反演波段对DOAS测量大气中O3的性能影响研究

臭氧(O3)浓度通常被认为是一个地方污染水平的基准,所以其绝对值的准确性至关藿要.在差分光学吸收光谱技术(DOAS)对O3的测量过程中,光谱反演波段的选择可直接决定O3浓度的测量准确度.文章主要研究了在不同光谱波段O3特征吸收结构和差分光学厚度(D')的不同,在不同光谱波段O3浓度反演的干扰来源以及影响程度,确定了实际检测时大气消光对不同波段光强的影响,最后通过对多种污染物标准气体进行了同时临测,计算出标准气体在不同光谱分辨率不同O3浓度时的测量误差,确定了对O3的最适用光谱波段范围.在此波段既能够实现对痕量气体的准确定性定量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.     

长程差分吸收光谱技术气体浓度反演误差的定量估计

长程差分吸收光谱法(LP-DOAS)是基于最小二乘原理来反演大气痕量气体浓度的。LP-DOAS能对痕量气体进行高灵敏的测量,但是还没有统计的方法定量确定LP-DOAS反演误差。痕量气体的吸收通常很弱,外来影响因素决定了检测限和测量精度,其被误当做真正的吸收,增加了没有统计特性的噪声到残差中,导致最小二乘拟合误差(err(LSQ))有一个明显的误估计。研究采用蒙特卡罗方法,通过残差的循环移位定量确定差分吸收光谱法反演气体浓度的误差。实验结果表明,蒙特卡罗方法可以定量估计差分吸收光谱法反演误差,误估计因子为1.13,而err(LSQ)为3.12。     

基于准分子激光器火焰中OH自由基测量技术研究

介绍了利用XeCl准分子激光器作为光源,测量酒精喷灯火焰中OH自由基浓度的实验方法与结果分析。以XeCl准分子激光器作为光源,采用Herriott结构多次反射池扩展光程至2 560 m,利用酒精喷灯作为OH自由基发生器,使用光谱分辨率为3.3 pm的高分辨中阶梯光栅光谱仪作为光谱采集系统。详细描述了应用不包含etaloning结构的XeCl准分子激光器作为光源的原因,如何去除XeCl准分子激光器反应腔腔体中的水汽干扰等。选取308.145～308.175 nm波段范围对OH自由基浓度进行了反演,并与利用氙灯作为光源测量酒精喷灯中OH自由基浓度的结果进行了对比。     

基于二极管阵列PDA的紫外-可见差分吸收光谱(DOAS)系统的研究

介绍了一种自行研制的长程差分光学吸收光谱(DOAS)系统,该系统采用光电二极管阵列(PDA)作为光谱检测器,代替结构较为复杂的光电倍增管(PMT)加扫描圆盘的SD检测器,并对该系统检测器的偏置、暗电流、噪声、线性以及光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了测试,同时对SO₂,NO₂等大气污染物进行了外场的测定,确定出相应光程下该系统测量SO₂,NO₂的最低检测限。     

差分吸收光谱系统监测污染物浓度实时预测模型

差分吸收光谱(DOAS)法是一种有效的监测大气污染气体浓度的光学遥感方法,不仅有好的时间分辨率,而且测量灵敏度也很高。但是由于遥测系统处于复杂的大气环境中,各种干扰因素以及恶劣的气候条件,都会对系统产生影响。针对现有实时、在线监测差分吸收光谱系统中存在的不足,作者提出了一种基于改进Elman网络的实时预测模型。利用逐步回归筛选预测因子,不仅降低了预测网络的复杂程度,而且增强了系统的预测实时性。利用带自适应学习率的动态BP算法对改进的Elman网络进行训练,使预测系统能更好地辨识要预测的差分吸收光谱系统,该模型能较准确地对DOAS系统监测污染物数据进行实时跟踪监控,一定程度上弥补了遥测系统的不足。     

Effect of Water Vapor Absorption on Measurements of Atmospheric Nitrate Radical by LP-DOAS

利用长程差分吸收光谱技术进行大气NO3自由基测量时,水汽的强烈吸收叠加在测量光谱中,对NO3的精确反演和探测限带来较大的影响. 通过分析水汽吸收的非线性效应,建立了一种去除水汽影响的有效方法. 通过测量日间大气吸收谱,并考虑日间水汽与夜晚水汽变化量,一同参与数据拟合,结果表明该方法可以有效地去除水汽吸收的影响. 把该方法应用于在珠三角外场实验中,获得了好的效果,探测限达到3.6 ppt。     

分辨率对大气中痕量污染气体的DOAS测量性能影响研究

在差分吸收光谱(DOAS)测量过程中,光谱分辨率的选择直接决定了污染气体浓度的测量准确度.主要研究了光谱分辨率对污染气体被榆测到的特征吸收结构形状的影响,以及差分吸收截面随分辨率的变化趋势,从而确定了光谱分辨率对污染气体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NO2,O3,和SO2的最佳信噪比范围,对多种污染物标准气体进行了同时监测,计算出标准气体在不同光谱分辨率下的测量误差,确定了对NO2,O3和SO2监测的最适用的分辨率范围.在此分辨率范围既能够实现对痕量气体的准确定性定量测量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.通过在北京丰台区的实际监测得到了与点式仪器测量结果很好的一致性.     

Measurements of NO2 mixing ratios with topographic target light scattering-differential optical absorption spectroscopy system and comparisons to point monitoring technique

A topographic target light scattering-differential optical absorption spectroscopy(ToTaL-DOAS) system is developed for measuring average concentrations along a known optical path and studying surface-near distributions of atmospheric trace gases.The telescope of the ToTaL-DOAS system points to targets which are located at known distances from the measurement device and illuminated by sunlight.Average concentrations with high spatial resolution can be retrieved by receiving sunlight reflected from the targets.A filed measurement of NO2 concentration is performed with the ToTaL-DOAS system in Shijiazhuang in the autumn of 2011.The measurement data are compared with concentrations measured by the point monitoring technique at the same site.The results show that the ToTaL-DOAS system is sensitive to the variation of NO2 concentrations along the optical path.     

机载腔增强吸收光谱系统应用于大气NO_2空间高时间分辨率测量

介绍了一套用于机载平台测量的非相干宽带腔增强吸收光谱(IBBCEAS)系统,并应用于实际大气NO_2空间分布的高时间分辨率观测.为满足机载测量中对时间分辨率的需求,系统采用离轴抛物面镜代替消色差透镜提高光学耦合效率;并运用Allan方差,对系统性能进行了分析.通过腔增强吸收光谱系统与长光程吸收光谱系统对实际大气NO_2的对比测试,两者线性相关系数R~2达到0.86.将IBBCEAS系统应用于机载平台,在时间分辨率为2 s的情况下,探测限达到95 ppt(1σ).通过机载观测,获得了华北地区石家庄等地上空对流层大气NO_2的廓线信息.     

以CCD为探测器的长程差分吸收光谱系统

介绍了采用科研级面阵CCD作为探测器的长光程差分吸收光谱系统,对该系统所使用的CCD探测器的偏置、暗电流、噪音、线性响应以及光谱仪的分辨率、光谱范围等性能进行了详细的测试,并将北京外场实验DOAS系统测量SO2、NO2的结果与传统点式仪器的测量结果进行了比较.结果显示,两种方法有着很好的一致性.性能测试和对比结果表明该系统的性能较为优越,满足多种痕量气体的同时、长期监测.给出了应用该系统进行外场观测SO2、NO2和HONO的变化趋势,确定出相应光程下不同痕量气体的最低检测限.