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
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。
大气光学 差分吸收光谱 EMI-Ⅱ SO2垂直柱浓度 汤加海底火山
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 中国科学院合肥物质科学研究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 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230036
澳大利亚 2019-2020 年发生了大规模的森林火灾, 本次火灾在六个月的时间内烧毁了超过 800 万公顷的桉树林。利用大气痕量气体差分吸收光谱仪 (EMI) 对澳大利亚火灾期间的 NO2 变化情况进行了分析。研究发现, 2019 年 11 月, 澳大利亚东南区域的 NO2 浓度及分布相比往年同期, 出现明显的增长趋势。同时具体针对澳大利亚两大国家公园的火灾, 研究了 NO2 相对浓度的频率分布与火灾程度和频次的关系, 发现这两个地点 2019 年 11 月 NO2 的相对浓度频率也出现了明显的增高, 表明森林火灾是导致部分区域 NO2 浓度升高的主要原因。本工作的开展也证明了 EMI 在重大污染事件监测上的可行性。
大气痕量气体差分吸收光谱仪 澳大利亚森林火灾 NO2 垂直柱浓度 火灾频次 environmental trace gases monitoring instrument Australian forest fires NO2 vertical column fire frequency 大气与环境光学学报
2021, 16(3): 207
淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
基于多轴差分吸收光谱技术 (MAX-DOAS) 反演 NO2 柱浓度的方法, 构建了相应的地基 MAX-DOAS 系统, 开展了 NO2 柱浓度变化特征的观测。反演中选取天顶方向的光谱作为参考光谱, 通过非线性最小二乘法反演出 NO2 斜柱浓度 (SCD), 结合不同观测方向的斜柱浓度得到 NO2 差分斜柱浓度 (dSCD), 再利用几何近似法得到大气质量因子 (AMF), 最终获取 NO2 垂直柱浓度 (VCD)。于 2019 年 6 月至 2020 年 5 月在淮北地区开展了为期一年的外场实验, 研究结果表明淮北地区 NO2 VCD的月均值在观测期间内呈现倒“U”型变化, 在 12 月份达到最高值 2.13×1016 molecules·cm-2, 在 8 月份达到最低值 5.23×1015 molecules·cm-2。将 MAX-DOAS 观测结果的日均值与 OMI 卫星 (云系数分别为 0
多轴差分吸收光谱技术 NO2 垂直柱浓度 对比分析 multi-axis differential optical absorption spectro OMI OMI NO2 vertical column density contrastive analysis 大气与环境光学学报
2021, 16(2): 107
为探讨天山北坡河谷绿洲城市车流量与对流层NO2垂直柱浓度(VCD)的关系, 基于各城市车流量状况, 利用地基多轴差分光谱仪(Mini MAX-DOAS)在2018年—2019年天山北坡经济带上的综合性大城市乌鲁木齐、 工业型中等城市石河子和工业型小城市阜康市中心区连续固定监测, 并沿城市交通主干道进行车载移动监测, 研究车流量对NO2VCD的影响, 对比分析山盆体系河谷绿洲城市与中东部发达城市污染严重原因的差异。 结果表明: (1)天山北坡大中小城市的车流量日均值大城市乌鲁木齐(1 406辆/5 min)远大于中小城市, 中等城市石河子(203辆/5 min)和小城市阜康(185辆/5 min)差异并不显著(p>0.05), 而各类城市NO2VCD整体差异显著(p<0.05), 其日变化峰值有所差异, 表现为乌鲁木齐(22.613×1015 molec·cm-2)>阜康(17.758×1015 molec·cm-2)>石河子(15.272×1015 molec·cm-2), 三类城市的车流量和NO2VCD的日变化趋势一致, 都呈现出“早晚高, 中午低”的变化趋势; 季节变化中三类城市的车流量和NO2VCD均为: 冬春季>秋夏季; (2)虽然早晚各监测点的车流量有所差异, 但三类城市的车流都集中在市中心附近; 移动监测数据表明, NO2VCD高值出现在车流较高的市区, 并且在各城市风向稳定时, 下风向浓度大于上风向; 由于居住空间差异, 人们在城市各功能区间的活动, 车辆流向和NO2VCD都集中于人流密集的商业区, 说明车辆对NO2VCD具有较大贡献; (3)2009年—2019年10年间天山北坡大中小城市经济生产总值增长率在200%以上, 乌鲁木齐、 石河子机动车增长率超过北京、 上海等发达城市, 城市快速发展, 并处于河谷绿洲地带, 地势南高北低, 冬季逆温层深厚, 静风天数较多, 采暖期长达6个月, 造成冬季污染严重。 天山北坡城市除人为污染排放外, 自然因素对污染物形成聚集作用。
天山北坡 车流量 对流层NO2垂直柱浓度 地基多轴差分光谱仪 The north slope of Tianshan Mountain Traffic flow Troposphere NO2 vertical column density Ground-based MAX-DOAS(Multi-axis differential optical absorption spectroscopy)
淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽淮北235000
构建了具有操作简单、大范围以及高灵敏度等特点的地基多轴差分吸收系统（MAX-DOAS），对淮北地区2019年10月至2020年5月进行连续观测，得到HCHO的时间序列。为了减少其他气体的干扰，采用不同波段反演HCHO差分斜柱浓度，对比发现，选用324~342 nm波段时，反演误差波动最小，能够精确获取甲醛气体浓度。由HCHO月均值序列结果可知，疫情中期与疫情前后相比，浓度分别降低了35%和23%。日变化以及周变化结果表明淮北地区HCHO浓度具有早晚高、中午低的日变化特征，且没有明显的周末效应。结合Hysplit风场后向轨迹模型对高值天气的风场进行研究，发现在2020年1月12~14日与18~21日期间，淮北地区在西北风场的影响下，会受到来自砀山等地的污染输送影响，引起HCHO浓度的升高。MAX-DOAS测量HCHO柱浓度结果与OMI卫星数据进行对比发现两种测量方式具有良好的一致性（R2=0.87）。
HCHO 多轴差分吸收光谱 OMI卫星 垂直柱浓度 浓度特征 HCHO MAX-DOAS OMI satellite Vertical column density Concentration characteristics
淮北师范大学,物理与电子信息学院,安徽 淮北 235000
基于2018年12月8日～12月31日淮北地区多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)获得的太阳散射光谱观测数据,反演了该地区NO2对流层柱浓度, 并分析了冬季不同天气下NO2浓度日变化特征。观测结果表明NO2浓度高值出现在12月18日～12月27日期间,日均值最大值6.83×1016 molecules/cm2出现在12月27日,约为日均值最低值的2.9倍。结合风场轨迹模型研究了不同大气条件下的风场,发现在NO2浓度较低时段主要为 偏北风场, NO2浓度高值时段偏南风场增加,表明城区产生的污染向观测区域进行了输送。将MAX-DOAS结果与OMI卫星结果进行了 对比,发现两者具有较好的一致性(R2=0.88)。
多轴差分吸收光谱技术 NO2垂直柱浓度 变化特征 对比分析 multi-axis differential optical absorption spectro NO2 vertical column density variation characteristics contrastive analysis 大气与环境光学学报
2020, 15(3): 217
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 淮北师范大学物理与电子信息学院, 安徽 淮北 235000
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 361021
4 中国科技大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230031
5 Max-Planck Institute for Chemistry, Mainz, Germany, D-55128
基于地基MAX-DOAS在2013年8月—2014年7月对合肥对流层NO2垂直柱浓度(VCD)进行了观测, 研究了其季节均值和月均值变化特征, 结果表明合肥地区对流层NO2 VCD季节均值变化较大, 冬季最大, 夏季最小, 其中冬季季节均值高达2.09×1016 mol·cm-2, 为夏季的2.2倍。 对不同季节的平均日变化的分析表明, NO2 VCD日变化季节差异显著并在下午达到差异最大值。 将地基MAX-DOAS观测结果和OMI观测结果进行了对比, 两者具有较好的一致性, 其中在无云天气下两者的相关系数为0.88。 通过卫星观测获取了合肥以及周边地区的NO2 VCD季节均值, 分析表明合肥地区的NO2主要以本地积累为主, 外来输送贡献较小。
垂直柱浓度 MAX-DOAS MAX-DOAS NO2 NO2 Vertical column density 光谱学与光谱分析
2017, 37(4): 1042
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
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 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 361021
基于多轴差分吸收光谱技术(multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS)获得了对流层SO2垂直柱浓度。采用不同 参考谱和不同波段来获得SO2差分斜柱浓度,通过对比发现,当圈天顶光谱作为参考谱的反演误差最小,且全天相对稳定波动小,误差小于5%。通过 六个波段的对比选取了最优反演波段为307.5～315 nm。结合地面气象数据对2015年10月14日～18日的污染过程进行了研究,数据分析表明 风速和风向是影响监测点SO2浓度的两个重要因素,城市和电厂产生的SO2会在东风和南风的影响下向监测点输送。通过研究表明, MAX-DOAS能够准确反演大气对流层SO2垂直柱浓度信息,对于探究城市大气对流层SO2垂直柱浓度、卫星校验、模型校验以及污染输送的研究具有重要意义。
多轴差分吸收光谱技术 对流层SO2垂直柱浓度 最优反演波段 输送 multi-axis differential optical absorption spectro vertical column density of tropospheric SO2 optimal retrieval wave band transportion
新疆师范大学地理科学与旅游学院, 新疆维吾尔自治区重点实验室“新疆干旱区湖泊环境与资源实验室”, 新疆 乌鲁木齐 830054
利用地基多轴差分光谱仪(Mini MAX-DOAS), 选择新疆乌鲁木齐、 库尔勒、 博乐市具有代表性的大中小城市, 于2014年6-8月对其市区、 工业区、 农田区的对流层NO2浓度进行观测。 结果表明: (1)大中小城市夏季大气对流层NO2垂直柱浓度的日变化有波峰和波谷的波动, 其峰值在大中小城市中有所差异, 表现为乌鲁木齐(7.590×1015molec·cm-2)>库尔勒(7.559×1015molec·cm-2)>博乐(3.578×1015molec·cm-2); (2)大中小城市夏季大气对流层NO2垂直柱浓度大小与城市地表条件差异有关, 尤其与观测区的车流量有密切关系, 表现为市区(4.643×1015molec·cm-2)>工业区(4.469×1015molec·cm-2)>农田区(2.425×1015molec·cm-2); (3)不同天气条件下大中小城市大气对流层NO2的垂直柱浓度特征为雨天(3.082×1015molec·cm-2)时浓度最小, 说明降水对NO2的浓度具有重要的影响。
对流层NO2垂直柱浓度 夏季 大中小城市 地基多轴差分吸收光谱仪 Tropospheric NO2 vertical column density Summer Large and small cities Ground-based MAX-DOAS 光谱学与光谱分析
2016, 36(7): 2195
