基于MAX-DOAS 的淮北地区NO2柱浓度观测研究

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 < FeC ≤ 0.1 和 0 < FeC ≤ 0.3) 测量结果进行对比, 发现两者具有较好的相关性 (R2 = 0.88, R2 = 0.90), 表明 MAX-DOAS 不仅可以准确反演出 NO2 垂直柱浓度, 还可以验证卫星数据。     

车载多光路DOAS技术探测污染气体垂直柱浓度研究

目前天顶方向的车载单光路（DOAS）系统在解析污染气体柱浓度时,都是以测量得到的斜柱浓度近似代表垂直柱浓度,这在计算通量时会造成一定的误差。结合多轴DOAS思想,研究了车载多光路DOAS技术,即在汽车移动平台上设置了两个不同仰角（90°、30°）的望远镜分别接收天顶散射光,利用DOAS方法解析两个方向的斜柱浓度,并结合大气辐射传输模型计算大气质量因子最终获得垂直柱浓度。相比于目前的天顶方向车载单光路系统,车载多光路DOAS系统具有高灵敏度、低不确定性等优点。利用此系统在淮南某电厂进行了测试实验,得到了电厂区域排放的NO2准确垂直柱浓度分布信息,并与天顶方向的斜柱浓度分布比较,两者在浓度趋势上具有较好的一致性。     

基于MAX-DOAS观测的淮北冬季NO2变化特征

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NO$_2$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6.83×10¹⁶molecules/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)。     

奥运期间北京对流层NO2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,MAX-DOAS)在2008年北京奥运期间对奥运场馆附近上空对流层NO2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NO2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.     

基于多轴差分吸收光谱技术的对流层HCHO柱浓度测量研究

HCHO是城市大气污染物中的重要组分.采用多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS)于2008年夏季对北京上空对流层HCHO斜柱浓度进行了测量,研究了HCHO差分吸收光谱处理算法,考虑了温度和I0效应对气体吸收截面的影响,并对大气Ring效应进行了校正.采用几何近似的方法计算了对流层大气质量因子,并将HCHO斜柱浓度转换成垂直柱浓度,得到了实验期间对流层HCHO的垂直柱浓度时间序列,并且HCHO垂直柱浓度早晚比较低,约在中午最高. MAX-DOAS HCHO垂直柱浓度与GOME-2卫星和SCIAMACHY卫星结果具有较好的相关性.     

基于MAX-DOAS的对流层NO2和气溶胶光学厚度遥测反演

随着全球工业化速度加快和人口的增多,大气环境问题日益突出,NO2和气溶胶在大气化学中扮演着重要的角色。地基多轴差分吸收光谱技术（MAX-DOAS）基于被动DOAS原理,近年来已成功应用于大气痕量气体柱浓度和气溶胶光学厚度（AOD）测量方面。本文基于被动DOAS算法对合肥秸秆燃烧期间NO2柱浓度以及气溶胶光学厚度进行了观测,并把对流层柱浓度和臭氧监测仪(Ozone Monitoring Instrument, OMI)结果进行对比;测量的气溶胶光学厚度和太阳光度计（CE318）进行了对比。结果表明,MAX-DOAS测量结果要高于卫星值,11月6日MAX-DOAS测量NO2柱浓度日均值为OMI的1.9倍;二者在无云条件下一致性较好;MAX-DOAS反演AOD和太阳光度计结果相关性在0.9以上。     

基于被动差分吸收光谱技术对重庆市大气污染物区域输送的探测研究

在重庆市大气污染区域输送通道上设置龙市站、超级站、南坪站三个观测站点,利用基于被动DOAS技术的MAX-DOAS地基多轴差分吸收光谱仪对SO2和NO2垂直柱浓度进行连续探测,实时获取两种大气污染物的时空分布和区域性输送过程,并将MAX-DOAS探测结果与当地API数据进行了对比分析。探测结果显示,龙市站、超级站、南坪站NO2垂直柱浓度均值分别为5.90×1015、18.96×1015、17.82×1015molec./cm2,超级站最高,龙市站最低;SO2垂直柱浓度均值分别为16.46×1015、18.35×1015、55.56×1015molec./cm2,南坪站最高,龙市站最低;分析研究表明,NO2受本地交通排放源影响为主,SO2则受周边工业污染源排放的影响较大。     

基于EMI观测的珠三角地区对流层NO2柱浓度时空变化特征分析

珠三角城市群作为我国最具发展活力的都市经济圈之一,近年来经济发展势头迅猛,但与此同时,珠三角地区大气污染问题也引起了广泛关注.在众多大气污染监测手段中,卫星遥感方法具有观测范围广、观测种类多、可长期连续观测、成本低等优点.EMI(Environmental trace gases monitoring instrume...     

基于深度信念网络和极限学习机的SO2浓度检测

使用差分吸收光谱技术(Differential optical absorption spectroscopy, DOAS)进行工业在线气体检测,在气体浓度较低时,其光谱吸收不明显, 信噪比较低,通过传统方法来对工业气体浓度进行反演,预测结果难以满足工业应用具体要求。针对SO$_2$气体的差分吸收光谱特点, 采用氚灯作为光源,采集189.73$\sim$644 nm波段内的标准浓度SO$_2$的吸收光谱高维数据,选取吸收光谱数据并进行预处理,然后 利用训练集数据建立深度信念网络模型进行低维特征提取。在此基础上,利用训练数据的低维嵌入特征构建极限学习机反演模型, 实现SO$_2$气体浓度计算,并对该模型进行了有效性测试,从而得到一种更加精确的SO$_2$气体浓度在线检测方法。     

基于直射太阳光红外吸收光谱技术的大气中CH_4柱浓度遥测研究

介绍了一种基于直射太阳光红外吸收光谱技术的遥测系统,并利用该系统在合肥地区进行了连续观测、从太阳吸收光谱中测量了整层大气透过率,采用逐线积分方法模拟计算了整层大气透过率,基于非线性最小二乘光谱反演算法从实测整层大气透过率中反演了甲烷气体柱浓度和氧气柱浓度,并以氧气柱浓度为内标函数获得了甲烷干空气柱体积混合比,精密度优于2%。将本系统测量的2012年9月25日12:00~15:00 CH_4干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区域的日本温室气体卫星的CH_4观测结果进行了比较,两者偏差小于1%。可见,该系统和方法是一种有效的甲烷气体柱浓度探测系统和方法,具有较高精度、     

被动多轴差分吸收光谱技术监测O4斜柱浓度误差修正方法研究

O4斜柱浓度的准确获取,对气溶胶廓线反演具有重要意义。介绍了基于被动多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）监测O4斜柱浓度的误差修正方法,用于准确获取O4斜柱浓度。通过对比30°仰角O4斜柱浓度MAX-DOAS测量结果和大气辐射传输模型模拟结果,获得修正系数,利用修正系数修正各个角度的斜柱浓度值,消除O4吸收截面不准确造成的反演结果误差,提高了O4斜柱浓度精度。研究方法应用于合肥地区O4斜柱浓度的准确监测,为下一步气溶胶廓线精确反演提供了数据支持。     

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.     

被动多轴差分吸收光谱技术监测O4斜柱浓度误差修正方法研究

O₄斜柱浓度的准确获取,对气溶胶廓线反演具有重要意义。介绍了基于被动多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）监测O₄斜柱浓度的误差修正方法,用于准确获取O₄斜柱浓度。通过对比30°仰角O₄斜柱浓度MAX-DOAS测量结果和大气辐射传输模型模拟结果,获得修正系数,利用修正系数修正各个角度的斜柱浓度值,消除O₄吸收截面不准确造成的反演结果误差,提高了O₄斜柱浓度精度。研究方法应用于合肥地区O₄斜柱浓度的准确监测,为下一步气溶胶廓线精确反演提供了数据支持。     

烟道污染气体SO_2的差分光学吸收光谱测量

研究了利用差分光学吸收光谱(DOAS)技术测量烟道污染气体SO2的方法.介绍了差分吸收光谱的基本原理和数据处理方法.讨论并分析了测量过程中光谱波段的选择.以氘灯作为光源,分别利用光谱分辨率为0.6 nm、0.7 nm和1.8 nm的光谱仪对SO2的吸收光谱进行了测量,分析了光谱分辨率对测量结果的影响.DOAS方法分析的是吸收光谱的高频部分,避免了烟尘、水汽等对测量结果的影响,可以利用差分光学吸收光谱对烟道污染气体进行检测.     

差分吸收光谱技术在气溶胶监测领域的应用研究

介绍了差分吸收光谱(DOAS)技术在气溶胶监测领域的应用.在研究、分析国外学者的研究基础上,提出采用单光路法并结合大气在550 nm处的能见度校准的方法测量气溶胶消光系数的研究计划.通过实验验证,该方法成功解析出大气气溶胶消光系数.     

成像差分吸收光谱系统设计及应用

被动差分吸收光谱技术(DOAS)是一种以太阳散射光为光源,利用不同气体分子的特征吸收来实现气体定性定量测量的方法。成像光谱技术作为一种新型光电探测技术,能同时获取观测区域的空间信息和光谱信息,该技术与DOAS结合构成了成像差分吸收光谱系统(IDOAS),可实现对气体的二维成像测量。设计了基于凸面光栅Offner成像光谱仪、面阵CCD、紫外镜头和扫描旋转台的成像差分吸收光谱系统,描述了系统的组成并着重介绍了Offner成像光谱仪的光学设计。针对该系统开发了基于MFC框架的软件系统,实现了探测器参数设置、数据采集与显示、数据存储、电机扫描控制、多波段成像、图谱合一等功能。利用该系统对发电厂烟羽排放进行外场测量,采用被动差分吸收光谱方法对采集的太阳散射光谱进行处理获得SO_2柱浓度,实验证明系统运行稳定可靠,可用于污染气体的二维成像解析。