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, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
3 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, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽 合肥 230601
多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）结合计算机断层重建算法可获取目标痕量气体的空间分布情况。 为研究在具有背景浓度的条件下, 如城市背景下某个竖直截面上重建NO2空间分布的可行性, 设计了气体浓度可控条件下的验证性实验; 证明了利用MAX-DOAS在竖直平面重建NO2气体分布的可行性。 将充入标准气体的JGS1石英玻璃样品池作为研究对象, 使用两台MAX-DOAS采集光谱数据。 将气体浓度的梯度作为先验信息, 利用经典的ABOCS算法和Barzilai-Borwein算法重建了竖直平面内的NO2气体分布, 验证了利用MAX-DOAS在竖直平面内重建NO2气体空间分布的可行性, 同时确定了背景浓度对重建结果的影响。 研究结果表明, 以天空为背景的光谱作为参考谱和以空样品池为背景作为参考谱, 反演得到的NO2浓度非常接近, 因此研究对象中的样品池容器在NO2竖直平面分布重建方法中对实验结果的影响可以忽略。 实验中以市区为背景的MAX-DOAS具有较高的背景浓度, 特别是在仰角较低的情况下NO2背景浓度几乎达到6×1016 molec·cm-2, 以城市郊区没有明显的污染源为背景的MAX-DOAS, 背景浓度较低可以忽略。 重建结果显示, 当仰角为28°时, 气体沿光路的平均分子数密度为3.932 7×1015 molec·cm-2, 且在样品池内下部密度大, 上部密度小; 重建得到的SCD和测量得到的SCD符合比较好, 计算结果显示重建得到的气体分子数密度的峰值为5.77×1015 molec·cm-2, 与以城市郊区为背景的MAX-DOAS反演结果较为接近, 而以市区为背景时, 特别是仰角较小时, NO2背景浓度特别明显, 重建结果比测量结果的值小很多。 结果表明, 背景浓度在重建图像中表现为伪影, 影响对气体分布的观察, 而如果在重建算法时加入利用样品池内外气体存在浓度突变这一先验信息, 能够减轻背景浓度对重建结果造成的影响。
差分吸收光谱 浓度重建 多轴差分吸收光谱 迭代算法 数据拟合 Differential optical absorption spectrometer Gas reconstructing MAX-DOAS Iterative algorithms Data fitting 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2413
1 西藏高原大气环境科学研究所, 西藏 拉萨 850000 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国气象科学研究院, 灾害天气国家重点实验室和青藏高原气象研究所, 北京 100081
3 中国气象局气象探测中心, 北京 100081
4 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
5 西藏自治区大气探测技术与装备中心, 西藏 拉萨 850000
基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)开展拉萨上空太阳散射光谱观测和对流层NO2柱浓度反演研究, 探究西藏和平解放70周年大庆活动期间拉萨上空NO2对流层垂直柱浓度变化特征。 研究结果表明: 观测实验期间(2021年8月9日至2021年8月31日)白天NO2对流层垂直柱浓度的平均值为4.46×1015 molec·cm-2, 明显高于西藏和平解放70周年大庆活动日当天NO2浓度水平(2.85×1015 molec·cm-2); 而且NO2对流层垂直柱浓度日均值的逐日变化与地面在线观测数据具有良好相关性, 相关系数为0.58。 观测实验期间拉萨市主导风向为西风, 东西方向是大气NO2污染物的传输通道, 这与拉萨城区河谷地形相一致。 观测实验期间NO2对流层垂直柱浓度小时均值的平均日变化呈现“U”型分布, 早晚出现高值, 低值浓度出现在16:00时左右, 但西藏和平解放70周年大庆活动日当天NO2对流层垂直柱浓度的日变化除表现为早晚峰值外, 还在正午12:00时出现峰值, 这与活动结束后道路管控措施解除以及活动保障车辆行驶排放有关。 本研究证实了地基MAX-DOAS遥感观测技术在高原城市拉萨具有很好地适用性, 同时也发现拉萨大气NO2浓度水平变化主要受城市交通排放影响, 西藏和平解放70周年大庆活动当日拉萨对流层大气NO2浓度低。
多轴差分吸收光谱技术 二氧化氮 对流层柱浓度 拉萨 MAX-DOAS NO2 Tropospheric column density Lhasa 光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1725
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, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
5 中国环境监测总站, 国家环境保护环境监测质量控制重点实验室, 北京 100012
大气水汽的吸收强度从微波区域到可见蓝光区域逐渐降低, 然而在紫外波段的吸收却经常被人忽略。 多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术是一种被动光学遥感技术, 可以同时反演气溶胶、 多种痕量气体(如NO2, SO2, HCHO, HONO等)以及水汽, 常用于区域大气立体分布及输送监测, 具有成本低、 时间分辨率高、 稳定、 可实时监测等特点。 水汽是一种重要的温室气体, 在紫外波段反演一些痕量气体时水汽的吸收经常不被考虑, 可能对紫外波段痕量气体的反演造成影响, 从而产生系统误差。 介绍了基于MAX-DOAS对紫外波段大气水汽的反演, 于2020年6月1日—9月24日在西安乾县进行观测, 通过选取最优反演波段, 并将反演结果与可见蓝光波段的水汽进行对比, 证实了紫外波段存在水汽吸收, 评估了紫外水汽的吸收对同波段痕量气体反演的影响。 首先, 根据不同拟合波段反演的水汽均方根误差(RMS)以及水汽和O4的吸收截面情况, 选取紫外和可见蓝光波段水汽的最优反演波段分别为351~370和434~455 nm。 其次, 通过DOAS拟合得到紫外和可见蓝光波段O4和H2O的对流层差分斜柱浓度(DSCD), 分别将紫外和可见波段的O4 DSCD和H2O DSCD做相关性分析, 两个波段O4 DSCD的相关系数r=0.85, H2O DSCD的相关系数r=0.80。 为消除不同波段的辐射传输差异, 将同波段的H2O DSCD和O4DSCD作比值, 两个波段H2O DSCD/O4DSCD的相关系数r=0.89。 紫外和可见蓝光波段H2O DSCD/O4DSCD的高相关系数表明, 即使在相对沿海城市水汽浓度较低的西安市, 在363 nm附近的紫外波段同样存在水汽吸收, 这将会对采用DOAS技术在紫外波段反演其他痕量气体造成影响。 最后, 分别对可能受紫外波段水汽吸收影响的气体(O4, HONO和HCHO)进行DOAS反演误差评估, 紫外波段水汽的吸收将使O4 DSCD, HONO DSCD以及HCHO DSCD在DOAS拟合过程中增加, 分别对应于+1.16%, +8.55%和+9.04%的变化。
多轴差分吸收光谱 紫外波段 水汽 误差评估 MAX-DOAS Ultraviolet band Water vapor Error evaluation 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3314
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
二氧化氮(NO2)是大气中的主要污染物之一, 在对流层和平流层大气化学中发挥关键作用, 不仅参与对流层臭氧的催化形成, 而且还有助于气溶胶的生成并导致酸雨等气候灾害, 危害人体健康。 人为源排放(工业, 电厂、 交通等排放)的NO2占氮氧化物排放总量的大部分。 传统的监测手段例如卫星遥感技术对对流层底部没有足够的敏感度, 原位采样仪器则只能获得近地面的污染物浓度信息。 近年来广泛使用的多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)不仅对近地面观测敏感, 还拥有时间分辨率高, 探测下限低, 可以同时监测多种污染物等优点。 为了实时监测上海市NO2对流层柱浓度的变化特征, 在上海市徐汇区搭设了地基MAX-DOAS仪器, 进行了长期的持续观测。 分析2019年6月至9月的MAX-DOAS观测数据, 发现NO2VCDs(垂直柱浓度)受交通排放影响显著, 一般上午9:00左右达到峰值(1.56×1016 molec·cm-2), 随光照增强浓度降低明显, 午后达到最低值(1.21×1016 molec·cm-2), 傍晚交通排放增强16:00以后浓度再次抬升。 工作日早高峰期间的NO2VCDs明显高于周末(高出约11.8%), 而周末傍晚NO2VCDs较工作日傍晚大幅上升。 将MAX-DOAS观测结果与TORPOMI卫星观测数据对比发现, 两个数据具有良好的一致性, 相关性系数r为0.87。 采用HYSPLIT后向轨迹模型对观测期间500 m高空气团输运后向轨迹进行聚类分析, 发现上海市NO2污染受沿海区域污染气团输送影响较大。 研究表明, 地基MAX-DOAS系统作为一种实时、 快速、 连续的大气监测手段, 可以广泛应用于城市区域污染监测应用中。 上海市对流层NO2的观测研究为上海市大气污染防治提供了一定的数据支持。
对流层NO2 地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS) 柱浓度 对流层监测仪 Tropospheric NO2 Ground MAX-DOAS Column density TROPOMI 光谱学与光谱分析
2022, 42(9): 2720
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理与大气化学国家重点实验室, 北京 100029
3 清华大学环境学院, 北京 100084
气溶胶垂直廓线是评估污染物来源、 输送等途径的必要手段。 气溶胶污染对环境和人体健康带来直接的影响。 该研究于2019年4—5月, 利用中国科学院大气物理研究所(39.98°N, 116.39°E)的地基多轴差分光学吸收光谱(MAX-DOAS)仪, 对北京地区春季大气光谱垂直廓线进行了观测。 凭借MAX-DOAS实时、 在线、 连续的观测优势, 能有效的对气溶胶进行监测。 MAX-DOAS基于最优估算法(OEM)以及最小二乘光谱拟合法, 并以辐射传输模型SCIATRAN作为前向模型, 利用海德堡廓线(HEIPRO)算法反演得到气溶胶消光系数的垂直廓线, 通过对气溶胶消光系数在其路径的积分获得气溶胶光学厚度(AOD)。 利用地基太阳光度计观测的AOD和高塔观测的颗粒物质量浓度垂直廓线, 分别与MAX-DOAS观测的AOD和气溶胶消光系数垂直廓线进行对比, 验证MAX-DOAS算法的适用性。 研究结果表明, MAX-DOAS与太阳光度计观测AOD结果, 相关系数为0.92, 斜率为0.89。 三层气溶胶消光系数与PM2.5质量浓度的皮尔森相关系数从低处到高处分别达到0.69(60 m), 0.77(160 m)和0.75(280 m)。 并且, 将气溶胶平均消光系数和对应三层(60, 160和280 m)的PM2.5平均质量浓度对比, 发现两者趋势一致。 同样的, 为了验证MAX-DOAS是否具备准确识别污染物的长距离输送的能力, 我们通过Angstrom指数确定沙尘天气, 通过计算梯度理查森数和边界层高度确定静稳天气, 分析了在特殊天气条件下, MAX-DOAS能够对沙尘和静稳天气做出及时、 准确的响应。 分析气溶胶平均消光系数, 发现气溶胶垂直廓线随高度升高呈现指数衰减变化的趋势, 并且气溶胶消光系数均值在1.5 km高度处约为近地面的50%左右, 而在1.5 km以上消光系数会随着高度的增加而快速减小。 当高度达到2 km左右时, 气溶胶消光系数均值下降到了0.1 km-1。 以上结果表明MAX-DOAS探测大气气溶胶垂直廓线具有较高的适用性。
颗粒物污染 气溶胶 垂直廓线 地基多轴差分光学吸收光谱 相关性 Particulate pollution Aerosol Vertical profile MAX-DOAS Correlation
安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
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。
多轴差分吸收光谱 甲醛 卫星校验 重庆 MAX-DOAS HCHO Satellite calibration Chongqing 
1 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
4 光学辐射重点实验室, 北京 100854
取代基通过取代苯环上的H原子形成不同苯系物(苯、 甲苯、 二甲苯等), 其共有结构苯环上的不固定π键电子受到激发, 使得苯系物在紫外波段240~280 nm具有明显的特征吸收结构, 鉴于此大气中的苯及相关的苯系物可以通过差分光学吸收光谱(DOAS)方法来进行定量, 但采用该波段测量需要考虑以下问题: 首先是氧气(O2)的吸收干扰问题, 苯(C6H6)在该波段的吸收截面与O2在243~287 nm Herzzberg带相互重叠, 且O2的特征光谱结构随O2的浓度不同而变化, 导致O2的吸收光学密度与O2的浓度不成线性关系。 其次, 苯系物结构上的相似性使其在紫外波段的特征吸收结构差别较小并且相互重叠, 从而对C6H6的拟合产生干扰。 此外, 除了O2和苯系物以外, 还有臭氧(O3)、 二氧化硫(SO2)等干扰。 C6H6在195~208 nm的深紫外波段具有较大的吸收截面(2.417×10-17 cm2·molecule-1), 为240~260 nm处截面大小(2.6×10-18 cm2·molecule-1)的9倍左右, 针对C6H6在深紫外195~208 nm波段的吸收特征, 开展便携式DOAS定量方法研究, 采用该波段进行C6H6的光谱定量分析并应用到实际的外场观测。 通过建立C6H6与干扰气体SO2, 氨(NH3), 二硫化碳(CS2)和一氧化氮(NO)的差分吸收截面的二维相关性矩阵, 获取C6H6光谱定量的最优反演波段。 通过开展实验室条件下C6H6, SO2和NH3不同浓度配比的混气实验对195~208 nm波段反演C6H6的效果进行评估。 实验结果显示, 采用195~208 nm波段进行光谱反演的探测限为17.6 μg·m-3, 光谱反演浓度与理论浓度的相对测量误差均小于5%且RSD(相对标准偏差)小于3%, 同时与240~260 nm波段反演结果进行对比, 相对误差小于5%。 在外场实际情况下, 利用便携式DOAS系统获取190~300 nm的大气测量光谱, 通过DOAS方法解析并结合GPS信息, 获得了某化工园区C6H6的污染浓度分布, 实验结果表明采用195~208 nm深紫外波段同样能适用于对C6H6的光谱定量, 与240~260 nm波段反演结果进行对比, 二者的相关性达到了0.98且相对误差小于10%。
差分光学吸收光谱 苯 深紫外 Differential optical absorption spectroscopy DOAS Benzene Deep ultraviolet DOAS 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3007
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230601
2 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
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。
地基多轴差分吸收光谱 北京 二氧化氮 垂直柱浓度 MAX-DOAS Beijing NO2 Vertical column concentration 光谱学与光谱分析
2021, 41(7): 2153
1 上海勘测设计研究院有限公司, 上海 200335
2 复旦大学环境科学与工程系, 上海 200433
3 珠海复旦创新研究院, 广东 珠海 519000
利用长程差分光学吸收光谱技术对黄浦江下游典型航道区域船舶排放的空气污染物进行高时间分辨率监测。研究表明 SO2 浓度受船舶尾气烟羽影响显著, 浓度瞬时可增高 2～4 倍不等, 峰值超过 10×10-9 (体积混合比); 而由于来源情况更为复杂, NO2 浓度的变化较为平缓, 且由于受到周围机动车排放影响, 日变化呈现出明显的双峰特征。受船流量影响, SO2 浓度在日间相对较高。人为活动影响分析表明, NO2 浓度在春节假期相较于前后时段下降 30%以上, 而在新冠疫情重大突发公共卫生事件一级响应启动后下降达 50%。 值得注意的是, 由于船舶活动规律的差异性, SO2 浓度的假期效应以及对疫情响应措施的反应并不明显, 但 SO2 浓度的典型排放高值呈现逐年下降的趋势。
船舶 大气污染 ship air pollution DOAS DOAS SO2 SO2 NO2 NO2
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, 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
3 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心, 中国科学院城市环境研究所, 福建 厦门361000
4 安徽大学物质科学与信息技术研究院, 安徽 合肥 230039
2020年2月29日至3月14日,针对疫情期间武汉的NOx污染问题,本文采用车载MAX-DOAS和便携式紫外DOAS对武汉三环的NOx排放进行了协同观测。利用车载DOAS获取了走航沿线的NO2柱浓度分布,结合便携式紫外DOAS测量的NO和NO2浓度计算得到[NOx]/[NO2],然后耦合风场计算得到了武汉三环NOx的排放通量及误差。结果表明:观测期间武汉三环NOx的平均排放通量约为10.78 mol/s,最低为7.78 mol/s,最高为15.71 mol/s。相对于使用平均[NOx]/[NO2],采用便携式紫外DOAS测量的车载MAX-DOAS走航沿线的实时[NOx]/[NO2],可以有效降低[NOx]/[NO2]误差引起的NOx通量误差,但该方法不推荐在有大量近地面NOx排放源的场景应用。
光谱学 氮氧化物NOx 排放通量 车载MAX-DOAS 光学学报
2021, 41(10): 1030002
