奥运期间北京对流层NO_2柱浓度地基多轴差分吸收光谱仪观测与OMI的对比

利用地基多轴差分吸收光谱仪(multi axis differential optical absorption spectroscopy,MAXDOAS)在2008年北京奥运期间对奥运场馆附近上空对流层NO_2进行监测,并与OMI的测量结果进行对比。结果显示:地基MAX-DOAS的NO_2结果比OMI结果高,最高达到了2.4倍;二者在无云条件下得到了比较好的相关性(R=0.64),但在阴雨天气条件下,云的存在使得MAX-DOAS结果与OMI卫星数据产生了很大差别,其相关系数仅为0.19,但与LP-DOAS却有很好的一致性,相关系数为0.92。

多轴差分吸收光谱仪对大气污染物SO_2、NO_2、O_3的立体监测

多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)是用来监测大气中痕量气体成分的专用仪器,它能同时自动监测SO2、NO2和O3三种污染气体,得到的垂直柱浓度对研究污染物的时空分布特点具有重要意义。分析了2011年5月下旬至2012年4月中旬期间MAX-DOAS在重庆市的测量数据,结果表明:夏季SO2的柱浓度高于其它季节,并在每个季节都出现了峰值:SO2与NO2之间浓度变化趋势相同,且最大小时浓度值都集中在上午;O3垂直柱浓度受气象条件和臭氧前体物的影响呈夏季高、秋冬低的季节性变化;通过多元回归建立了O3柱浓度与气象因素、前体物的关系式。

基于多轴差分光学吸收光谱探测的北京春季气溶胶垂直廓线

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PM_(2.5)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PM_(2.5)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。

基于多轴差分光学吸收光谱测量北京地区对流层NO_(2)的研究

由于二氧化氮(NO_(2))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NO_(2)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NO_(2)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NO_(2)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NO_(2) SCD转换为垂直柱浓度(VCD),据此研究分析了北京地区NO_(2) VCD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NO_(2) VCD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2.94×10^(16) 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2.17×10^(16) 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NO_(2)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。

华北地区香河站对流层NO_2的MAX-DOAS光谱仪观测及变化特征分析

利用中国科学院大气物理研究所香河大气探测综合试验站2010年3月至2012年2月（2年）的多轴差分吸收光谱仪（MAX—DOAS）观测数据和32m高塔常规气象资料，反演了华北地区香河站对流层NO2柱浓度，分析了该区域NO2柱浓度的季节变化特征。研究表明：可见光455×485nm、紫外330×370nm都可以作为MAX-DOAS工作波段很好地反演NO2；香河地区NO2柱浓度夏季最低，几乎保持在2×10^16cm^-2以下，春、秋季次之，在3×10^16cm^-2上下小范围浮动，冬季最高，可达4．5×10^16cm^-2；月平均最低值出现在7月，最高值出现在11月。NO2柱浓度与风速、风向密切相关：来自东边唐山方向的风，风速越大时NO2浓度越高，因为唐山是NO2的高值区之一；其它方向风速越大，浓度越低。春、夏两季NO2柱浓度日变化趋势比较平缓，秋、冬两季曰变化明显，秋季正午偏高，冬季早晚偏高。

基于地基MAX-DOAS和TROPOMI卫星遥感的南京地区大气NO_(2)污染特征

基于2018年5月至2020年12月多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)于南京北郊的观测资料,反演了二氧化氮(NO_(2))垂直柱浓度与垂直廓线,分析了对流层NO_(2)的污染特征,并与最新的TROPOMI NO_(2)产品进行了对比分析.MAX-DOAS观测结果表明,南京北郊的NO_(2)受温度和太阳辐射影响,呈现出夏季低冬季高、正午低早晚高的变化特征,且主要源于东南方向的污染输送.对比发现,TROPOMI数据与MAX-DOAS在春、秋、冬三季相关系数高于0.7,但在夏季由于多云及低浓度NO_(2),相关系数仅为0.544.此外,TROPOMI观测到了南京城区与长三角地区的主要污染热点,与MAX-DOAS高污染方向一致.同时,MAX-DOAS与TROPOMI均观测到了2020年春节后16~30d由于COVID-19封控,NO_(2)浓度相比2019年和2021年同期减少了50%以上,说明观测点的NO_(2)污染主要由人类活动产生.

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪前置光学系统设计

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪通过获取地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光辐射,监测大气痕量气体的全球分布。为实现大视场、紫外/可见光宽波段探测、高光谱分辨率和小型化等研制目标,设计了一种前置光学系统,具体由前置望远镜和中继光学系统构成。其中,前置望远镜通过两片偏轴球面镜实现在交轨方向114°视场的覆盖;中继光学系统则通过中继反射镜、分色片及中继镜头将探测光谱(240～710nm)分为4个光谱通道,并将各谱段的光分别导入各自光谱成像系统中进行探测。设计结果表明,前置光学系统在大视场范围内、在探测的紫外/可见光宽波段内均能具有良好的成像结果,为后续的光谱成像达到高光谱分辨率提供了保障。前置光学系统整体体积紧凑,重量轻,在无摆扫前提下,满足大视场需求以及适应星载等平台的搭载需求。

新疆大中小城市夏季对流层NO2垂直柱浓度变化特征

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NO_2浓度进行观测。结果表明:(1)大中小城市夏季大气对流层NO_2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(7.590×10^(15)molec·cm^(-2))>库尔勒(7.559×10^(15)molec·cm^(-2))>博乐(3.578×10^(15)molec·cm^(-2));(2)大中小城市夏季大气对流层NO_2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(4.643×10^(15)molec·cm^(-2))>工业区(4.469×10^(15)molec·cm^(-2))>农田区(2.425×10^(15)molec·cm^(-2));(3)不同天气条件下大中小城市大气对流层NO_2的垂直柱浓度特征为雨天(3.082×10^(15)molec·cm^(-2))时浓度最小,说明降水对NO_2的浓度具有重要的影响。

新疆干旱区城市对流层NO_2垂直柱浓度的时空分布

基于地基多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS),分析2014年3月至2016年2月新疆干旱区城市(中等城市库尔勒市和小城市博乐市)对流层NO2垂直柱浓度(VCD)变化规律、分布特征及其影响因素。结果表明:(1)新疆干旱区城市对流层NO_2 VCD采暖期是非采暖期的4倍左右,且有显著的季节特征,表现为冬季>秋季>春季>夏季,库尔勒市的对流层NO_2 VCD年均值大于博乐市,两市对流层NO2VCD日变化峰值在8:00(冬季峰值在9:00)和20:00左右,且晚上的峰值高于早上;(2)库尔勒市和博乐市的对流层NO_2 VCD高值分别达到2.540×1015~4.450×1015、1.630×1015~2.620×1015 molec/cm^2,高值区均集中在商业、工业区,对流层NO_2 VCD低值分别为2.300×1014~1.920×1015、6.000×1014~1.390×1015 molec/cm^2,低值区均集中在居民区、学校周边;(3)库尔勒市和博乐市对流层NO_2 VCD对气象因子有不同程度的响应,其与气压呈正相关,与气温、相对湿度、云量和风速呈负相关。

天山南北绿洲城市郊区冬季NO_2垂直柱浓度的变化研究

为研究天山南北绿洲城市郊区冬季NO_2垂直柱浓度(VCD)的变化特征,选择乌鲁木齐郊区三道坝镇、博乐郊区84团和库尔勒郊区西尼尔镇为观测站点,采用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX DOAS)观测NO_2VCD。结果表明:(1)天山南北绿洲城市郊区冬季NO_2VCD呈早晚双峰型,峰值出现在9:00和18:00,3地平均NO_2VCD早、晚峰值分别为(8.361±5.105)×10^(15)、(8.590±3.298)×10^(15) molec/cm^2;(2)通过对NO_2VCD和云量的二次曲线拟合,发现云量大于0.3%时,NO_2VCD与云量呈正相关;(3)月均NO_2VCD呈现三道坝镇>84团>西尼尔镇,三道坝镇与西尼尔镇、三道坝镇与84团的NO_2VCD差异显著。

乌鲁木齐市夏季大气对流层NO_2垂直柱浓度特征研究

为掌握乌鲁木齐市夏季大气对流层NO2垂直柱浓度(VCD)变化特征,2013年6—8月利用地基多轴差分吸收光谱仪,依据该市南高北低的地形和常年主风向(西北风/东南风),分别在商业区、生活区、工业区和农田区进行大气对流层NO2VCD的监测。结果表明:(1)乌鲁木齐市夏季大气对流层NO2VCD均值为5.70×1015 molec/cm2,早、晚的浓度较高;随南高北低地势,大气对流层NO2VCD呈现南部>北部>中部的趋势;从不同功能区看,商业区>农田区>工业区>生活区;(2)比较不同天气条件下的大气对流层NO2VCD,晴天的浓度大于多云的浓度;且多云条件的日变化幅度小于晴天,但在不同天气条件下大气对流层NO2VCD在市区不同空间点各有差异;(3)功能区因素、地形地貌因素、主要污染物因素、气象因素和风场效应等的共同作用是乌鲁木齐市夏季大气对流层NO2VCD变化特征空间差异的原因。

华北平原固城站NO_2对流层柱浓度变化特征

基于2008年9月2010年9月河北固城生态与农业气象试验站多轴差分吸收光谱仪(multi-axis differential optical absorption spectroscopy,MAX-DOAS)获得的太阳散射光谱观测,反演计算该地区NO_2对流层柱浓度,分析其季节、日变化特征以及不同来源输送的影响,并与同期NO_2地面观测资料和卫星产品进行对比分析。发现固城站NO_2对流层柱浓度冬高(5.14×10^(16)cm^(-2))夏低(1.28×10^(16)cm^(-2));日变化形态在四季均呈现中午低、傍晚高的特征,且冬季最明显。与北京城市区域同期的观测相比,冬季固城站观测值略低,而在春、夏季则偏低较显著。地面风玫瑰图分析显示,来自SW,SSW,NE方向及ENE方向的污染输送对其贡献最大。与地面、卫星NO_2观测的对比表明,MAX-DOAS反演的NO_2柱浓度与地面观测浓度具有一致的季节和日变化特征,卫星反演的NO_2对流层柱浓度产品在华北平原农村地区存在系统性低估。

基于AVR单片机的MAX-DOAS控制系统设计

介绍了基于AVR单片机的多轴差分吸收光谱仪(multi-axis differential optical absorptionspectroscopy,MAX-DOAS)控制系统设计。采用Atmega128 AVR单片饥实现MAX-DOAS系统的数据通信、背景电机控制、扫描电机控制及温度检测和控制,并给出了整个控制系统的电路设计方案及软件实现过程。设计的控制系统可以使MAX-DOAS系统实现痕量气体垂直柱浓度与廓线的自动监测。

新疆绿洲城市夏季农田区对流层NO_2垂直柱浓度特征分析

2014年夏季6~8月利用地基多轴差分吸收光谱仪(MAX DOAS)在新疆绿洲城市乌鲁木齐市三道坝镇、库尔勒市西尼尔镇及博乐市84团农田区观测的NO_2垂直柱浓度(VCD)数据,结合同期的气象数据分析了NO_2VCD的变化特征。研究表明:1NO_2气体的日变化规律在乌鲁木齐市和库尔勒市农田区呈波浪式多峰特征,博乐市农田区呈明显的双峰形式,且峰值除了库尔勒市在午后外,乌鲁木齐市和博乐市均出现在早晚时段;2新疆绿洲城市农田区在夏季6月(3.327×1015molec/cm^2)的NO_2VCD最高,其次是7月(2.002×1015molec/cm^2),最低是8月(1.656×1015molec/cm2);3NO_2VCD与气温、水汽压气象要素密切相关;由于城市间地势、格局的差异,库尔勒市的NO_2浓度与风速呈显著正相关,乌鲁木齐市、博乐市的NO_2浓度与风速相关性不显著。

天山北坡绿洲城市车流量与对流层NO_(2)垂直柱浓度关系研究

为探讨天山北坡河谷绿洲城市车流量与对流层NO_(2)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(1406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NO 2VCD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(22.613×10^(15) molec·cm^(-2))>阜康(17.758×10^(15) molec·cm^(-2))>石河子(15.272×10^(15) molec·cm^(-2)),三类城市的车流量和NO 2VCD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NO 2VCD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。

新疆“乌-昌-五”城市圈对流层NO_(2)、SO_(2)时空变化特征

文章利用多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)在2017-2018年对"乌鲁木齐-昌吉-五家渠"("乌-昌-五")城市圈进行市中心定点监测和城际车载移动监测,研究对流层NO_(2)、SO_(2)VCD时空分布规律及影响因素,结果表明:(1)"乌-昌-五"城市圈2017-2018年NO_(2)、SO_(2)VCD均值呈现下降趋势,表现为乌鲁木齐、昌吉NO_(2)VCD呈增加趋势,五家渠略有下降;昌吉和五家渠SO_(2)VCD依然增加,乌鲁木齐显著下降;季节变化为冬秋季高于春夏季。污染浓度在空间上出现层次结构,具有多个高值区,由市区向外围逐渐降低,并在城市圈下风向出现污染聚集。(2)NO_(2)、SO_(2)VCD的污染重心各季节都处于乌鲁木齐东南部的商业区,低值区处于昌吉和五家渠;从转移距离来看,NO_(2)和SO_(2)不同污染等级区中基本上都是在春季-夏季间转移距离最长,扩散强度最大,说明在春季-夏季污染扩散最强。不同季节NO_(2)高污染扩散强,污染范围广,而SO_(2)扩散较弱,污染范围小。后向轨迹表明冬春季气流散乱,不利于大气污染的扩散,夏秋季气流轨迹长、速度快,对污染物搬运稀释作用强。(3)通过回归分析发现,在人文方面第二产业和机动车保有量对污染的贡献较大,其对NO_(2)、SO_(2)VCD的贡献解释度分别为32.1%和38.6%,38.1%和35.1%。气温和风速是影响污染物聚集、扩散的主要因素,其对NO_(2)、SO_(2)VCD的贡献解释度分别40.9%和61.1%,40.2%和49.4%。三面环山的喇叭口地形,使得污染物由南到北扩散。

基于MAX-DOAS的上海市区NO_(2)对流层柱浓度研究

二氧化氮(NO_(2))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NO_(2)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NO_(2)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NO_(2)VCDs(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(1.56×10^(16)molec·cm^(-2)),随光照增强浓度降低明显,午后达到最低值(1.21×10^(16)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NO_(2)VCDs明显高于周末(高出约11.8%),而周末傍晚NO_(2)VCDs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NO_(2)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NO_(2)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。

哨兵5号欧洲业务二氧化硫产品在中国的准确性评估

2017年11月欧洲空间局发射的哨兵5号搭载了新一代光谱仪(对流层大气监测仪,TROPOMI),可实现包括二氧化硫(SO2)在内的对流层大气成分高空间分辨率全球监测.欧洲空间局提供的SO2数据(TROPOMI欧洲业务SO2产品)对中国大气污染监测有重要支撑作用,然而数据有效性尚需验证.通过对比地基多轴差分吸收光谱仪数据(MAX-DOAS)和生态环境部中国环境监测总站(国控站点)数据,发现该数据明显高估中国北方SO2浓度.相对于地基MAX-DOAS站点高估61%~140%,且相关性小于0.5,相对于国控站点平均高估约54.6%.进一步研究表明,反演算法是造成显著性差异的原因.为了检验TROPOMI高光谱数据的适用性,自主研发的最优化估计方法也用于处理光谱数据,反演得到的SO2柱总量(中国科学技术大学(中国科大)SO2产品)与地基MAX-DOAS的偏差大幅降低(-4.8%~22%),相关性显著提高(0.72~0.89).与国控站点数据的平均偏差更小,为-25.8%.TROPOMI欧洲业务SO2产品相对于中国科大SO2产品偏高41.3%,并且标示了更大范围的重污染区域,与中国SO2大幅减排的事实相悖.而中国科大SO2产品大大提高TROPOMI结果在中国应用的准确性和价值.