了相应的观测实验, 成功实现了基于MAX-DOAS的NO₂体积混合比浓度测量. 通过与主动式长程差分吸收光谱仪测量的NO₂浓度进行对比, 结果呈现出较好的一致性, 说明了方法的可行性.研究为MAX-DOAS监测近地面NO₂体积混合比浓度提供了一种简单有效的方法, 拓展了MAX-DOAS的应用领域. 关键词： 多轴差分吸收光谱技术 大气消光系数 能见度 2体积混合比浓度')" href="#">NO₂体积混合比浓度     

可压缩混合层气动光学效应研究

建立具有普适性的流场光学传输效应计算方法,针对脉动流场的光学传输计算方法可以预测空间非均匀分布的脉动流场引起的光学传输效应.以高阶紧致差分格式求解三维可压缩滤波N-S方程,对可压缩混合层流动进行空间模式的大涡数值模拟,得到流动失稳转捩直至完全湍流的空间发展全过程,采用时间模式的直接数值模拟进行对比验证.分析流动不同阶段对光学传输效应的影响,初步讨论流场特性与光学传输效应之间的联系,计算结果表明,在转捩区域流场引起的成像畸变最为严重.     

钢大气腐蚀锈层的红外、拉曼光谱研究

运用红外光谱、拉曼光谱分析的方法,对碳钢A₃和低合金钢10CrMoAl经青岛大气腐蚀的锈层样品,进行了比较测试,综合分析得出锈层中主要组成物相为α-Fe₂O₃,γ-FeOOH, α-FeOOH, δ-FeOOH,Fe₃O₄,以及各组成物相相对含量随腐蚀时间的变化情况。     

Effect of Atmospheric Interfering Absorption on Measurement of BTX by DOAS

利用差分吸收光谱技术(DOAS)研究了去除BTX(大气中芳香烃污染物的主要成分)测量中O2、O3和SO2的干扰吸收. 针对O2的非线性吸收以及特征吸收结构随柱浓度的不同而变化的特点,研究了O2吸收组成成份－各个吸收带的非同步变化,即三个Herzberg吸收带与O2二聚体吸收带间的非同步变化,以及三个Herzberg吸收带之间,O2-O2和O2-N2两种二聚体吸收带之间也存在的非同步变化;结合各个吸收带的来源与特点研究了各个吸收带在O2吸收中的比重,以及对O2吸收在大气谱中校准误差的影响,最后得出最佳去除方法并证明了光程插值去除O2吸收的可能性. 针对大气中含量较高的O3与SO2的吸收,主要研究了吸收谱主要的影响因素-温度效应对于O3和SO2吸收结构去除误差的影响,讨论了用插值方法去除O3吸收结构时应选择的最佳温度条件. 最后,通过对实际大气进行了实际监测,获得了与点式仪器GC的检测结果的较好相关性,并得到了较低的BTX的检测限,验证了该方法的可行性.     

多轴差分吸收光谱技术对冬季大气HONO垂直分布特征研究

HONO作为大气OH自由基的前体物和重要贡献源,影响着大气中污染物的氧化降解,控制着对流层大气的自净能力,对灰霾和光化学烟雾形成起到重要作用,同时受污染排放特征、垂直传输和混合、非均相反应和大气光氧化等影响,HONO具有明显的垂直分布特征,因此探究大气中HONO的垂直分布特征对于了解大气灰霾和光化学污染的形成和控制都十分重要。MAX-DOAS作为一种被动遥感技术,能够快速有效地获取大气中污染物的立体分布特征。采用MAX-DOAS仪器对合肥市科学岛2017年12月冬季大气HONO和NO₂进行了立体探测,通过基于最优估算的气溶胶和痕量气体廓线反演算法PriAM获取了两种气体的垂直分布特征。研究结果表明,在观测期间NO₂在近地面10 m内体积混合比（VMR）和垂直柱浓度(VCD)的范围分别在0.51×1011～20.5×1011 molecules·cm-3和6.0×1015～5.5×1016 molecules·cm-2,在垂直方向上其浓度主要集中在1 km内,且在近地面浓度混合均匀。HONO的VMR和VCD分别在0.03×1010～5.1×1010 molecules·cm-3和3.5×1014～7.0×1015 molecules·cm-2之间,浓度高值出现在100 m内,浓度随高度的升高而明显下降。通过对HONO和NO₂的对比发现,HONO/NO₂比值在0.17%～16.0%（VMR）和1.0%～25.0%(VCD)之间,表明研究期间HONO主要来自于NO₂的转化。对冬季一次典型污染过程（2017.12.26—2017.12.31）分析,HONO/NO₂的比值大于5%,且HONO的浓度值升高（大于0.26×1011 molecules·cm-3）,表明污染条件下NO₂向HONO的转化作用变强。结合风场信息研究发现,污染期间研究区域的NO₂和HONO浓度受到合肥市城区、安徽北部和西北部地区传输的影响。     

分辨率对DOAS测量二硫化碳影响的研究

差分光学吸收光谱技术(DOAS)由于易操作,耗费低,且具有高准确性和高分辨率等优点,非常适合对大气中难闻的有毒气体二硫化碳(CS₂)进行实时监测。在DOAS测量过程中,分辨率的选择直接决定了CS₂测量准确度。文章主要研究了分辨率对CS₂被检测到的特征吸收结构形状的影响,以及CS₂差分吸收截面随分辨率的变化趋势,从而确定了分辨率对CS₂的最低可检测浓度的影响。通过研究分辨率与光强的关系,确定了分辨率与信噪比(S/N)的函数关系式,得出了DOAS测量CS₂的最佳信噪比范围为0.41～0.50 nm(FWHM)。在此范围既能够实现对CS₂的准确定性定量分析(五种标样线性相关性r＝0.999 9,测量10次的相对标准偏差小于0.3％),又能达到对CS₂测量所需要的高灵敏度,高选择性和适用的时间分辨率同时保证了CS₂具有区别于其他物质的特征吸收结构。最后对北京市丰台区的CS₂进行了实时、连续地监测, 取得了良好的效果。     

LED光源DOAS方法的夜间NO2气体浓度遥测研究

针对现有利用自然光源的被动DOAS测量方法无法实现夜间对NO₂等痕量气体进行垂直分布探测的问题,提出构建一种基于窄带光源蓝光LED技术的DOAS测量NO₂的方法,搭建了仪器系统,成功地实现了夜间对NO₂气体浓度的测量。该系统主要分为灯源发射系统和望远镜接收系统两部分,采用主波长为450nm的LED作为光源,通过望远镜采集发光束的散射光,利用光纤耦合将望远镜接收到的散射光导入光谱仪中,结合DOAS原理运用计算机进行处理。DOAS的理论基础是朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律,据此原理可将数据处理过程概述如下：首先采集相对干净光谱作为背景参考谱,用实际测量大气谱除以参考谱,利用数字高通滤波去除慢变化部分,然后取对数,即可获得光学厚度;其次将仪器函数与NO₂的高分辨率截面卷积,得到与所用仪器相匹配的低分辨率吸收截面;最后将差分吸收截面与处理后的差分光学厚度相结合,运用最小二乘法拟合并结合光程L即可获得NO₂浓度值。同时可通过调节灯源光速发射角度及望远镜接收角度,测出不同位置处NO₂浓度值,进而给出NO₂气体浓度的立体分布信息。在算法确定的情况下,LED灯谱质量对仪器系统的可靠性显得尤为重要。由于LED光谱受温度及驱动电流影响较大,为了保证LED处于最佳工作状态,开展了LED光谱温度及驱动电流敏感性实验。测试结果表明,要确保采集到的光谱稳定且具有较高质量,LED工作温度应低于20 ℃,驱动电流需控制在1.5 A以内,且两者波动范围较小。实验中,LED实际工作温度为10~15 ℃,驱动电流为1.4 A,控制精度±1 mA,能够满足实验要求。为了提高LED阵列密度、获得更加集中的发光束,LED底座基板采用正六边形结构,每块正六边形基板上7只LED串联,各个基板之间并联。经计算较采用矩形结构,其空间利用率提高了8%。各基板工作电流1.4 A,最大电压23.8 V,易于扩展,维护方便。为了验证方案可行性及系统的可靠性,进行了实验室测试及外场实验。实验室采用NO₂样气浓度为1 642.86 mg·m-3, 不确定度5%。系统测量结果为1 607.54 mg·m-3, 与标定值误差为2.15%,在标定的不确定度范围以内,经计算系统检测线为0.014 3 mg·m-3(6.942 ppb),因此可认为测量结果准确。将外场实验测量结果与同时段国控站点给出的NO₂数据进行了对比,对应时间段结果偏差均在10%以内,两组数据线性拟合一致性较好,相关系数达0.967,表明该系统所测NO₂结果较准确。研究结果表明,在确保LED光源稳定的基础上,采用基于窄带光源蓝光LED的DOAS方法能够实现夜间对NO₂气体垂直分布情况测量。为大气痕量气体垂直分布测量、特别是在夜间条件下对痕量气体立体分布测量提供了一种新的思路。     

SO2气体排放的紫外成像遥感监测

工业烟囱及船舶尾气中SO2气体排放是造成大气污染的重要因素。SO2容易被氧化生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶,产生酸雨,严重危害大气生态环境平衡及人类健康。现有的SO2光学遥感测量技术,如拉曼散射激光雷达、差分吸收激光雷达(DIAL)、傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)、紫外差分吸收光谱(DOAS)、高分辨光谱成像等,难以兼顾气体污染监测对高时间分辨率、高空间分辨率以及便携机动等应用需求。近年来,紫外SO2相机成像探测因探测精度高、实用性强得到迅速发展,该技术时间分辨率高、空间分辨力强,能从解析图像中直观在线获取污染气体浓度在空间的二维分布及随时间的排放率,对于监测环境污染有重要作用。基于紫外SO2相机成像探测技术,围绕SO2柱浓度探测的测量原理及影响因素、仪器设计及实验方法、反演算法及结果比对等方面开展研究。取得的成果主要有:(1)利用窄带滤光片的窄波窗口,用紫外相机测量310 nm附近的SO2紫外吸收,建立了紫外成像遥感监测理论模型,介绍了紫外成像遥感检测获取SO2浓度图像的测量原理;(2)将滤光片放置镜头前后,讨论了不同入射角对滤光片中心波长及透过率曲线的影响,发现滤光片放置镜头后,相机系统对SO2的灵敏度受入射角影响更小,对SO2浓度图像的反演误差更小;(3)分析了太阳高度角对SO2浓度图像反演的影响,阐明了SO2浓度反演曲线实时校准的不可或缺性;(4)通过理论分析设计出了紫外成像遥感探测装置,开展了基于紫外成像遥感监测SO2气体排放的实验研究,通过2-IM法拟合出了人工天空背景,获得了SO2光学厚度图像,利用标准泡进行校准,反演出了SO2浓度图像;(5)采用DOAS技术对SO2气体排放进行监测,与紫外成像遥感获得的SO2浓度进行对比表明,两方法实验结果所计算得到的浓度信息趋势相一致,从而证明紫外成像遥感监测技术测量结果的准确性,同时展现了该技术在工厂烟囱及船舶尾气污染排放遥感监测中的巨大应用前景。     

获取大气颗粒物消光系数的差分吸收光谱法研究

针对雾霾天气日益增多,大气污染气体向颗粒物的转化在加快,研究了一种大范围对其监测的差分吸收光谱方法。差分吸收光谱法可以实时、在线、准确同时获取颗粒物光学特性和大气痕量气体浓度。论文首先分析了双光路差分吸收光学遥感系统获取颗粒物绝对光强的原理,然后研究了基于单光路测量大气吸收谱,在干净天气状况下测量参考光谱,利用能见度数据,在550 nm波段处实现系统校准,计算校准参数,从而获得大气绝对吸收光强,然后解析出大气总的消光系数。再从总的大气消光系数中,去除瑞利散射以及大气痕量气体吸收对消光系数影响后,精确解析出颗粒物消光系数。同时基于差分思想获取大气痕量气体的浓度。最后把该方法应用于外场实验,获取大气颗粒物在350～700 nm波段范围内消光系数和大气中NO₂的浓度。研究结果表明颗粒物消光系数的随着波长的增加而减少,符合Angstrom公式。该研究为分析大气气相/粒子非均相化学反应提供有力的技术支持。     

激光云高仪对那曲地区大气边界层高度的探测分析

2014年7月至8月在第三次青藏高原大气科学试验的支持下,分析了夏季那曲地区大气边界层高度日变化特征.采用激光云高仪通过后向散射信号梯度法求得大气边界层高度,将云顶高度判定为边界层高度时,那曲地区对流边界层高度最高可达3800m,在夜间稳定边界层情况下,最低只有40m.采用无线电探空仪数据,利用位温梯度法、相对湿度梯度法求得大气边界层高度.利用云高仪与探空仪同步实验40天得到的有效数据,对后向散射信号梯度法与位温梯度法得到的大气边界层高度的相关性进行分析,相关系数达0.78,标准偏差为738.84m.对8组较为异常量据的再分析发现云高仪在晴空探测大气时信噪比存在一定的不足.对比早、晚测量结果可知,那曲地区大气边界层高度日变化大,是由于该地区地处内陆海拔较高,夏季日照辐射相对平原地区较强,对流和气温强烈的日变化引起大气层结日变化较大.     

利用气象要素估算海洋大气近地层光学湍流

基于近地层相似理论以及极端层结下对该理论的修正,建立了海洋大气近地层光学湍流估算模型,并进行了数值分析。结果表明:当气温与海温相差较大时,温度起伏对光学湍流贡献最大;当气温与海温相差较小时,海面湿度越小,光学湍流越强;在较低湿度条件下,尤其在红外窗区,湿度扰动对光学湍流贡献起支配作用。当气温小于海温时,光学湍流先随海面风速增大而增强,后随风速增大而减弱;当气温大于海温时,光学湍流总体上是伴随海面风速增大而减弱。当气温小于海温或与海温接近时,与可见光和近红外波段相比,红外窗区光学湍流显著偏强;当气温远大于海温时,两波段光学湍流接近。在中性和近中性层结下,大气折射率结构参量C2n依赖于垂直高度的负幂指数接近-2/3,伴随海面大气层结稳定度或不稳定度增强,C2n依赖于垂直高度的负幂指数的绝对值分别逐渐减小或增大,并分别趋近于稳定极限下的0或不稳定极限下的-4/3。