大气与环境光学学报
2023, 18(6): 553
1 中国科学院上海光学精密机械研究所航天激光工程部，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室，上海 201800
路径积分差分吸收（IPDA）激光雷达可装载于飞机或卫星上探测大范围大气CO2浓度，具有全天时和探测精度高的优势。全球云的平均覆盖率可达60%，因此在激光穿透大气射向地面的探测过程中，除了地面和海洋回波信号，还有很多云层回波信号。结合机载大气探测激光雷达（ACDL）信号采集特点，针对复杂的云层回波信号，提出一种基于中位数绝对偏差的离群值筛选法提取信号，可分离多层云回波信号及云层与地面回波信号同时存在的信号。分析云信号的探测能力，并利用云层回波信号积分值反演云上CO2柱浓度，结果与原位测量仪测量结果变化趋势一致，二者偏差为2.8 μL/L。
遥感 差分吸收激光雷达 二氧化碳柱浓度 云回波信号 差分吸收光学厚度 大气遥感 中国激光
2023, 50(23): 2310001
1 淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
2 污染物敏感材料与环境修复安徽省重点实验室, 安徽 淮北 235000
我国城市气体污染物主要包括氮氧化物、 臭氧、 二氧化硫和颗粒物等, 其中NO2和SO2是气体污染物中常见的污染痕量气体, 对地气辐射、 全球气候、 空气质量和人体健康都有着直接或间接的影响。 淮北地区是我国基础能源和重要原料煤炭的生产基地, 长期的煤炭生产使得当地大气环境污染相对更为复杂, 开展快速获取大气污染物浓度是目前研究热点之一。 差分吸收光谱(DOAS)仪是一种光学遥感式光谱设备, 具有稳定、 时间分辨率高、 灵敏度高和不受搭建平台制约等优势特点, 可同时获取多种污染气体的浓度信息。 针对淮北地区复杂的环境污染, 构建了基于移动平台的车载小型差分吸收光谱系统(DOAS), 该系统包括光谱采集系统、 温控系统和GPS定位系统。 利用车载GPS定位系统记录移动过程中的经纬度和车速, 光谱仪放置在恒温系统中, 保障系统测量的精准性。 在实验期间, 首先测试了系统的性能, 规划了走航观测路线, 并将车载DOAS测量结果与地基MAX-DOAS进行对比以验证系统的准确性, 实现了对淮北地区的大气典型污染物的快速、 便捷、 精准监测。 航测期间, 利用QDOAS软件对原始测量光谱进行反演处理, 选取相对干净的光谱作为参考谱, 获取了淮北地区NO2和SO2柱浓度空间分布, 其中NO2的浓度范围为5.09×1015～15.4×1016 molecule·cm-2, SO2的浓度范围为3.53×1015～9.07×1016 molecule·cm-2。 将车载DOAS测量的结果分别与站点地基MAX-DOAS测量结果和卫星(TROPOMI)数据对比, 均具有较好一致性(相关系数R2>0.75)。 外场实验表明构建的车载小型DOAS系统可以准确的获取城市污染气体柱浓度分布, 为确认城市污染气体的源区和校验卫星遥感数据提供一种有效的技术手段。
车载 小型差分吸收系统 淮北地区 柱浓度 大气污染 Vehicle-mounted Minioptical differential absorption spectroscopic Huaibei region Column concentration Atmospheric pollution
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 中国科学院红外探测与成像技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院上海技术物理研究所, 上海 200083
3 中国科学院大学, 北京 100049
介绍了一种基于宽频光源和法布里-珀罗谐振腔(Fabry-Perot, FP)结构的CO2检测系统。该系统为主动光学系统, 结构简单、系统信噪比高。从差分吸收激光雷达原理出发, 阐述了该系统的基本工作原理, 使用HITRAN数据库模拟大气环境, 设计系统参数, 确定系统工作波段为1.57μm, 光源为L波段超辐射LED光源(Super LED, SLED), 能量波动值Rip为50dB, 输出功率为24.51mW, 接收端滤波器为光纤FP腔滤波器, 工作中心波长为1.55μm, 带宽为60nm, 通道间隔为50GHz, 设计系统探测误差为2×10-6。
CO2柱浓度 光纤FP腔 宽频光源 主动光学 CO2 column concentration fiber FP filter broadband light source SLED SLED active optics
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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
搭建了一套以1.57 μm近红外半导体激光器作为本振光源的小型化被动式激光外差探测系统,并将其用于大气环境监测。为对该系统的性能进行评估,以窄线宽近红外外腔激光器岀射的光作为信号光,与本振光混频,得到系统的带宽为0.032 cm
-1,最小可探测灵敏度为25 pW,为光电探测器暗电流噪声功率的1/68。利用该系统对大气CO2太阳光谱信号进行测量,并反演了其中两条主要强吸收线所对应的体积分数,结果均约为396×10
-6,误差为7.6×10
-6,测量结果与实际整层大气中的CO2柱浓度一致,验证了该系统的可行性。
大气光学 近红外半导体激光器 被动式激光外差探测系统 CO2太阳光谱 柱浓度
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 230031
报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪, 为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。 太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式, 具有精度高、 全时空特点。 测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度, X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°, 能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。 进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来, 测量了3.5 μm附近的太阳光谱, 得到了CH4在整层大气中的吸收情况, 为下一步反演整层大气中CH4的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。
太阳跟踪系统 激光外差辐射计 柱浓度 垂直廓线 Solar tracker Laser heterodyne radiometer Column concentration Vertical profile 光谱学与光谱分析
2017, 37(11): 3626
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
2 中国科技大学环境与光电技术学院,安徽 合肥 230026
3 河南省环境监测中心站, 河南 郑州 450004
利用OMI(Ozone Monitoring Instrument) NO2 2级数据产品通过采用面积权重得到OMI NO2对流层柱浓度网格化分布, 研究了中部地区3个代表性区域(工业集中区域,黄河流域,以及农业区域)2007～2014年NO2柱浓度时空分布特征。结果表明, NO2对流层柱浓度年均值在2009年最小, 2013年最大, 2014年相对2013年降低大于25%。同时分析了典型时间段(中国农历新年2月以及秸 秆焚烧6月)内3个区域NO2柱浓度变化特征, 2月期间3个区域柱浓度都有不同程度的下降,6月农业区NO2柱浓度上升约80%。NO2柱浓度相 对变化率进一步反映了3个区域NO2柱浓度近8年内的变化特征, 2008年年中至2009年年中工业区域以及沿河流域NO2柱浓度相对往年 同期都有高于15%的下降而农业区没有体现,但2014年以后3个区域NO2柱浓度都出现明显下降,下降比例都在20%以上。
NO2对流层柱浓度 时空变化 OMI Ozone Monitoring Instrument NO2 tropospheric column concentration spatiotemporal variations 大气与环境光学学报
2016, 11(4): 288
