1 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点研究室，安徽 合肥 230031
研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱（OP-FTIR）温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO2、CH4和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO2、CH4和CO的光谱区域分别为2102~2250 cm-1、2920~3140 cm-1和2172~2210 cm-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO2、CH4和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO2、CH4和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH4质量浓度分别与CO2质量浓度进行相关性分析，相关系数分别为0.495和0.659。
光谱学 大气温室气体污染特征 开放光路傅里叶红外光谱 二氧化碳 甲烷 一氧化碳
1 中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，江苏 南京 210044
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所，安徽 合肥 230031
基于差分吸收激光雷达反演了气溶胶消光系数、边界层高度以及臭氧的质量浓度，通过大气温度廓线、地面气象要素和空气质量数据以及后向轨迹和海军气溶胶分析与预测系统分析了望都县的一次重污染过程。实验结果表明，观测期间望都县处于东亚大槽系统的控制下，近地面层100~200 m内一直存在逆温层。颗粒物污染严重时，地面相对湿度较高、风速较小，高空有弱下沉气流，这有利于颗粒物的吸湿增长和长时间聚集；且边界层的高度始终较低，不利于污染物的扩散。此外，边界层高度与颗粒物质量浓度没有明显的相关性，但与能见度呈负相关，相关系数为-0.344。臭氧的质量浓度与气温和能见度呈正相关，与相对湿度、边界层高度和风速呈负相关。本地的静稳天气以及外地污染源传输是造成本次望都县空气污染的主要原因。
大气光学 差分吸收激光雷达 重污染 气象条件 边界层高度 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0901002
1 中国科学院 合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
为了优化气体受激拉曼散射系统, 采用理论与实验相结合的方法, 对气体受激拉曼散射现象进行了研究。根据受激拉曼基本理论计算了CH4和D2在不同气压下的拉曼增益系数, 然后采用输出能量为70 mJ的Nd∶YAG三倍频355 nm激光进行了受激拉曼散射实验, 测量了在拉曼池气体气压为1×105~2×106 Pa, 焦距分别为500, 750 mm下的斯托克斯光的输出能量。发现CH4拉曼增益系数随气体压力升高而增大; D2拉曼增益系数在1×106 Pa左右达到最大值, 之后不随气压升高而改变。实验结果表明, 在气体受激拉曼装置中, 合理选择拉曼池气体气压和耦合聚焦透镜的焦距, 即甲烷气体系统选择长焦距高气压, 氘气系统选择长焦距低气压。理论计算与实验结果基本一致, 此研究对NO2差分吸收激光雷达光源系统的优化有着很重要的作用。
受激拉曼散射 增益系数 气体气压 透镜焦距 stimulated Raman scattering gain coefficient gas pressure lens focal length 光学 精密工程
2019, 27(12): 2509
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
利用地基激光雷达和CALIPSO卫星数据,选取廊坊地区清洁天、霾天和多云3种天气个例,对廊坊市气溶胶垂直分布特性进行对比分析,并判断污染物的可能来源。结果表明不同天气类型下两个激光雷达反演的消光系数廓线整体一致,相关系数高。清洁天气2 km以下有少量沙尘气溶胶,消光系数均小于0.2 km -1,退偏比集中在0.10~0.30,色比值集中在0.5~1.0,粒子非球形度高且粒径大;霾天在低空500 m以下聚集着球形度高的细粒子污染物,消光系数最高超过2 km -1,退偏比和色比值都较小,污染大陆型气溶胶和污染沙尘同时存在;多云天气下,垂直高度上只在出现云层的位置消光系数很大,廓线有尖峰,退偏比大部分小于0.02,色比集中在0.10左右,受到上升气流的影响,高空7 km以下都分布着少量沙尘气溶胶。
大气光学 大气气溶胶 CALIPSO 消光系数 垂直分布 中国激光
2019, 46(12): 1201003
1 浙江省环境监测中心,浙江 杭州 310012
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
3 无锡中科光电技术有限公司,江苏 无锡 214135
激光雷达观测网是研究区域大气颗粒物污染分布特征的有力工具。长三角地区激光雷达观测网部分站点 的激光雷达资料与地面气象数据、PM2.5、PM10质量浓度数据,以及HYSPLIT后向轨迹模型模拟的后向轨迹 相结合,对2016年9月杭州及其周边地区一次颗粒物污染的来源和成因进行了分析。分析结果表明,9月8日 杭州颗粒物污染过程是该地区局地污染与高空输送共同作用的结果,且粗粒子主要来源于西北方向。 杭州地区SO2浓度整体较低,PM2.5浓度与NO2浓度呈正相关,细颗粒物主要以硝酸盐为主。较高的NO2浓度 和高湿度、低风速的不利气象条件,是该地区局地细粒子快速增长的主要原因。
大气颗粒物 激光雷达 HYSPLIT后向轨迹模型 颗粒物污染 atmospheric particles lidar HYSPLIT backward trajectory model particle pollution 大气与环境光学学报
2019, 14(3): 171
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230037
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230039
对大气臭氧探测激光雷达出现硬件故障时的回波特征进行了分析。根据回波形态和雷达强度等,采用基于模糊逻辑的质量控制方法,对雷达硬件故障数据进行了识别检验,识别率高达93%,即能较好地实现对硬件故障数据的质量控制。比较了硬件故障时的数据和被误判的正常数据在300~500 m高度上对应的臭氧浓度和信噪比均值,找出统计特性,降低了对正常数据的误判率。
测量 数据质量控制 模糊逻辑 隶属函数 信噪比 臭氧浓度
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 环境光学与技术重点实验室,安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学,安徽 合肥 230026
为获取杭州市夏季臭氧浓度时空分布特征和气象要素对臭氧浓度的影响, 利用臭氧差分吸收激光雷达开展观测, 同时利用WRF-Chem模式模拟臭氧时空特征和气象要素。实验结果表明: 臭氧浓度模拟结果与激光雷达的观测结果具有很好的一致性。2016年夏季, 杭州市18天内发生了4次臭氧重污染, 每次持续2到5天, 最高浓度达550 nL/L。高空1~2 km存在较高浓度的臭氧污染层, 并存在垂直和水平传输, 对近地面臭氧污染有明显影响。近地面臭氧浓度平均最低值出现在凌晨2时左右, 为75 nL/L; 平均浓度最高值在中午12时左右出现, 为90 nL/L。近地面臭氧浓度的日变化明显, 而高空的臭氧浓度日变化不明显。臭氧差分吸收激光雷达系统对臭氧时空分布的探测是可靠的。强太阳辐射、高温、低湿都是臭氧污染形成的有利环境条件, 而强风对局地臭氧有扩散作用, 降雨对臭氧有很好的消除作用。
差分吸收激光雷达 臭氧 气象要素 传输 differential absorption lidar ozone WRF-Chem WRF-Chem meteorological factors transmission
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230036
与目前广泛应用的532 nm波段的发射波长相比, 采用355 nm波段发射波长进行大气温度观测对分光光谱仪的精度要求更高, 分光光谱仪的线色散率要达到0.1 nm/mm。提出了一种新型高线色散率纯转动拉曼激光雷达分光光谱仪, 通过设计双光栅结构来达到激光雷达纯转动拉曼回波信号分光的目的。利用Zemax软件进行设计, 模拟分析结果显示：间隔0.1 nm的两个相邻光谱在分光光谱仪聚焦镜焦平面处两个相邻谱线中心可以分开1 mm, 满足测温纯转动拉曼分光光谱仪线色散率达到0.1 nm/mm的要求。将实验得到的斯托克斯回波信号强度与理论计算结果进行对比, 验证了纯转动拉曼雷达中应用双光栅光谱仪的可行性。
光谱学 测温激光雷达 纯转动拉曼光谱 双光栅光谱仪 线色散率
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
大气边界层高度对大气颗粒物污染具有重要的影响。为研究京津冀区域的大气边界层高度变化特征, 利用该地区多个站点的激光雷达数据, 进行了统计研究, 并将激光雷达观测值与美国国家气象局国家环境预报中心全球资料同化系统模式模拟结果进行了对比。观测数据表明, 京津冀地区的大气边界层具有明显的日变化特征和季节变化特征: 白天的大气边界层高度高于夜晚, 且边界层高值出现在14:00左右; 夏、冬季的大气边界层高度高于春、冬季; 冬季大气边界层高度有降低趋势。此外, 2014年11月多个站点由激光雷达测得的边界层高度的统计分析表明, 京津冀地区大气边界层高度在300~900 m之间, 且东南方向较高。
大气光学 大气边界层高度 激光雷达 气溶胶消光系数 激光与光电子学进展
2017, 54(1): 010101
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2 University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
3 Tianjin Key Laboratory of Air Pollution Prevention and Control, Tianjin Academy of Environmental Sciences, Tianjin 300191, China
A mobile vehicle lidar system has been developed and applied to detect urban air quality. On September 21 and 22, 2015, particulate matter observation with mobile vehicle lidar was carried out in the Binhai New Area of Tianjin. Combined with the latitude and longitude information acquired by a GPS, the three-dimensional distribution of the aerosol extinction coefficient was presented in the experimental area. Furthermore, the source, distribution, and the transportation path of the aerosols in the area were investigated based on lidar data, local meteorological data, and backward trajectory analysis. The results show that mobile vehicle lidar can detect the atmospheric aerosols and reflect the stereoscopic distribution properties of aerosols. The potential of this vehicle lidar system provides a new scientific basis for the study of the source, distribution, and transportation of atmospheric particles.
010.0010 Atmospheric and oceanic optics 140.0140 Lasers and laser optics 280.0280 Remote sensing and sensors 290.0290 Scattering Chinese Optics Letters
2016, 14(6): 060101
