区域大气环境污染光学探测技术进展

环境污染物的形成、转化、输送和演变过程具有极强的时空相关性,研究和发展能适用于多组分环境污染物的快速、实时、动态监测技术是科学研究工作者面临的重大课题.基于光谱学原理的环境监测技术,由于其具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测等特点,是国际上环境监测技术的主要发展方向之一,并被广泛应用于环境、气象和科学研究等领域.针对京津冀地区大气重污染发生—演变—消散全过程的核心科学问题,通过建立大气污染传输通道立体观测网,开展重污染时段和重污染过程的车载走航、机载观测地基遥感和卫星遥感观测,综合运用大气环境监测网以及超级站等观测平台,获取大气污染物的光学特性、环境气象信息等演变规律,从而推动京津冀及周边地区空气质量的持续改善.光谱学技术在环境监测领域的成功应用,为区域大气和全球环境状况奠定了技术基础.

二氧化氮和有机硝酸酯测量技术研究进展

二氧化氮和有机硝酸酯均是大气中非常重要的痕量气体。二氧化氮的浓度是衡量大气污染程度最重要的指标之一,同时,二氧化氮是对流层臭氧的主要来源,也是导致光化学烟雾和酸雨的重要前体物;大气中的有机硝酸酯具有低温稳定、高温易分解的特性,因此是二氧化氮的潜在源,并且对臭氧的全球分布有一定影响。因此,准确获得环境大气二氧化氮和有机硝酸酯浓度对于研究大气化学过程具有重要意义。早在20世纪五、六十年代,化学发光技术和分光光度技术就被用于环境大气二氧化氮的测量,随着技术的发展,差分吸收光谱技术、激光诱导荧光技术、可调谐二极管激光吸收光谱技术、腔衰减相移光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术以及腔增强吸收光谱技术等纷纷被用于测量各种环境下的二氧化氮含量。对大气有机硝酸酯的准确测量在氮循环研究方面具有重要的意义。当前,有机硝酸酯的主要测量技术有气相色谱电子捕获检测以及通过热解转化为二氧化氮进行间接测量等方式。综述了国内外对环境中二氧化氮和有机硝酸酯测量技术研究现状和发展趋势,对现有测量方法的原理和优缺点进行了详细介绍和对比,并总结了各个研究方法在外场观测中的应用。

基于地基遥感和地表原位测量技术研究合肥地区大气温室气体变化特征

基于地基傅里叶变换红外遥感和地表原位测量两种观测技术研究了合肥市2016—2017年两年间大气CO_(2)和CH_(4)浓度的变化。观测结果表明:合肥地区大气中CO_(2)和CH_(4)浓度都有着明显的季节变化,其中CO_(2)浓度在2016年8月呈现一个极小值,然后随着时间的推移开始逐渐增加,到2017年4月达到最大值,之后逐渐下降,在2017年9月初又达到另一个极小值;而CH_(4)在夏季和初秋浓度较高,冬季和初春浓度较低。2016年地基遥感测量XCO_(2)和XCH_(4)月均值的季节幅值分别为5.96×10^(-6)和0.047×10^(-6),而原位测量的CO_(2)和CH_(4)浓度月均值的季节幅值分别为31.46×10^(-6)和0.26×10^(-6),约为地基遥感测量对应值的5倍。对合肥站点大气CO_(2)与CO、CH_(4)与CO_(2)分别进行了相关性分析,得到地基遥感测量的秋季XCO_(2)与XCO的相关系数R为0.75,XCO_(2)/XCO的值为79.5,强的相关性说明合肥地区秋季CO_(2)和CO多来自于同一个排放源。另一方面,地表原位测量的冬季CO,与CO、CH_(4)和CO_(2)的相关系数R均为0.80,CO_(2)/CO的值为52.2,CH_(4)/CO_(2)的值为0.0036,气体之间强的相关性说明合肥站点冬季人为排放是CO_(2)的主要来源,并且CH_(4)与CO_(2)部分来源于生物质燃烧。

环境监测领域颠覆性技术的发展与展望

环境监测技术是支撑和保障环境管理的重要基础,分析研判本领域颠覆性技术的发展态势,有利于加快推进我国生态文明建设与环保产业发展。本文结合文献计量与专利情报分析方法,全面分析评价国内外环境监测领域颠覆性技术的发展历程及最新态势。针对我国环保发展对环境监测技术的重大需求,提出了基于大数据融合的多介质环境与生态系统感知技术、基于新材料与器件的微型智能化环境要素传感技术、基于光谱质谱的环境痕量污染物快速在线监测技术以及基于卫星遥感的区域/全球生态环境要素的高分辨率遥感技术等发展方向,以期为我国环境管理与环保产业发展规划提供决策依据。

大气污染光学遥感技术及发展趋势

空气质量和气候变化是影响人类生存环境的两大主要因素,它们与大气构成变化密切相关,因此,必须对影响人类生存和决定对流层成分的大气过程进行监测。随着监测技术的发展,大气环境监测方法从常规的监测体系向理化、遥测、应急等多种监测分析方法相结合的综合监测技术方向发展。基于激光/光谱的大气污染监测技术以光学探测和光谱数据解析为核心,探测大气痕量气体和颗粒物的时空分布特征和输送规律,并逐渐运用于球载、无人机、卫星等区域动态遥测,可为中国大气灰霾形成的关键影响因素识别提供技术支持。

环境污染与环境安全在线监测技术进展

近年来,日新月异的激光技术促进了光谱技术的发展,以光学探测和光谱数据解析为核心的各种在线监测技术以高灵敏度、高分辨率、高选择性、多组分以及实时等优势在环境监测领域中发挥着不可替代的作用,着重介绍了在线监测技术在环境污染和环境安全方面的应用新进展,并提出了我国进一步深入开展环境光学应用科学技术研究的建议。

基于红外光谱技术的秸秆还田环境下土壤氨挥发特征分析（英文）

研究氨近红外光谱特性并建立浓度反演算法模型,重点优化相关性分析和温度修正功能.利用开放式激光吸收光谱技术建立氨区域监测系统,于2015年在安徽涡阳秸秆还田示范区开展监测实验,研究玉米和小麦种植情况下的土壤氨挥发特征.研究结果表明,氨浓度具有日变化趋势:白天浓度上升在正午达到最高值,逐步降低到夜间至最小值.夏、秋季典型小时浓度变化范围为0.6×10^(-3)~1.34×10^(-3)mmol/mol和1.14×10^(-3)~1.82×10^(-3)mmol/mol,秋季玉米和夏季小麦秸秆还田的最大氨日均浓度为4.6×10^(-4)mmol/mol和1.7×10^(-3)mmol/mol,还田一个多月后氨浓度明显上升,并存在一定季节性差异.近红外光谱技术为明晰土壤氨排放规律提供了技术支持.

大气环境NO_3自由基探测技术研究进展

相对于OH自由基是白天大气化学的驱动力,NO_3自由基则是夜间大气中重_3自由基寿命短、浓度低(几百ppt),使得对其测量具有挑战性。上世纪八、九十年代,主要采用差分光学吸收光谱(DOAS)技术和基质隔离电子顺磁共振光谱(MI-ESR)技术对NO_3自由基进行测量.随着科学技术的快速发展,本世纪初逐渐发展出腔衰荡光谱(CRDS)技术、腔增强吸收光谱(CEAS)技术、激光诱导荧光光谱(LIF)技术和化学电离质谱(CIMS)技术来探测NO_3自由基。综述了国内外大气NO_3自由基探测技术的研究现状和发展趋势,对各种方法的原理、优缺点及应用进行了较为详细的介绍,并总结了其在大型外场观测中测量NO_3自由基所取得的研究进展。

大气环境高灵敏光谱探测技术

大气环境高灵敏光谱探测技术是以光与环境相互作用为基础发展起来的学科交叉方向,使用光学的方法和手段来探知研究环境问题。大气环境高灵敏光谱探测技术能够实现从现场瞬态灵敏探测到污染时空分布等不同尺度的遥测,从而获得大气污染“点-线-面”的时空变化规律,由于光谱探测技术具有多组分、非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速以及遥测等特点,已经成为国际上大气环境监测技术的主要方向之一。大气环境高灵敏光谱技术在污染源、工业园区、空气质量以及区域污染等监测方面都有很广泛的应用。针对化工园区复杂的环境污染问题,光谱探测技术可以高灵敏、非接触地获取多种污染物浓度特征,掌握化工园区污染时空分布状况,为化工园区的大气污染治理提供有效支撑;针对京津冀、长三角等地区大气重污染过程的核心问题,大气环境高灵敏光谱探测技术通过地基组网观测,车载/机载平台移动观测等三维立体监测手段获取重点区域污染物的生成、转化过程以及重污染过程的形成机制,为区域大气污染成因追溯、污染控制措施评估提供科学的数据和技术支撑。高灵敏光谱探测技术在大气环境领域的成功应用,为污染源、化工园区和重点区域的环境综合诊断和治理奠定了技术基础。

基于高灵敏激光吸收光谱技术的稳定气态同位素测量及其应用(特邀)

稳定同位素测量技术已经在地球化学、地球物理、农业、生物、临床医学和生态科学等领域得到了众多应用。相对于传统的稳定同位素分析方法,基于激光吸收光谱技术的同位素分析技术,作为一种较新的同位素丰度测量方法,具有选择性好、精度高、体积小、无需样品预处理、可以实时原位同时测量气体浓度及同位素丰度等众多优点,得到了极大的关注和使用。本文主要以目前同位素测量的可调谐半导体激光吸收光谱技术、积分腔吸收光谱技术、腔衰荡吸收光谱技术三种激光吸收光谱方法为例,阐述了其基本原理、谱线选择、温压影响因素及其控制、系统组成结构以及部分应用测试结果。通过对测量系统的压力与温度的稳定控制的前提下,选取了合适的同位素测量谱线对,实现了大气CO_(2)气体的13C测量精度为0.3‰,煤层气CH4气体的13CH4测量精度为1.25‰,冰川水H_(2)O中18O、17O和2H的测量精度分别为0.3‰、0.2‰和0.5‰,以及呼吸气体中的13CO_(2)判识“金标准”。通过分析验证了激光吸收光谱技术在同位素测量方面的可行性和可靠性,也充分说明了基于激光吸收光谱技术的测量方法具有非常好的技术优势,将是光谱研究领域关注的重点内容,并在后续的科学研究中占据举足轻重的作用。

环境光学监测仪器网络化数据管理软件系统设计方案

介绍了一种基于BS和CS结合的架构实现环境光学监测仪器数据管理软件系统的设计,软件综合运用了.Net技术和J2ee技术完成了现场端数采模块和服务器端管理模块两大部分的开发,运用.Net反射机制实现了松耦合热插拔的设备通讯,解决了基于环境光学监测仪器的大气污染气体在线监测系统中多种通讯方式仪器的接入问题。数据管理软件系统实现了对区域内不同安装站点的相关设备运行质控,数据综合管理的目标,最大程度发挥了环境光学监测仪器在大气污染气体监测和治理中的作用。

半导体激光器驱动电路设计及实验研究

可调谐半导体激光器是可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)系统的重要器件之一,激光器输出波长的稳定性直接决定系统测量的准确性和稳定性,而注入电流和工作温度是激光器输出波长的主要控制因素。设计了激光器驱动控制电路,并利用PID控制实现激光器工作温度的恒温控制,不仅能提供高精度低噪声的注入电流,而且对激光器有完备的安全保护功能。首先对注入电流和温度控制进行了短期测试分析,随后将设计的电路应用于中心波长为1512 nm的激光器,开展了测试分析,对激光器的温度、电流调谐特性进行研究,并对激光器输出波长的稳定性进行了短期和长期测试。结果发现激光器输出波长的标准偏差为0.0002,满足TDLAS系统对激光器恒流恒温控制的要求,表明该驱动控制电路实现了对半导体激光器的高精度驱动控制。

非色散光学法NO_2浓度测量技术研究

主要研究了一种利用非色散光学法进行N02浓度检测的技术，其基本原理是利用NO2在紫外可见光波段有较强吸收的特点，根据朗伯-比尔定律通过预先标定好的气体吸收率与浓度的关系曲线来推导气体浓度信息。在实验室使用光谱仪、氤灯和已知浓度的一系列标准样气进行实验，从光谱仪测得的290-410nm范围的光谱数据中选取带宽为5nm的四个波段，分别计算不同气体浓度下的吸收率，然后分别与浓度作多项式拟合。通过对比不同波段范围和拟合阶次下的拟合相关系数，确定了一个拟合效果最好的波段和拟合阶次，为滤光片的选择提供了依据。

基于荧光动力学的海洋初级生产力快速原位传感技术

海洋初级生产力(GPP)是海洋生态系统物质循环和能量流动的基础环节,是评价海洋生态环境状况的重要指标之一。传统GPP测量方法操作过程繁琐、测量周期长且时效性差。文中围绕海洋GPP快速监测需求,以叶绿素荧光作为浮游植物光合作用过程探针,研究了多波段可变光脉冲诱导荧光动力学技术,研发了海洋GPP快速原位传感器,并在北极、黄渤海和南海等海域开展了海试应用,获取了我国黄海近海、渤海湾、南海岛礁周边,以及太平洋及北冰洋部分海域表层海水的GPP空间分布情况,为海洋生态环境监测和科学研究提供了大量实时观测数据。海试结果表明,基于多波段可变光脉冲诱导荧光动力学技术能够快速准确地获取GPP,可作为海洋生态环境调查和海洋碳汇评估的先进技术手段。

DOAS技术中光学密度计算方法对测量结果的影响

差分光学吸收光谱技术(DOAS)中,通过不同高通滤波方法获得差分光学密度,与经过相同数字滤波处理的实验室的标准参考谱作最小二乘拟合,反演出各种气体的浓度。通过几种平滑滤波和多项式滤波对相同测量信号进行光谱分析,比较其反演浓度的精度、残差的标准方差和峰峰值。结果表明,3点500次平滑滤波重复两次的高通滤波方法各项指标都优于其它方法,能有效地提高测量精确度和降低检测下限。

紫外高光谱探测仪实验室辐照度定标研究

紫外高光谱探测仪在轨运行时通过地球光观测光路和太阳光观测光路获取辐射和光谱信息,因此在发射前需对载荷进行实验室定标。定标后获取的辐照度定标系数将用于在轨计算获取反演所需的太阳参考谱,定标精度直接影响仪器在轨探测及数据反演精度,决定着获取的遥感信息的可靠性。采用直接发散光辐照度定标方法,搭建二维定标平台对定标光路进行不同角度、距离的标准灯测试,将三个距离下的实验值借助最小二乘法线性拟合得到辐照度定标系数,并对系数进行角度等因素的校正。测试结果表明合成不确定度为3.42%,符合辐射定标要求,表明了方法的可行性。

大气细颗粒物测量技术研究新进展

大气细颗粒物污染对区域环境、全球气候和人体健康均具有重要影响,因此大气细颗粒一直是污染防治的重点和难点之一。近年来,特别是我国大气污染防治计划的持续推进,大气细颗粒物污染问题已得到显著改善,同时也伴随着一系列测量技术的长足发展。本文针对大气细颗粒物数浓度、粒径分布、化学组成等物理化学参数信息,综述了近年来大气细颗粒物测量技术的发展与应用状况。对于细颗粒物数浓度测定,主要分为扩散荷电计数和凝结粒子计数两类,前者主要适用于燃烧排放场景,后者则适用于城市空气低浓度测量场景;对于细颗粒粒径测量,主要分为单颗粒粒径和整体粒径谱分析两类,单颗粒粒径多采用电子显微和光学显微方式,整体粒径谱分析主要为电迁移分级方式;对于细颗粒物组分测定,主要以气溶胶质谱与光谱分析为主。最后,面向大气颗粒物演变机制研究与智能化监测监管新需求,展望了未来大气细颗粒物将向多参数综合表征、动态过程快速测量、高性能微纳传感等方向发展。

光合抑制法水质毒性检测中藻类培养光照与温度实验分析

浮游藻类作为单细胞生物,其光合活性外界胁迫作用响应灵敏,是水质综合毒性检测的良好受试生物,因此认识受试藻种光合活性状态对温度和光照等主要环境因子的响应规律,掌握有效控制受试藻种光合活性状态和浓度的培养条件,对水质综合毒性检测至关重要。以模式受试生物蛋白核小球藻为研究对象,研究了不同温度梯度和光照强度下蛋白核小球藻光合活性变化规律。研究结果显示:蛋白核小球藻在不同梯度光照下,藻种光合活性和藻种浓度的变化非常明显。低光照下(75μE、125μE)藻种平均光合活性在0.60左右但藻种浓度基本不增加;中光照下(175、225、300、375μE)藻种平均光合活性在0.57左右且此时藻种浓度有明显增加,其中,实验最佳光照为375μE;高光照下(475μE和600μE)藻种平均光合活性低于0.56 (初始活性),会对藻种的生长状态产生胁迫。不同梯度温度下藻种光合活性和藻种浓度也有明显变化,中低温下(5、15、25℃)藻种平均光合活性在0.59左右且藻种浓度随着温度的升高而增加,最佳温度为25℃;高温下(30、35、40℃)藻种光合活性迅速下降直至失活。研究结果表明可以通过控制光照和温度来控制浮游藻类的光合活性和生长速度,为在线水质综合毒性测量仪提供标准的受试藻样培养方式,从而给便携式水质综合毒性测量仪的研发奠定基础。

基于能量色散XRF光谱的土壤重金属As与Pb同时定量分析方法

针对能量色散XRF光谱难以实现土壤重金属Pb与As的同时准确定量检测问题,基于Pb元素Lα、Lβ及As元素Kα、Kβ的谱峰特性,提出了一种能量色散XRF光谱土壤重金属As与Pb同时定量分析方法。该方法通过构建不同浓度Pb元素Lα与Lβ特征峰强度关系,根据实测样品Pb元素Lα与As元素Kα重叠峰强度信息,准确解析Pb元素Lα及As元素Kα特征峰强度,基于已建立的定量分析曲线实现土壤样品中Pb与As的准确反演。通过对不同浓度Pb与As共存土壤样品定量检测,相比ICP-MS测量结果,本文方法对20.25~844.84mg·kg-1重金属Pb检测的相对误差在0.86%~11.09%之间,平均相对误差为6.17%;对26.99~825.93mg·kg-1重金属As检测的相对误差在0.10%~14.72%之间,平均相对误差为8.11%,实现了Pb与As共存土壤中Pb与As含量的同时准确定量分析,为发展土壤重金属现场快速XRF精准检测设备提供了方法。

开放式长光程傅里叶变换红外光谱系统在环境气体分析中的应用

设计了一套用于环境气体分析的长开放光路傅里叶变换红外光谱系统。该系统具有往返250 m的开放式长距离采样光程,使用一台分辨率为1 cm-1的傅里叶变换红外光谱仪测量采样路径内的大气透过率光谱,然后进行非线性最小二乘光谱拟合,计算出待测组分浓度。实验部分通过选择特定波段分析了污染空气中CH4,CO,N2O和CO2的浓度,拟合残差的均方根误差小于1%。结果表明,该系统的结构简单,光路易于校准,环境适应性良好,测量速度快,采样范围广,可用于探测大气中一些重要的痕量和微量组分,开展较大区域的环境气体的监测和研究。