上甸子区域大气本底站NO2柱浓度光谱反演及其变化特征

为了探究京津冀本底浓度地区NO₂这一重要空气污染物的变化特征,采用多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）在上甸子区域大气本底站开展了太阳散射光谱观测以及NO₂柱浓度反演研究。在NO₂的405～430nm特征谱段进行了定量光谱解析,并通过几何近似法计算了2009年7～9月NO₂对流层垂直柱浓度（VCD_trop）。观测期间NO₂ VCD_trop平均值和最大值分别为5.43×1015和7.15×1016 molec·cm-2。NO₂ VCD_trop日均值浓度水平较低,但总体上有上升趋势。NO₂ VCD_trop变化过程与风速风向关系密切：西南风时风速越小NO₂ VCD_trop越低,东北风对NO₂ VCD_trop有扩散稀释作用。NO₂ VCD_trop日变化形态总体上呈现为中午时段低、早晚较高的特征,并且傍晚峰值比早间峰值略高。上甸子站NO₂ VCD_trop浓度水平和日变化幅度相比北京城区同期观测结果明显偏小。NO₂ VCD_trop变化特征与河北香河和固城等污染相对较轻站点观测到的变化特征相一致。总之,MAX-DOAS能够有效监测区域本底大气的NO₂ VCD_trop,其变化特征与工业和交通排放、大气光化学过程、大气传输等复杂因素有关,还需积累更多数据和深入研究。     

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。     

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。     

以觉华岛为例探究近海污染物的垂直分布特征及潜在来源

觉华岛是辽东湾最大的岛屿,研究其污染物浓度分布特征以及潜在来源对于认识近海污染物传输效应具有较强的代表性意义。该研究于2020年10月1日至2021年6月30日期间在觉华岛怪石滩(120.78°E, 40.48°N)基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)对大气气溶胶、二氧化氮(NO₂)和二氧化硫(SO₂)垂直廓线开展了连续监测,具体分析了不同海拔高度上污染物浓度的季节变化特征及潜在来源。通过将地基MAX-DOAS观测结果和TROPOMI卫星数据结果进行对比,发现两者变化趋势具有良好的一致性,相关系数可达0.82。观测结果表明,觉华岛地区污染物浓度具有明显的季节变化特征,具体表现在秋冬季节NO₂和SO₂的平均浓度值分别为14.5×10¹⁵与16.6×10¹⁶ molec·cm^-2,比春夏季分别高出约84%和88%。NO₂和SO₂垂直廓线结果显示秋冬季污染物具有明显的垂直分布和日变化特征,...     

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     

车载多轴差分吸收光谱探测对流层NO2分布研究

对流层NO₂垂直柱浓度在水平分布上具有较大不均匀性, 研究对流层NO₂分布特征对于研究污染的形成具有重要作用. 本文在国内首次采用车载多轴差分吸收光谱技术探测对流层NO₂的水平分布, 着重研究了基于车载移动平台上的多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO₂垂直柱浓度的方法. 采用低阶多项式拟合扣除夫琅禾费参考谱和平流层对对流层NO₂的贡献, 反演得到移动平台上对流层NO₂垂直柱浓度. 结合大气辐射传输模型, 通过设置不同气溶胶光学厚度及层高、NO₂层高、方位角等对反演误差进行分析, 得出对流层NO₂垂直柱浓度的总误差小于25%. 在合肥开展观测实验, 获取观测时间段内合肥市对流层NO₂垂直柱浓度的水平分布特征. 并将观测结果与OMI卫星过顶数据比对, 在洁净和车载观测点较多的像元内, 两者结果符合较好; 在污染区域, 两者结果有一定差别. 研究显示, 采用车载多轴差分吸收光谱技术能较好的探测区域对流层NO₂的分布特征, 这对模型验证、卫星校验及研究输送过程具有重要意义.     

多轴差分吸收光谱技术测量NO2对流层垂直分布及垂直柱浓度

研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的对流层NO₂垂直廓线及垂直柱浓度反演方法. 该方法采用了先反演气溶胶廓线, 然后在此基础上反演痕量气体垂直分布的两步反演方法. 其中痕量气体廓线反演时采用了非线性最优估算法, 使反演更少地依赖于先验信息, 更有利于自动获取痕量气体廓线. 首先研究了应用非线性最优估算法的痕量气体垂直廓线反演算法中权重函数、 先验廓线及其协方差矩阵的计算方法, 设计了适合于痕量气体垂直分布变化剧烈地区的迭代方案. 通过计算机仿真, 研究了算法重建盒子型和抬高型NO₂廓线的效果, 研究表明两种典型分布下算法都可以较好地重建2 km以下的NO₂分布, 在近地面的反演精度达到0.6%. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种典型条件下, 研究了算法重建同一NO₂廓线的效果, 研究表明不同气溶胶条件下反演算法都可以得到相似的结果. 分析了错误的气溶胶状态对于NO₂廓线反演的影响以及反演算法的误差来源. 在合肥地区开展连续观测实验, 并将观测的NO₂垂直柱浓度与卫星对比, 相关性系数达到了0.85. 将MAX-DOAS反演的近地面NO₂ 浓度与长程DOAS 结果对比, 相关性系数达到0.76. 此外简化的MAX-DOAS痕量气体垂直柱浓度反演方法中常采用固定典型的气溶胶状态, 将两步法结果与简化方法结果进行对比, 两者的最大相对偏差为112%. 因此准确获取气溶胶状态, 尤其是气溶胶光学厚度, 对准确反演对流层NO₂垂直柱浓度十分必要. 关键词： 多轴差分吸收光谱 2垂直廓线')" href="#">对流层NO₂垂直廓线 2垂直柱浓度')" href="#">对流层NO₂垂直柱浓度 最优估算法     

基于车载多轴差分吸收光谱技术对城市NO2污染分布和排放评估研究

二氧化氮（NO₂）在大气光化学中发挥着重要作用,不仅参与了对流层臭氧（O₃）的催化生成,同时也能促进生成二次气溶胶。NO₂作为交通运输和工业过程中的重要排放产物,通常也被视为一种评估人为污染源排放的指示物,因此,开展城市NO₂分布与排放研究对于城市大气污染管控与治理具有重要意义。2018年1月和2月期间,基于车载多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）对衡水市区开展了4次走航观测实验,获取了衡水市区环城路上对流层NO₂垂直柱浓度（VCD）的空间分布,其浓度范围为0.89×1015~56.33×1015 molecule·cm-2,均值在22.42×1015~30.20×1015 molecule·cm-2。观测结果表明衡水市NO₂污染源主要分布在城外东南方向的工业聚集区,以及市区环城路东部的立交桥路段;而城市西部和北部则较为干净,当风场来自该区域会对污染源区起到一定的清洁作用,可使源区NO₂浓度降低20%以上。航测期间进行了站点对比观测,综合两者的观测结果评估了衡水市东部污染区域的相对贡献,其NO₂含量比西部洁净区域高出了30.1%~61.9%、贡献值高7.89×1015~13.32×1015 molecule·cm-2。将NO₂城市分布与WRF模式模拟的气象数据相结合,可计算出目标区域的NO₂本地排放通量为0.86×1024 molecule·s-1,该结果相对较低,一方面说明衡水市区相对于其他研究区域,其NO₂污染源并非在集中在市区内部;另一方面是因为本次实验研究区域的面积仅有50 km2,远小于其他研究的城市区域范围。对于实验测得的衡水市区输出总通量,其中96.16%来源于外部传输,3.84%为本地排放造成,进一步证明了衡水市NO₂主要污染源位于城外。通过实验期间衡水市区的后向轨迹气团与OMI卫星的NO₂平均结果可看出,衡水市除城市东部和东南部的本地污染源外,也受到了北部的保定、廊坊和西北部的石家庄等地的污染传输影响。总体来看,车载多轴差分吸收光谱技术对于城市NO₂等污染气体的源区确认、污染贡献评估和排放通量计算方面有较出色的应用前景。     

基于QDOAS的多轴差分吸收光谱测量对流层HCHO的研究

由于甲醛在大气光化学反应中的重要性及其对环境、气候和人类健康的危害,监测、有效控制甲醛浓度已经成为一件刻不容缓的要事。目前传统的监测多局限于基于化学方法、色谱法的室内监测,或是室外较小范围的监测,室外大范围的大气中的甲醛监测往往为人们所忽视。为了有效监测大气中大范围的甲醛（HCHO）浓度,建立了地基MAX-DOAS观测系统,与主动DOAS观测系统相比,该观测系统不受光源和反射装置限制,平台搭建简单,测量范围广。2018年在合肥地区(117°17′E, 31°90′N)夏季开展了基于地基MAX-DOAS的外场连续观测实验,结合新一代光谱处理软件QDOAS利用DOAS算法的非线性最小二乘拟合反演甲醛（HCHO）的斜柱浓度,并通过大气质量因子（AMF）将甲醛（HCHO）的斜柱浓度转换为柱浓度,并分析了7月份的观测数据,结果表明,低仰角下甲醛的差分斜柱浓的值较高,说明,对流层甲醛主要集中在接近地表的位置。从实验数据还可以看到,二氧化氮与甲醛的变化趋势基本一致,说明大气中的甲醛与机动车排放或是工业排放出的的氮氧化物（NO₂等）在大气的源与汇过程中具有一定的相关性。通过地基MAX-DOAS测量数据与OMI观测值的比较发现,二者的变化趋势具有良好的一致性,且相关系数为0.518 9,并分析了OMI观测值偏低的原因。研究结果表明,地基MAX-DOAS系统不仅可以对区域污染的演变进行研究,也为甲醛的测量提供了一种实时、快速的监测手段,为分析大气甲醛的来源提供了一种新的解析手段,为验证卫星观测数据提供了一种有效的手段。     

天山北坡绿洲城市车流量与对流层NO2垂直柱浓度关系研究

为探讨天山北坡河谷绿洲城市车流量与对流层NO₂垂直柱浓度(VCD)的关系,基于各城市车流量状况,利用地基多轴差分光谱仪(Mini MAX-DOAS)在2018年—2019年天山北坡经济带上的综合性大城市乌鲁木齐、工业型中等城市石河子和工业型小城市阜康市中心区连续固定监测,并沿城市交通主干道进行车载移动监测,研究车流量对NO₂VCD的影响,对比分析山盆体系河谷绿洲城市与中东部发达城市污染严重原因的差异。结果表明:(1)天山北坡大中小城市的车流量日均值大城市乌鲁木齐(1 406辆/5 min)远大于中小城市,中等城市石河子(203辆/5 min)和小城市阜康(185辆/5 min)差异并不显著(p>0.05),而各类城市NO₂VCD整体差异显著(p<0.05),其日变化峰值有所差异,表现为乌鲁木齐(22.613×10¹⁵ molec·cm^-2)>阜康(17.758×10¹⁵ molec·cm^-2)>石河子(15.2...     

Research of NO2 vertical profiles with look-up table method based on MAX-DOAS

Obtaining the vertical distribution profile of trace gas is of great significance for studying the diffusion procedure of air pollution.In this article,a look-up table method based on multi-axis differential optical absorption spectroscopy(MAX-DOAS)technology is established for retrieving the tropospheric NO₂ vertical distribution profiles.This method retrieves the aerosol extinction profiles with minimum cost function.Then,the aerosol extinction profiles and the atmospheric radiation transfer model(RTM)are employed to establish the look-up table for retrieving the NO₂ vertical column densities(VCDs)and profiles.The measured NO₂ differential slant column densities(DSCDs)are compared with the NO₂ DSCDs simulated by the atmospheric RTM,and the NO₂ VCDs,the weight factor of NO₂ in the boundary layer,and the boundary layer height are obtained by the minimization process.The look-up table is established to retrieve NO₂ VCDs based on MAX-DOAS measurements in Huaibei area,and the results are compared with the data from Copernicus Atmospheric Monitoring Service(CAMS)model.It is found that there are nearly consistent and the correlation coefficient R2 is more than 0.86.The results show that this technology provides a more convenient and accurate retrieval method for the stereoscopic monitoring of atmospheric environment.     

基于光谱分析的大气混合层高度测量研究

基于地基主动和被动差分光学吸收光谱(DOAS)分析方法,在2015年5月至2016年5月期间对上海近地面NO₂浓度(c_NO2)及对流层NO₂的垂直柱浓度(NO₂ VCD_trop)进行了观测。主动长光程差分光学吸收光谱系统(long-path DOAS, LP-DOAS)观测得的c_NO2小时均值与上海市全市空气质量c_NO2小时均值呈正相关,相关系数为0.81。被动多轴差分光学吸收光谱系统(multi-axis DOAS, MAX-DOAS)观测得的NO₂ VCD_trop与GOME-2和OMI卫星传感器测得的NO₂ VCD_trop也均呈正相关,相关系数分别为0.89和0.88。大气污染物的输送、扩散、稀释和沉降等过程主要发生在边界层中,白天混合层占到边界层的大部分,混合层高度(MLH)以上的自由对流层中污染物浓度较小,混合层内NO₂接近均匀混合时,利用地基主、被动DOAS观测得到的NO₂数据可以快速计算大气混合层高度。计算得的MLH与GDAS气象数据库中的边界层高度(PBLH)明显相关,相关系数达0.93,二者结果大小均在0.1～2 km之间。实验观测期间,MLH与PBLH日变化趋势均呈单峰形,MLH高值出现在12:00-15:00,由于PBLH时间分辨率低,最高值出现在14:00,同时二者月均变化趋势一致,2015年9月和2016年2月数值较高,2015年7月和2016年3月数值较低,另外求得MLH约为PBLH的0.98±0.59倍,符合狭义MLH与PBLH的关系。计算得的MLH与同点位激光雷达测得的PBLH_Lidar也具有较高的相关性,相关系数达0.75,PBLH_Lidar略大于MLH,但是二者在早晨5和6时和下午5和6时大小趋于相同,符合大气发展规律。说明该算法具有较高的可行性。     

基于卫星高光谱遥感的2007年-2017年新疆地区大气NO2时空变化趋势分析

自2013年国务院颁布《大气污染防治行动计划》等大气综合治理政策以来,我国东部地区大气颗粒物等重要污染物得到了有效控制。伴随着我国能源政策的变化,西北地区在加大能源开发力度的同时,大气污染亦呈现加剧趋势,但在之前的研究中未得到重视。卫星遥感的监测手段较地面观测具有不受地域限制,观测时间长,观测污染物种类多等优势。其中,星载紫外-可见高光谱仪OMI自2005年在轨运行,在大气污染的时空变化趋势探测、排放源估计以及模式的同化和验证等科学应用中得到广泛应用。中国科学技术大学的卫星对流层NO₂柱浓度产品,通过对OMI原始测量光谱的二次标定和气体反演算法的关键优化,在与地基观测的结果对比验证中呈现良好的相关性,适合用于我国高气溶胶背景下的大气污染分析。结合中国科学技术大学OMI NO₂数据产品,我国新疆地区大气NO₂污染的时空分布特征得以表征。在2007年-2017年期间,新疆地区的NO₂污染集中分布于北疆,其中“乌鲁木齐-昌吉-石河子”城市群（乌昌石地区）与新疆总体NO₂水平月变化相关性很强（相关性系数r=0.942,p-value<0.01）。新疆NO₂年际变化存在明显阶段性特征,与相关政策以及能源行业排放变化相符：2007年-2010年变化趋势不明显,2014年较2010年总体年平均浓度增长18.5％,其中乌昌石地区增长41.3％;2017年较2014年总体平均浓度下降26.4%,乌昌石地区下降42.8%。乌昌石地区由于石油化工企业,经济开发区等分布密集,成为NO₂污染的聚集区,与乌鲁木齐市,昌吉市NO₂变化具有强相关性（r=0.982,p-value<0.01;r=0.951,p-value<0.01）。受采暖时期排放以及特殊气象条件控制,乌昌石地区NO₂污染峰值为12月,冬季污染尤其显著;在2007年-2016年采暖期间（每年10月-次年4月初）,乌昌石地区NO₂水平有显著上升趋势（显著性水平α=0.01）,在未来大气治理中需要格外关注。     

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。