地基遥感探测合肥地区大气中硝酸的时空分布

封面文章|章惠芳,王薇,刘诚,单昌功,胡启后,孙友文,NicholasJones. 基于地基高分辨率太阳吸收光谱观测大气中硝酸的时空分布[J]. 光学学报, 2020, 40(2): 0201003

近年来,雾霾多发成为合肥地区严峻的空气质量问题。颗粒物是重雾霾天气形成的主要因素,大气硝酸(HNO3)作为硝酸盐颗粒物的前体物,影响空气中颗粒物的浓度,因此探测大气中HNO3浓度的时空分布和演变对研究大气颗粒物的形成和减排机制非常重要。

中科院安徽光学精密研究所环境光学与技术重点实验室刘诚教授课题组利用地基高分辨率傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术,研究合肥地区大气HNO3的柱浓度和垂直廓线信息。通过2017年全年的地基遥感观测,分析了大气HNO3的时空分布和季节变化规律,为空气质量监测和雾霾治理提供基础参考数据。

地基遥感探测方法是研究大气中痕量气体的时空分布和长期变化趋势的重要手段。地基高分辨率傅里叶变换红外光谱仪(FTS)直接测量太阳吸收光谱,然后基于大气先验参数和太阳光谱参数计算太阳经过整层大气后的光谱,再将计算光谱与测量光谱进行最优估迭代拟合,反演出代表真实大气状态的大气参数(垂直廓线),最后将垂直廓线沿整层大气积分得到目标气体柱总量,分层积分得到各层偏柱浓度。因此FTIR技术具有探测高精度与高准确性、覆盖宽光谱范围的优势,可以同时测量多种气体的柱浓度和垂直分布。

该课题组采用SFIT4_0.9.4.4反演算法由太阳光谱反演出大气HNO3的垂直廓线,选取春夏秋冬四个季节的四条典型光谱,反演出HNO3的垂直廓线如图1所示。在20~30 km的大气平流层,HNO3的浓度较高,最大值在5~10 ppbv;在对流层HNO3的浓度较低,低于1 ppbv。另外,在春季观测日内HNO3的浓度明显高于其他观测季节。

图1 HNO3在各个季节中的垂直分布,测量时间分别为2017年3月7日、7月25日、10月9日和12月26日

2017年1月到12月一年中大气HNO3的柱浓度时间序列,如图2所示,灰色点表示测量的柱浓度,红色点表示日平均柱浓度。柱浓度时间序列显示出明显的季节变化,春季最大,秋冬季较小,最小值出现在冬季。

图2 2017年HNO3柱浓度时间序列

将地基遥感观测数据与Aura MLS卫星数据进行对比,结果显示两者呈现出一致的季节变化;地基测量值整体略高于卫星的观测值,说明地基FTIR技术在测量大气中HNO3浓度方面具有更高的敏感性。该结果进一步表明了地基遥感FTIR方法能够准确探测大气中的痕量气体,是一种大气环境监测的有利手段。

在后续工作中,该课题组将研究更多的温室气体及污染性气体,结合污染性事件,深入分析污染气体的源/汇分布、光化学过程以及动力学过程。
 

延伸阅读:

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