当前大气复合污染日趋严重, 造成大气氧化性增强, 气体向颗粒物的转化加快。 大气颗粒物粒径大小及谱分布决定其在大气中的行为, 以差分吸收光谱法(DOAS)为基础, 结合双光路设计技术, 开展实时、 在线、 获取近地面大气气溶胶颗粒物的粒谱分布的光谱方法研究。 首先构建低噪声性能稳定的宽带氙弧灯为光源的双光路差分吸收光谱系统, 基于干净天气条件下大气的能见度数据对系统进行校准, 通过两个不同光路获得的光谱信号强度之比获取近地面紫外-近红外波段的大气总宽波段消光系数。 基于宽波段消光系数, 在去除瑞利散射以及气体吸收对消光系数的影响后, 解析出气溶胶颗粒物的消光系数。 基于核函数准则, 利用均匀球型粒子的电磁场Mie理论来反演气溶胶物理特性, 获得气溶胶粒子在该测量谱段的体积谱分布, 利用体积谱与数密度谱的关系, 反演出气溶胶粒子的数密度谱分布。 开展利用直方图方法来表现颗粒物的粒谱分布方法研究, 首先将DOAS测量波段近似等分为若干谱段, 利用谱段处平均值, 获取气溶胶粒谱直方分布图。 最后把该系统和方法应用于外场实验, 获得了气溶胶颗粒物在300～650 nm范围内的消光系数, 将测量波段等分为11个谱段, 反演了颗粒物的在0.1～1.25 μm粒径范围的数密度谱分布。 该研究为整治我国灰霾天气, 研究大气气相/粒子非均相化学反应提供科学依据。 同时将推动DOAS技术的进一步发展和应用。

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。

针对被动多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演痕量气体SO₂中吸收强度弱以及易受反演波段和大气气溶胶状态影响的问题,研究了基于地基MAX-DOAS的对流层SO₂垂直廓线及垂直柱浓度的反演方法。通过反演误差对比确定了SO₂的最佳反演波段(307~330 nm),并精确获取了差分斜柱浓度。鉴于大气中气溶胶状态是影响SO₂等痕量气体反演的重要因素,反演中采用两步反演方法:第一步通过测量O₄气体的差分斜柱浓度来反演气溶胶廓线;第二步将气溶胶廓线输入到辐射传输模型中,利用痕量气体浓度垂直反演算法获取对流层(0~4 km)中SO₂的垂直分布廓线和垂直柱浓度。将SO₂廓线在0~100 m的反演结果和地面点式仪器数据进行对比,结果发现两者的一致性较高。研究表明,基于MAX-DOAS反演对流层中SO₂的垂直分布及垂直柱浓度是一种有效的手段。

研究了多轴差分吸收光谱技术的气溶胶消光系数垂直廓线反演方法, 基于非线性最优估算法, 通过地基多轴差分吸收光谱仪观测的O4气体差分斜柱浓度, 结合大气辐射传输模型, 反演气溶胶消光廓线和光学厚度.2017年7月和8月在淮北地区开展了外场观测实验, 低仰角(小于15°)的O4差分斜柱浓度模拟结果和测量结果相关性高于0.9, 较好反演了对流层的气溶胶状态.研究表明淮北地区夏季气溶胶含量整体较低, 出现的两天高值天气(7月24日和8月12日)的光学厚度日均值为0.65和0.59, 分别为季节均值的1.6倍和1.4倍.通过气溶胶消光廓线时序图可知, 两天的气溶胶高值都位于0.5 km以下, 污染主要为本地积累产生.

针对大气痕量气体浓度的二维分布重建中的噪声问题,采用数值模拟的方法研究了噪声对差分吸收光谱断层扫描技术重构大气痕量气体空间分布 的影响,建立了噪声的模型,并研究了噪声对代数迭代重建算法(ART)和联合迭代重建算法(SIRT)两种重建算法的重建效果的影响。ART算法重建后,误 差Ea由0.1080降低到了0.0182; SIRT算法重建后,误差Ea由0.0476降低到了0.0102。结果表明,随着随机噪声的增加,重建图像变 态程度越来越严重。由重建相对误差指标可以看出,随着信噪比的增加,重建相对误差越来越小。因此,在外场重建实验中应该尽量避免噪声。

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。

以主动差分吸收光谱遥感技术为基础，在干净大气环境条件下，结合参考光路设计技术，开展了获取近地面气溶胶颗粒物的光谱新方法研究.针对以宽带氙弧灯为光源的主动差分吸收光谱系统固有宽波段特性，建立了解析颗粒物光学厚度模型，获取了大气颗粒物光学特性.最后通过外场实验，获得测量期间气溶胶颗粒物光学厚度，然后采用对数线性回归获取Angstrom波长指数和混浊系数，以及大气能见度数据.主动差分吸收光谱系统用测量光程范围内的大气总的吸收特性，获得监测区域的颗粒物平均水平，更具有代表性和进一步应用价值.

为了实现烟羽二维空间分布的精确重建,建立了被动多轴差分吸收光谱断层扫描系统,实现了多台被动多轴差分吸收光谱系统对废气烟羽空间分布的测量.首先,介绍了多轴差分吸收光谱系统及其反演气体浓度的机理.接着,使用代数迭代算法对不同的重建模型,采用不同的扫描光路进行了重建模拟,并设计了重建程序.然后,对数值模拟仿真结果进行了分析比较.最后,搭建了多轴差分吸收光扫描系统平台,进行了外场试验.数值模拟的结果显示:MAX-DOAS层析技术能精确的重建出烟羽模型的二维空间分布,四光源光路的重建误差约是双光源光路重建误差的三分之一,四光源重建时间约是双光源重建时间的四分之一,且双峰模型的重建误差大于单峰模型的重建误差.外场试验的结果显示:重建图像的积分数据与多轴差分吸收光谱测得的投影数据是一致的,说明重建出的烟羽空间分布符合实际情况.研究表明,数值模拟的结果与外场试验的结果具有一致性.

针对工业烟囱排放污染气体空间分布难以实时获取的问题，开发了基于多轴差分吸收光谱（DOAS）断层扫描系统，结合重构算法，可形成可视化的工业气体烟羽垂直断面浓度的空间分布图。该方法是在烟羽两边分别放置一台定时多轴扫描DOAS，同时在扇形光束射线几何模式下，对烟羽的同一垂直断面扫描。以精确反演的线积分浓度为投影向量，基于平滑基函数最小算法，重构烟羽空间分布，给出重构烟羽断面数值模拟图，并讨论断层重构装置的使用范围。将该系统应用到外场实验中，重构了电厂排放NO2烟羽空间分布。

针对大气痕量气体浓度的二维分布重建问题，本文提出了一种以差分吸收光谱断层扫描技术重构大气痕量气体空间分布的方法，用两台被动多轴差分吸收光谱系统 (MAX-DOAS)对待测烟羽进行层析扫描，使用 DOAS技术反演出的气体斜柱浓度，进而通过代数迭代算法(ART)把其中的浓度分布信息提取出来。采用高斯分布烟羽为重构对象，用数值模拟的方法对重构效果进行了研究分析，分析表明重建结果与模型基本一致，表明了气体分布测量方法的可行性。为了研究在实际测量中的误差对气体分布重建结果的影响，在投影数据中添加了不同比例的随机误差，研究表明，投影误差对气体浓度分布重建结果影响很小。