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【摘 要】大气环境是一个十分复杂的动态系统，大气气溶胶及其气态前体物、大气成分及环境要素分布在从大气边界层、对流层到平流层的垂直空间里，具有显著的时间和空间变化特征以及典型的地理环境气候区域特征，影响着空气质量、气候变化。提高大气环境的监测技术水平，发展遥感观测手段，实现对大气环境的在线、快速、立体探测，对于了解大气中各种成分的动态变化过程、源汇机制以及其对环境、气候的影响等具有重要意义。
【关键词】立体监测;环境光学;大气环境
引言
近年来，中国科学院等单位先后发展了大气颗粒物激光雷达探测、痕量气体多轴差分吸收光谱在线测量等关键技术设备，构建了我国首个大气环境综合立体监测系统，获取了大量实验区大气污染高分辨时空变化信息，弥补了常规业务监测网络在监测手段、监测内容和监测范围的不足。同时地面立体观测网也已开始起步，如“江淮大气环境立体探测研究（示范）网”已在无锡、上海、合肥、岳西、厦门、铜陵等建立站点并连续运行，开展长期的区域大气环境监测。但总的来说，我国大气环境立体监测评估方法、技术手段发展都需要进一步的提升，尤其是在大气成分时空分布、相互作用及其变化过程的定量化综合测量分析方面。因此，大气污染物的高精度立体观测方法研究和现代综合观测技术手段的发展，依然是研究的重点。
1.技术进展
基于光学原理的大气环境在线监测技术是一种新兴技术，结合了环境科学、大气光学、光谱学等学科，利用光学中的吸收光谱、发射光谱、光的散射以及大气辐射传输等方法研究环境污染的机理及监测防治技术，图1是痕量气体在紫外-可见-红外-激光波段的特征光谱例子，光谱特征数据库是发展环境监测技术的基础，光谱数据分析方法是能否成功研发环境监测仪器设备的核心。目前国内已形成了以差分光学吸收光谱（DOAS）技术、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术、傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术、非分光红外（NDIR）技术、激光雷达技术、光散射测量技术、荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱（LIBS）技术、光声光谱技术等为主体的环境光学监测技术体系[2～9]。DOAS技术广泛用于紫外和可见波段范围，监测标准污染物O3，NOx，SO2和苯等，测量的种类为对应于该波段的窄吸收光谱线的气体成分，并对大气中自由基NO3和HONO的测量十分有效。
1.1地基遥感监测
污染气体监测技术。地基大气成分遥感探测技术主要有被动差分吸收光谱技术（DOAS）、被动傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、多波段光度计遥感、微波辐射计遥感等。被动DOAS技术通过探测太阳散射光谱，结合不同气体的特征吸收截面，利用最小二乘法反演各种痕量气体的浓度信息。目前中国科学院安徽光学精密机械研究所在国内率先开展了主动DOAS技术、地基被动DOAS技术（MAX-DOAS和车载多动DOAS）以及机载和星载DOAS技术的研究。大气环境空气质量的主动DOAS监测技术研究，可以实现对大气环境一次污染物（SO2，NO2等）、自由基及其前体物（NO3，OH，HONO，HCHO等）和针对污染源有毒有害气体（H2S，Cl2，苯系物，SO2，NO2等）多种成分的快速在线探测。地基MAX-DOAS是一种大气痕量气体和气溶胶垂直总量及分布探测的新技术，以散射太阳光作为光源，通过天顶及多个离轴方向对穿越大气层的散射太阳光谱（紫外/可见）进行探测，这些光谱包含了痕量气体、气溶胶、云的吸收、发射和散射等信息。由于增加了多个离轴（近地面低仰角）探测方向，对低层大气探测更为灵敏，通过被动差分吸收光谱的解析方法并结合大气辐射传输模型，能够获得对流层痕量气体的垂直柱浓度以及垂直分布信息，特别是对边界层非常敏感，可用于卫星数据的地基校验和化学模型的校验。
1.2车载测量技术
在存在主导风向的天气下，如果将监测系统装载于车上，围绕某一区域周围测量，结合气象仪器提供的风速、风向信息，GPS系统提供测量点的经纬度位置信息，通过计算就可以监测出该区域的有害气体排放通量。车载测量技术通常有两种监测模式：闭合路径监测模式和下风口监测模式当工业区周围有监测车可以通过的闭合路径时可以采用闭合路径监测模式，该方式测量到的工业区有害气体排放通量更准确。当工业区周围没有监测车可以通过的闭合路径时，如果风速较大且比较稳定，工业排放气体几乎都被吹到下风向，此时可以采用下风口监测模式，监测到的有害气体的排放通量可以近似为工业区的排放通量。实际车载测量中，出于精确测量气体扩散场的考虑，需要根据车载的风速仪实测地面风速来估算风廓线，利用经验公式并考虑烟羽扩散模式。
1.3 机载遥感监测
在地基遥感技术快速发展并逐渐成熟的基础上，借助于机载平台的大气环境遥感载荷也开始发展起来。需要建立大气环境立体探测的空中实验平台，包括飞艇、飞机、气球以及无人机等的遥感监测实验系统，实现多时空尺度全面长期连续监测与数据积累，逐步形成对大气系统的立体、动态监测分析能力。开展大气不同高度的大气物理化学过程研究，以及从区域尺度到全球尺度的系统观测测量研究。如美国大气和地球科学研究机构所装备的C-130，ER-2，湾流和麦道等大气综合探测飞机系统，欧洲的FAlCON。
2.应用示范
利用立体监测技术可以监测大气环境污染物质，确定它们的浓度，判断它们是否超过环境保护的有关规定，并可以用这些信息通过闭路反馈系统控制生产过程，对环境污染进行监测、控制和治理，目前已被广泛应用于环境空气质量监测、污染源烟气排放监测、雾霾时空分布监测、区域排放通量监测、交通排放现场监测、生态系统温室气体排放等方面。
2.1 雾霾过程时空分布监测
细粒子雷达通过直接观测对流层范围内细粒子的空间分布和时间演化，监测真实大气中的污染过，了解对流层尺度灰霾与光化学烟雾的污染状况，取得准确的污染物种类和来源，为分析灰霾过程引起的颗粒物形态和光学性质的变化提供科学数据。
2.2 生态系统痕量气体激光在线监测对于大型生态系统，由于下垫面的非均一性及天气过程的不可重复性，痕量气体的分布存在较大的时空差异，通过开放式生态系统痕量气体在线监测技术研究，可以实現高时间分辨率、高灵敏度的大尺度痕量气体浓度的在线监测。实际运用中，利用高频波长扫描技术改善大气湍流对激光吸收光谱造成的影响，并结合参考校准光谱，实现气体浓度的长期稳定监测。
结束语：
基于光学与光谱技术的大气环境立体监测技术发展已有十余年，其应用广度和深度仍在不断扩展。作为全世界范围内经济发展最快的国家之一，我国的大气污染问题已引起越来越多的关注，构建并完善以常规监测、自动监测为基础，遥感监测为辅助的天地一体式环境监测体系，提高监测和预报水平，建设大气环境探测与模拟实验研究设施。针对我国大气复合污染防治研究，建设我国自己的大气环境探测与模拟实验研究设施，形成从实验室微观机理研究到模拟大气环境实验，再到外场观测实验和验证的有机闭环链条，揭示我国城市和区域尺度的大气复合污染形成机理并量化其环境影响，建立符合中国特点的相关污染模式，从而预测我国不同区域背景下大气环境复合污染及其环境效应的发控制战略提供科技支撑。
参考文献：
[1]吕立慧，刘文清，张天舒，等. 新型微脉冲激光雷达测量大气水平能见度。中国激光，2018，41：0908005-1-5
[2]范广强，张天舒，付毅宾，等.差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征。中国激光，2019，41：1014003-1-6]
【关键词】立体监测;环境光学;大气环境
引言
近年来，中国科学院等单位先后发展了大气颗粒物激光雷达探测、痕量气体多轴差分吸收光谱在线测量等关键技术设备，构建了我国首个大气环境综合立体监测系统，获取了大量实验区大气污染高分辨时空变化信息，弥补了常规业务监测网络在监测手段、监测内容和监测范围的不足。同时地面立体观测网也已开始起步，如“江淮大气环境立体探测研究（示范）网”已在无锡、上海、合肥、岳西、厦门、铜陵等建立站点并连续运行，开展长期的区域大气环境监测。但总的来说，我国大气环境立体监测评估方法、技术手段发展都需要进一步的提升，尤其是在大气成分时空分布、相互作用及其变化过程的定量化综合测量分析方面。因此，大气污染物的高精度立体观测方法研究和现代综合观测技术手段的发展，依然是研究的重点。
1.技术进展
基于光学原理的大气环境在线监测技术是一种新兴技术，结合了环境科学、大气光学、光谱学等学科，利用光学中的吸收光谱、发射光谱、光的散射以及大气辐射传输等方法研究环境污染的机理及监测防治技术，图1是痕量气体在紫外-可见-红外-激光波段的特征光谱例子，光谱特征数据库是发展环境监测技术的基础，光谱数据分析方法是能否成功研发环境监测仪器设备的核心。目前国内已形成了以差分光学吸收光谱（DOAS）技术、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术、傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术、非分光红外（NDIR）技术、激光雷达技术、光散射测量技术、荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱（LIBS）技术、光声光谱技术等为主体的环境光学监测技术体系[2～9]。DOAS技术广泛用于紫外和可见波段范围，监测标准污染物O3，NOx，SO2和苯等，测量的种类为对应于该波段的窄吸收光谱线的气体成分，并对大气中自由基NO3和HONO的测量十分有效。
1.1地基遥感监测
污染气体监测技术。地基大气成分遥感探测技术主要有被动差分吸收光谱技术（DOAS）、被动傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）、多波段光度计遥感、微波辐射计遥感等。被动DOAS技术通过探测太阳散射光谱，结合不同气体的特征吸收截面，利用最小二乘法反演各种痕量气体的浓度信息。目前中国科学院安徽光学精密机械研究所在国内率先开展了主动DOAS技术、地基被动DOAS技术（MAX-DOAS和车载多动DOAS）以及机载和星载DOAS技术的研究。大气环境空气质量的主动DOAS监测技术研究，可以实现对大气环境一次污染物（SO2，NO2等）、自由基及其前体物（NO3，OH，HONO，HCHO等）和针对污染源有毒有害气体（H2S，Cl2，苯系物，SO2，NO2等）多种成分的快速在线探测。地基MAX-DOAS是一种大气痕量气体和气溶胶垂直总量及分布探测的新技术，以散射太阳光作为光源，通过天顶及多个离轴方向对穿越大气层的散射太阳光谱（紫外/可见）进行探测，这些光谱包含了痕量气体、气溶胶、云的吸收、发射和散射等信息。由于增加了多个离轴（近地面低仰角）探测方向，对低层大气探测更为灵敏，通过被动差分吸收光谱的解析方法并结合大气辐射传输模型，能够获得对流层痕量气体的垂直柱浓度以及垂直分布信息，特别是对边界层非常敏感，可用于卫星数据的地基校验和化学模型的校验。
1.2车载测量技术
在存在主导风向的天气下，如果将监测系统装载于车上，围绕某一区域周围测量，结合气象仪器提供的风速、风向信息，GPS系统提供测量点的经纬度位置信息，通过计算就可以监测出该区域的有害气体排放通量。车载测量技术通常有两种监测模式：闭合路径监测模式和下风口监测模式当工业区周围有监测车可以通过的闭合路径时可以采用闭合路径监测模式，该方式测量到的工业区有害气体排放通量更准确。当工业区周围没有监测车可以通过的闭合路径时，如果风速较大且比较稳定，工业排放气体几乎都被吹到下风向，此时可以采用下风口监测模式，监测到的有害气体的排放通量可以近似为工业区的排放通量。实际车载测量中，出于精确测量气体扩散场的考虑，需要根据车载的风速仪实测地面风速来估算风廓线，利用经验公式并考虑烟羽扩散模式。
1.3 机载遥感监测
在地基遥感技术快速发展并逐渐成熟的基础上，借助于机载平台的大气环境遥感载荷也开始发展起来。需要建立大气环境立体探测的空中实验平台，包括飞艇、飞机、气球以及无人机等的遥感监测实验系统，实现多时空尺度全面长期连续监测与数据积累，逐步形成对大气系统的立体、动态监测分析能力。开展大气不同高度的大气物理化学过程研究，以及从区域尺度到全球尺度的系统观测测量研究。如美国大气和地球科学研究机构所装备的C-130，ER-2，湾流和麦道等大气综合探测飞机系统，欧洲的FAlCON。
2.应用示范
利用立体监测技术可以监测大气环境污染物质，确定它们的浓度，判断它们是否超过环境保护的有关规定，并可以用这些信息通过闭路反馈系统控制生产过程，对环境污染进行监测、控制和治理，目前已被广泛应用于环境空气质量监测、污染源烟气排放监测、雾霾时空分布监测、区域排放通量监测、交通排放现场监测、生态系统温室气体排放等方面。
2.1 雾霾过程时空分布监测
细粒子雷达通过直接观测对流层范围内细粒子的空间分布和时间演化，监测真实大气中的污染过，了解对流层尺度灰霾与光化学烟雾的污染状况，取得准确的污染物种类和来源，为分析灰霾过程引起的颗粒物形态和光学性质的变化提供科学数据。
2.2 生态系统痕量气体激光在线监测对于大型生态系统，由于下垫面的非均一性及天气过程的不可重复性，痕量气体的分布存在较大的时空差异，通过开放式生态系统痕量气体在线监测技术研究，可以实現高时间分辨率、高灵敏度的大尺度痕量气体浓度的在线监测。实际运用中，利用高频波长扫描技术改善大气湍流对激光吸收光谱造成的影响，并结合参考校准光谱，实现气体浓度的长期稳定监测。
结束语：
基于光学与光谱技术的大气环境立体监测技术发展已有十余年，其应用广度和深度仍在不断扩展。作为全世界范围内经济发展最快的国家之一，我国的大气污染问题已引起越来越多的关注，构建并完善以常规监测、自动监测为基础，遥感监测为辅助的天地一体式环境监测体系，提高监测和预报水平，建设大气环境探测与模拟实验研究设施。针对我国大气复合污染防治研究，建设我国自己的大气环境探测与模拟实验研究设施，形成从实验室微观机理研究到模拟大气环境实验，再到外场观测实验和验证的有机闭环链条，揭示我国城市和区域尺度的大气复合污染形成机理并量化其环境影响，建立符合中国特点的相关污染模式，从而预测我国不同区域背景下大气环境复合污染及其环境效应的发控制战略提供科技支撑。
参考文献：
[1]吕立慧，刘文清，张天舒，等. 新型微脉冲激光雷达测量大气水平能见度。中国激光，2018，41：0908005-1-5
[2]范广强，张天舒，付毅宾，等.差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征。中国激光，2019，41：1014003-1-6]