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                凈氣技術

                旗下欄目: 凈氣技術 氣候變化 大氣汙染

                劉文清:區域大氣環境汙染光︻學探測技術進展

                來源:環境」科學研究 作者:劉文清,陳臻懿等 人氣: 發布時間:2019-09-29 10:13:23

                劉文清

                環境光學監測領域專家,中國工程院院士,現任◎中國科學院合肥物質科學研究院學頓時臉色一白術委員會主任,安徽光學精密機械研究所㊣ 首席科學家.

                環境汙染物的形成、轉化、輸送和演變過程具有極強的時空相關性,研究和發展能適用於多組分環境汙染物的快速、實時、動態●監測技術是科學研究工作者面臨的重大課題. 基於光譜學原理的環境監測技術,由於其具有非接觸、無采樣、高靈敏度、大範圍快速監測等特點,是國際上環境監測技術的主要那城門口發展方向之一,並被廣泛↓應用於環境、氣象和科學研究等領域. 針對京津冀地區大氣重汙染發生―演變―消〗散全過程的核心科學問題,通過建立大氣汙染傳輸通道立體觀測網,開展重汙染時段和重汙染△過程的車載走航、機載觀測地基遙感和衛星遙感觀測,綜合運用大氣環境監測網以及超級站等觀測平臺,獲取大氣汙染物的光學特性、環境氣象信息等演等把你打趴下了變規律,從而推動京津冀及周邊地區ξ空氣質量的持續改善. 光譜學技術在環境監測領域的成功應用,為區域大氣和全球環境狀々況奠定了技術基礎.

                1背景需求

                近年來,伴隨著我國社會經濟的高速靈魂之力在不斷變強和多元化發展,大氣汙染引起①了社會的高度關註. 大氣環境的變化不但影響著當今和未來的世界,而且也一直是國際科學前@ 沿關註的熱點,大氣環境汙染問題的解決離不開先進的監測技術和ω手段[1-2]. 目前大氣環境汙染監測♀數據主要來源於地面監測網,同時輔以衛星監測數據[3-4]. 但地面監測網難以說明對流層特別是人類賴以生存小唯的邊界層的狀況,缺☉乏立體監測數據,而衛星監測數據的地面分辨率又不足以識別主要汙染來源,因此,要滿足大氣環境科學研◣究以及業務監測工作的需求,需要◆開展大氣汙染時空分布的地基立體監測. 借鑒國家“863”計劃中“重點城市群★大氣復合汙染防治技術與集成示範”重大項目及其成功實踐經驗(亞運會、世博會等重大賽事的空氣安全保障),以說怎么搜索清汙染源現狀、說清環『境質量、說清環境風險為目標,“大氣立體監測”這一概ㄨ念應運而生. 大氣立體監測技跟骷髏似術以光與環境物質的相互作☉用為物理機制∴,將低層大氣環境任意測程上的化學和物理性質的測量手段從點式傳感器轉向時間、空間、距離分↘辨的遙測,通過建立汙染◆物的光譜特征數據庫,研發汙染物↘的光譜定量解析算法,再結合光機電算工程化技術,形成了以DOAS(差分光學吸收光譜學)技術[5]、LIDAR(激光雷達)技術[6-7]、FTIR(傅裏葉光譜學)[8-9]技術就是玄仙巔峰以及激光擊穿光譜學(LIBS)技術等為主體的環▓境監測體系[10],實現了多空間尺度性、多時間尺度性、多參數遙測,從〇根本上改變了傳統的大氣研究由點到線再到面的卐演繹法,為大氣環境研究提供了一個全新㊣的研究角度,克服了傳統大氣環境監測中的諸多局限性.

                2技術應用

                大氣立體監測技術可以應用於環境汙染、環境安全和工業過程控制的在線現場監測、地基平臺監天使一族和惡魔一族最懼怕測、機載平臺監測》、球載平臺監測以及星載平臺監測[11-14]. 對於固定點位監測,不同高度汙染物濃度數據主要依靠激開始光雷達探測→、FTIR與DOAS技術遙測∑ 獲取;顆粒物質量濃度數據通過激開始光雷達探測獲取;ρ(SO2)、ρ(NOx)、ρ(NH3)可通過DOAS技術遙測獲取〖;ρ(CO)和ρ(VOCs)則可利用FTIR技術觀測獲取. 如對重點源的氣態汙染物排放可實▃施定點遙感監測『,對其顆粒物及其前驅物←的演變規律和輸送方向進行定量核算,避免在重大空氣質量保障活動中和應對重汙染天氣的對策中無差別地進行關停;同時,對各城市常規監一擊測站ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(PM10)、ρ(PM2.5)、ρ(CO)的逐時☆數據進行收集,作為地面汙染物濃度信息的補充. 對於無組織源排放或應急監測,通常采用車載FTIR與車載DOAS技術,對典型布點區域汙染物▲地面濃度分布、垂直柱濃度▼分布進行移動遙測,以提供更多的空⊙間汙染信息,如對化工、電子和塗裝園區的VOCs進行常態化的車載監控形成的無組織排放大數據,可以對汙染區看著百花樓樓主的各個工藝和管理環節水平進行預╲判預警,從而及時有針對性地進行精準監管[15-18]. 結合衛星遙感技術(MODIS、OMI、AIRS等)可以反演得到各汙染物(顆粒物、SO2、NO2、CO等)的區域宏觀濃♀度變化趨勢,以及對汙染物濃度的空中觀測信〖息進行驗證對比. 隨著技術的進步,區域立體探測技術在不斷發展,從垂直定向觀測向三ξ 維掃描觀測發展,從固定站點觀測向走▼航移動觀測發展,從顆粒物〒的空間觀測到臭氧、VOC等氣態汙染物的空間觀測,從單一汙染要素觀測到環境、汙染物等多要素協同觀測等. 在以區域立千幻頓時一瞬間出現在千秋雪身前體探測技術為基礎的環境監測網絡ω 中〔見圖1(a)〕,通過環境監測獲取汙染狀況及其變化規律,掌握環境質量和固定汙染源排放;城市和區域模擬則為汙染物排放與環境質量『之間建立數值關系,進一步推進環境】、氣象、交通及科研監測數據的融合共☆享,通過實踐建立多元數據獲取的運行規範和共享機制,實現各級各類監測數據系統互聯共享,提升監測預報預警也很方便、信息化』能力和保障水平,為改善環境質量的汙染排放控制和治理措施的效果評價提供技術支持和決策支撐〔見(圖1(b)〕.

                圖1  基於多平臺的區域大氣汙染監∮測網及應用

                Fig.1 Regional air pollution monitoring network based on multi-platform and its application

                2.1固定點立○體監測

                近10年來,京津冀地區包括晉蒙豫魯及其♀周邊地區的大氣汙染呈持續時間長、灰霾出現頻次高、汙染物的︼性質不穩定和濃度高等特點. 科學試驗和衛星綜合分析表明,從河北省北〓部、山東省西北部向北沿太行山脈到燕山山脈形成了一條汙染聚集帶,在氣流比較弱的情況下,區域內排放的汙染物和外來輸送的汙染物會在【該地帶聚集,無法向外輸送,當汙染物積累效應超過大氣環境容量時,就形成了區域性重度大氣汙染現象.

                為了進一步研究京津冀地區大〓氣汙染特征,厘清輸送通道的影響,在科學技術部和中↘國科學院的支持下,中國科學院及國內科研院所在京津冀地區多次開展了大氣環境立體探測技術研究. 2017年9月實施的“大氣重汙染成因與治理攻關項目”更是建立了迄今為止我國京津∏冀地區最完備的天地空一體化立體綜合觀測網. 16個地基立體觀測站點從2017年10月下旬投入連續觀測,以激光←雷達、MAX-DOAS、衛星遙感等空間立體觀散修一擊而擊殺另外兩名青火派弟子測手段為主,充分利◤用區域或典型城市大氣中汙染物總量的綜合觀測技術和方法,重點關註太行山輸送通道、燕山輸送通◢道、東南部和南部輸送通道的空間輸送狀況,獲取了靜穩天氣下Ψ 的汙染物總量數據、對流天氣下的汙染物通量數據以及汙染物積累過程的觀測數據. 地基立體觀測站點選址經過關聯性優化,多位於城市行政邊界位置,力圖減少第兩百四十八本地汙染源的影響,強化輸送觀測的代▆表性. 通過大量的觀測和數值模擬等研究,基本弄清了京津冀及周邊地區大氣汙染的成因和╱汙染傳輸路徑,達成了科學共識. 圖2為激●光雷達於2018年1月中旬觀測到的京津冀地區汙染物輸送通道及其時空分布,汙染前期主要集中在京津冀中南部和山西省南部地區,汙染中整個領域後期京津冀地區北部(如北京市、天津市、廊坊市↓等城市)受多股弱冷空氣影響,汙染形勢有所緩解,但京津〒冀地區中南部重汙染過程持續. 2017―2018年秋冬季,京津冀地事區幾次汙染形成初期,均主要以偏南ㄨ風(西南風或南風)為主,風速較低,並且存在明顯的邊界層降低和逆溫現象.

                圖2  2018年1月中旬→激光雷達觀測到的京津冀區域汙染物輸送通道及其時空分布

                Fig.2 Spatio-temporal transport channel and distribution of pollutants observed by Lidar in the middle of January in Beijing-Tianjin-Hebei Region

                2.2車載走■航觀測

                車載〓走航遙測不受地點、時間、季節的限制,在突發性環境汙染事故發生時,監測車可迅速進入汙染現場,應用監測儀器在第一時間查明增加汙染物的種類、汙染程度,同時結合車載氣□ 象系統確定汙染範圍以及汙染擴散趨勢,可準確地為決策部門提供技術依據. 車載∏大氣汙染監測系統主要由激光發射系統、接收系統、信號探測與采集系統、GPS全球定位系♂統4個單元組ζ 成. 激光器發射的激光經準直擴束後垂直進入大氣,激光與大氣相互作用產生的後向散射光被望遠鏡接咆哮聲徹響了整個天陽酒家收,接收信號經探測采集存儲進【入計算機. 此外,GPS全〗球定位系統采集的經緯度信息也被存儲進監測設備的原始數據中. 在區域大氣汙染立體監測中,通常使用車載◆走航SOF-FTIR觀測VOCs、車載多軸DOAS觀測SO2/NO2通量、車載激光雷達觀◎測顆粒物通量和總量,此外還可安裝空氣質量監測系統,用於獲取移動式監測環境空氣質量及多種氣象參數. 在具體應用↙中,走航路線的設計△原則:重點城市的觀測路線應能◇圍繞該區域的代表性區域,且能路線閉合;大範圍觀測路線應選擇經過重點城市的高速影響力更大艾他朝那玄仙點了點頭公路網,且路¤線應盡可能沿可能輸送路徑、能覆蓋整個汙染氣團剖面,觀測路線應盡量避開道路上方有遮擋物(如隧道、樹蔭)的路線.

                車載移動監測獲取汙染氣體通量的原理基本∏相似,該研@究以車載被動DOAS為例進︽行介紹. 車載被動DOAS系統對煙羽剖面進行掃描測量〔見圖3(a)〕,假設在每條測量譜的積分時間(采樣點)Δt內,儀器運動距離為Δx,而煙羽我想這方家老祖肯定會來找你麻煩在風的作用下移動距離為Δy,此時測量過程中〖采樣點氣體的垂直柱濃度(VCD)反映的是圖3(a)中這個立方體所包圍著的煙羽的平均柱密度(單位為μg/m2). 假設煙羽運動方向(即風向)與觀測面(車行方向)BCGF成α角,則Δt內垂直▲通過面BCGF的通量(單々位時間垂直通過單位面積的汙染物的量)可以寫作Fluxi,j=VCDi,j×V車,j×V風⊥,j×Δt(式中,V風⊥,j=V風,j×sin α,表示風向垂直於運動方向的分量). 在通量測量計算中,通過與點源的對比驗證,采用的是煙羽高◣度上的風速來計算排放通量,煙羽高度上的風@速一般通過風廓線獲取,但有時在測量※過程中無法獲取風廓線數據. 當大氣穩定度在中性級別時,地面氣象站數據和高空數據具有較好的一致性,所以在而后直接飄了出去此情況下可采用地面氣象站風速數據. 在實際應◥用中,首先選取合理的走航路徑,同時對重點觀測城市劃分成幾個區域,分別對每個區域進行移動觀測,獲↓取每個區域的SO2、NO2排放量,用於衛星數據比對及改善♀對現有汙染源清單的認識▅. 圖3(b)為車載DOAS移動監測到的我國中部某城市大氣中的NO2柱濃度,測量當日的主導風向為西南風,在測量區域的東北部出現了NO2柱濃度高隨后又是退下來值,說⊙明在此風場影響下,監測區域對該城市主城區有NO2輸送過程.

                圖3  車載移動監測煙羽原理圖和車載DOAS移動監測獲取的NO2柱濃度

                Fig.3 Principle of mobile monitoring for smoke plume and NO2 column concentration monitored by mobile DOAS

                2.3多源衛星遙測々

                衛星遙感平臺是在短時≡間內獲取全球或大區域信息的重要手段,它彌補了地面站點監測在空間尺度上的不足. 星載遙感大氣汙染監測較常規方法更∞具客觀性,便於對全球和區域大氣汙染進行動態監測和①預報,具有廣闊的應用前景. 目前,星載大氣汙染遙感在國際上正得到快速發展,在發達國家和地區,衛星遙感已成為大氣環境慢慢暴漲了起來監測和大氣質量←預報的重要手段. 如星載DOAS技術利用地面和大氣的後向散射光進行痕量氣體反演,通常能實現天底和臨邊觀測兩種幾何觀測模☉式. 天底〇觀測時,DOAS系統的視場向下正→對地球表面. 美國國家航空航天局(NASA)的EOS Aura衛星上搭載的Ozone Monitoring Instrument(OMI),歐洲航天總署(ESA)開發的還受了重傷搭載到ERS-2衛星上的Global Ozone Monitoring Experiment(GOME)以及隨後發♀射的METOP-A上搭載的GOME-2和Envisat上搭載的SCIAMACHY均采用了天底觀測方式. 另外,SCIAMACHY儀器除了天底測量之外,還能實現臨邊測量,通過臨邊◇測量,SCIAMACHY能夠以高分辨率反演痕量氣體的垂№直廓線. 我國自行研制←的高分5號衛星搭載了2臺對地觀測載荷(可見短波紅外高光譜相機和全譜段光譜成像儀)和4臺大氣※探測載荷(大氣氣溶膠多角度偏振探測儀、大氣痕量氣體差分吸收光譜儀、大氣主要溫室氣體監測儀和大氣環境紅外甚高光譜分辨率探測儀),可對CO2、CH4、O3、NO2、SO2等大氣成分和大氣氣溶膠特性↓進行監測. 我國於2018年首次獲取了全球NO2柱濃度空間分布結果,空間分辨率為24 km×13 km. 從全⌒球範圍看,NO2柱濃度的高值主要分布在東北亞(我國華︾北和東北地區、韓國、俄羅斯西伯利亞以及日本北部)、美國中北部、印度北部、歐洲中部、南非等地. 此外,還可采用多源(OMI、MODIS等)衛星二級數據,通過網格化插值算法獲得區域汙染果然物(SO2、NO2、顆粒物)的空〗間分布(見圖4),分析大氣汙染過程不同階段、不同區域汙染物總量,結合氣象信息獲取重點城市區域∩的排放通量.

                圖4  OMI衛星反演的我國部分地區NO2柱濃度(2016年12月―2017年2月)

                Fig.4 NO2 column concentration in some areas of China from December, 2016 to February, 2017 retrieved from OMI satellite

                3發展思路

                自2013年《大氣汙染防治』行動計劃》實施以來,在國家科技計劃項目的支持下,我國大氣復合汙染的基礎研究和治理技術研發取得了積極進展. 但是隨著我國大氣汙染治理的不斷深入,汙染源的ξ結構發生了顯著改變,大氣汙染的成因也發生了快速變¤化,因此我國的大氣汙染防控還面臨著很多挑戰. 如全國大氣臭氧濃度的不斷增加,個別城市開始出現臭氧引起的重汙染現象;同時,PM2.5和臭氧協同控制成為大氣汙染治巨大理的深水區★防控,其中涉及的關鍵問題是VOCs的減排. VOCs是二次顆粒物和臭氧的共同前體物,其組分和來源復★雜,目前無論是重點行業還是城市都還沒有成功的♀VOCs防控經驗◤可循.

                此外,盡管近年來我國大氣環境監測技術、儀器與設備實現了快速發展,依靠自主研發的技術,已初步形成了以國控目光卻看向了已經死了網絡監測站為骨幹的環境地面監測網絡體■系,但仍存在一些問題和不足:①環境汙染機理研究的監測技術和手段(低幹擾的多平臺ζ自由基探測、高靈敏的大氣超細顆粒物傳感器等)的不足,不能∮滿足國家對O3等二次汙染業務化監測(如光化學前體物的立體監測、低成本高性能的大氣自由基與環境汙染物探測等)的需求,因此亟須推動監測技術的『創新、國產儀器的產業化ω及環境監測技術體系的建立. ②在局域微觀精細化監測方面,需大力發展基於物聯網應用的大氣環境監你找到龍族了測傳感器,實現汙染源監測網絡≡化;在宏觀區域監測方面,創新地基遙感監測手段,獲取更多的大氣成分和氣象參數(如水汽、氣溶膠♀吸收、散射系∮數等),突破№衛星和機載(航空平臺、無人機)高光譜分辨率大氣遙感關鍵技術,提升重汙染天氣下的觀測能力(排放源辨識和區域傳輸直接觀測),實現大小唯不解氣環境的立體化、智能化綜合□ 關聯監測,為我國的環境科↙學研究、環境質量管理和環境外交提供科學技術和支撐.

                (編輯:小蟲)

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