基于紫外SO₂相机成像探测技术的工作机理，结合紫外辐射传输理论提出了SO₂相机的自定标理论。简要介绍了目前常用的3种定标（标准泡定标、DOAS定标和光谱定标）方法，并通过分析传统定标方法的局限性，阐述了自定标方法相对于传统定标方法的优势。实验结果表明，自定标法拟合的定标曲线斜率较传统方法所得定标曲线斜率相差约1.4%，平均相对误差约6%，满足测量精度要求。自定标方法具有准确、简便、实用的技术优点，在移动污染源的紫外成像遥感监测中具有良好的应用前景。

利用差分吸收光谱技术（DOAS）反演了我国第二代星载大气痕量气体差分吸收光谱仪（EMI-Ⅱ）的SO₂斜柱浓度（SCD），并通过辐射传输模型SCIATRAN建立了SO₂大气质量因子（AMF）的查找表，经去条带处理后获得SO₂的垂直柱浓度（VCD）。以2021年10月底拉帕尔马岛火山区域为研究对象，基于EMI-Ⅱ数据反演的SO₂ VCD与国外同类型载荷TROPOMI的结果一致，相关性系数R分别为0.89、0.90、0.92。此外，还将汤加海底火山的SO₂反演结果与TROPOMI的监测数据进行对比，结果表明，EMI-Ⅱ观测结果与TROPOMI一致，都观测到此次SO₂羽流的自东向西的传输过程。结合风场数据，计算了2022年1月14—15日汤加海底火山爆发产生的SO₂排放通量，结果表明，利用EMI-Ⅱ载荷反演的火山区域SO₂ VCD可靠性高，可实现全球火山爆发预警。

利用基于主成分分析 (PCA) 算法的径向基 (RBF) 神经网络对大气中 SO2 浓度进行滚动预测。以北京大兴地区 2019 年 9 月 1 日至 2020 年 10 月 31 日的气象数据和空气质量参数为基础, 结合逐步回归法筛选出与 SO2 线性相关的参数作为输入样本, 构建 PCA-RBF 预测模型。利用该模型预测北京大兴地区某天的 SO2 浓度, 将预测值保留并作为下一天预测模型的输入参数。以此将预测值不断地向前延伸并进行分析和预测, 从而实现 SO2 浓度的滚动预测。对比 RBF 网络和 PCA-RBF 网络两种模型的预测结果, 其中 PCA-RBF 模型期望值和预测值的误差及相关系数分别为 0.03 μg·m-3 和 0.9989。表明 PCA-RBF 网络模型能精准预测 SO2 浓度变化趋势, 为进一步解决大气污染问题提供技术支持。

硫酸盐是我国大气PM2.5的重要成分之一, 当前大气化学模型普遍严重低估雾霾期间大气硫酸盐的浓度, 说明我们对SO2大气转化机制的认识仍然不足。SO2与NO2在气溶胶微液滴内的协同氧化, 被认定是一种硫酸盐颗粒物的关键额外来源。然而, 在变化氛围(反应气体摩尔比、相对湿度)条件下, SO2/NO2与微液滴反应的关键动力学参数, 目前仍然得不到准确的测定。本研究利用傅里叶变换显微红外光谱技术, 在变化SO2/NO2摩尔比的条件下, 原位测定了海盐气溶胶MgCl2液滴中SO42-与NO3-浓度的时间演化。我们发现: MgCl2单液滴与SO2/NO2反应生成了SO42-和NO3-, 并且在SO2/NO2摩尔比为1∶5时SO42-的生成速率最快。本研究将为大气模型提供可靠参数, 为制定有效的PM2.5防控政策提供支撑。

硫酸盐是大气雾霾颗粒中一种重要的二次无机组分, 但是有关大气硫酸盐生成机制的认识, 目前还存在很多不足。同时, 现有的空气质量模型也往往存在对硫酸盐生成量的低估问题, 无法有效复现外场观测结果。因此, 深入研究大气硫酸盐的生成机制, 对理解雾霾成因、实现大气污染的精准防控具有重要意义。本研究利用光镊-受激拉曼光谱技术观测了SO2与NaCl液滴的非催化氧化反应过程, 液滴半径在反应过程中的纳米级变化可被精确测量, 实现了反应过程的实时、原位观测。根据测定的反应速率, 求算了SO2氧化过程的拟一级反应速率常数k, 同时研究了相对湿度、SO2浓度对反应的影响。结果表明, 相对湿度变化引起的液滴离子强度变化对k值具有显著影响, 湿度由~60%增加至~90%时, k值下降约1个数量级。而SO2浓度提升会使得液滴pH减小, 导致k略微下降。对反应过程的机制讨论表明, SO2在NaCl液滴中的非催化氧化过程体相反应、界面反应可能均有贡献。

二氧化硫 (SO2) 和三氧化硫 (SO3) 是工业废气排放中的重要物质, 对环境和人体健康危害很大, 但对于他们在排放过程中的原位-在线测量一直是个挑战。采用可调谐二极管激光吸收光谱 (TDLAS) 技术, 基于 7.16 μm 量子级联激光器 (QCL) 对 SO2 和 SO3 进行同时检测, 通过波长调制光谱技术提高测量系统的灵敏度和鲁棒性。在高温低压条件下采用单光程-小体积的气体吸收池利用 TDLAS 同时测量 SO2 和 SO3 的吸收谱线, 测量的 SO2 和 SO3 的吸收光谱充分分离, 从而确保了测量的准确性。同时, 修正了温度变化对 SO2 气体浓度测量的影响, 并提出了用已知浓度的 SO2 来定标未知浓度的 SO3 气体。Allan 方差分析表明, 在 34 s 的积分时间内, SO2 的最小检测限达到了1.98×10-6 cm3·cm-3, SO3 可探测的最低浓度为 1.575 ×10-6 cm3·cm-3。 系统的上升响应时间约为 16 s, 下降响应时间约为 18 s。

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。

针对呼吸道系统疾病与大气 PM2.5、SO2 浓度序列的相关性特征, 应用多重分形消除趋势波动分析法 (MF-DCCA), 对张家界市永定区呼吸道系统疾病患病人数与大气 PM2.5、SO2 浓度序列进行了研究。结果发现该地区呼吸道系统疾病患病人数与大气 PM2.5、SO2 浓度的相关性具有长期持续特征和多重分形特征。随后对它们相关性多重分形特征的动力来源进行了分析, 通过随机重排和相位随机处理, 结果表明在不同时间尺度上的长期持续性影响是其主要动力来源。进一步研究发现该地区呼吸道系统疾病与大气 PM2.5、SO2 浓度序列的相关性在四个季节均具有长期持续性的多重分形特征, 且夏季多重分形特征相对强于其他季节。

为了解决国内传统的SO2检测仪存在气室的荧光检测区域荧光强度低、进而导致仪器监测精度低的问题, 设计了新的激发光光路结构。在该光路结构中, 点光源通过平凸透镜准直, 利用一窄缝消除竖直方向上的远轴光线, 通过一双凸透镜汇聚到气室荧光采集区域的中心, 并利用光阑减小杂散光的干扰。采用射线追踪算法作为严格矢量分析的工具, 对设计的光路进行仿真分析。结果表明, 优化后的光路使得激发光的能量损失降到了10%, 且弥散斑也大为减小; 用该光路与传统结构的光路进行实验对比, 其示值误差由0.34%满量程变为0.18%满量程, 质量浓度为100μg/L时的精密度由1.13μg/L变为0.53μg/L, 质量浓度为400μg/L时的精密度由2.26μg/L变为1.1μg/L, 两项指标均得到了提高。所设计的激发光光路结构能够有效解决传统光路的不足之处。