环境光学在大气监测中的应用

光学（optics）是物理学的重要分支学科，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线到X射线、γ射线的宽波段范围内的辐射、传播及与物质相互作用的科学。环境光学（environmental optics）则是由环境科学(environmental sciences)和光学发展起来的一门新型交叉学科，它以光与环境相互作用为基础，研究光与环境相互作用的机理和规律，并采用光学的理论、方法和手段来解决环境问题。基于激光技术发展的环境分析技术，在剖析环境的物理变化、化学变化、生物变化及其相互交叉的变化方面显示出独特的优势，把环境中污染物的动态变化在分子水平和精细时空结构上展现，加深人们对污染变化机理和深层次变化规律的认识。同时，环境光学监测技术与光学遥感（remote sensing，RS）等多项技术的联合，辅以空间技术、化学计量学、计算机科学、现代通讯技术、现代仪器制造技术等相关领域先进技术的渗入和融合，使得其在三维空间的大范围，甚至全球范围内监测污染物的时空分布得以实现，通过连续遥测获得污染的成因及其变化规律，为污染防治和环境质量的改善提供科学依据。因此，环境光学不仅是经典光学的延伸、创新发展，也是环境科学领域的新发展。

环境光学监测技术
环境光学监测是环境光学的重要组成部分，通过结合现代科学技术手段来获取环境参数和污染物动态变化的信息，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来研究环境污染的机理及防治对策，具有实时、动态、快速、非接触遥测、监测范围广、成本低、在多组分共存条件下保证高选择性，以及超高灵敏度，可以进行痕量、超痕量的监测分析等优势，能够监测到低于ppb（10-9体积混合比浓度）级的超痕量污染物，测量区域范围可从100米扩展至数千米，无需多点采样即可获得区域污染物的平均浓度，具有其他常规方法不可替代的优越性，更是实验室常规人工监测所望尘莫及的，是较少能够在星载平台观测全球大气环境变化的技术手段，是当今国际环境监测的主导技术和发展方向。环境光学的理论和实验方法基于物理学中的光学性质，无需任何化学试剂，相较于以往基于化学原理的分析方法，在监测过程中不会产生二次污染。可以说，环境光学的分析监测手段是二十一世纪国际分析界倡导的“绿色分析化学”理念的优质选择和成功典范。
由于气态环境介质的密度比较小，借助气象条件污染物易于传播扩散，尤其是在突发性环境事件中，气态污染物的影响尤为严重。大气环境中，以燃煤烟气、机动车尾气、工业VOCs排放为主的区域性大气复合污染问题，与光化学烟雾、霾污染、酸沉降等多种问题并存，成为人们关注的焦点。大气中的微量成分和痕量成分寿命短、具有化学活性且时时处于动态变化状态，单凭实验室的人工监测远远不能满足快速、实时监测的需要。像VOCs具有光化学反应活性，能在环境中二次转化，因此基于环境光学理论和技术的大气环境立体监测系统就应运而生了。

基于环境光学原理的大气成分分析在线监测技术以光学中的吸收光谱、发射光谱、光的散射以及大气辐射传输等方法为基础，结合了环境科学、大气光学、光谱学等学科的研究成果，形成了以差分光学吸收光谱（DOAS）、可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、非分散红外光谱（NDIR）、光散射测量、荧光光谱、激光诱导击穿光谱（LIBS）等技术为主体的环境光学监测技术体系。并通过获取大气污染的时间和空间分布的海量监测数据，来研究环境污染的机理及污染防治技术，解析大气污染的来源、形成、化学转化和区域传输过程，为大气污染防治和改善大气环境质量提供依据。表1为用于大气环境立体化的监测技术，表2为融入环境光学的技术手段。

表1用于大气环境立体化的监测技术

* DOAS——差分光学吸收光谱，TDLAS——可调谐半导体激光吸收光谱、FTIR——傅里叶变换红外光谱，NDIR——非分散红外、GC（FID）——气相色谱（火焰离子检测器），LIDAR——激光雷达，Dobson——多布逊臭氧分光光度计，ZSL——天顶散射光，TEOM——微量震荡天平

表2 环境光学技术及应用

环境光学在大气监测中的应用
大气环境立体监测系统的集成
目前大气环境污染监测数据主要来源于地面监测网，卫星监测起辅助作用。由于地面监测网难以监测对流层，尤其是人类赖以生存的边界层，同时卫星监测数据的地面分辨率又不足以识别主要污染源，因此大气环境缺乏立体监测数据。要满足大气环境的科学研究及保护的需求，就需要开展能体现大气污染时空分布的地基立体化监测系统。
天地空一体化遥感监测技术通过地基和卫星融合互补，成为研究大气污染来源、传输和影响的重要方法。大气环境立体监测技术可应用于在线现场实时监控污染物的动态变化、工业废气的排放、地基平台监测、机载平台监测、球载平台监测及星载平台监测，对重点污染源进行定点遥感；对颗粒物及其前驱物的演变规律和输送方向进行定量核算；收集各城市的常规监测逐时数据，作为地面污染物浓度信息的补充；对典型布点区域污染物地面浓度分布、垂直柱浓度分布进行移动遥测，以提供更多的空间污染物分布信息。通过对多渠道海量数据进行综合分析，从而对污染区域的各个工艺及管理环节进行预测、预判和预警，以便及时、有效、有针对性地精准监控和管理。结合卫星遥感技术还可反演得到污染物区域宏观浓度及其变化趋势，对污染物浓度的空间观测信息进行验证。现在，区域立体化多维度的监测技术不断发展，从垂直定向观测到三维度扫描观测，从固定点观测到走航观测，从单一污染要素（如颗粒物）的空间观测到多要素（温室气体、污染性气体、反应性气体、气溶胶等）的协同观测。在以区域立体监测为基础的大气环境监测网络中，通过连续、海量的监测数据获得污染物的动态变化状况及规律，了解污染物的排放和环境质量状况，并融合气象、交通、治理、监管等方面的信息，实现各级、各类信息的互补、互联和共享，大大提升监测、预报、预警的准确程度，为污染治理、总量控制、改善环境质量、解决全球气候变化等方面提供强有力的支撑。如将监测终端安装于灵活机动的无人机上，对不同点位的大气环境污染物进行连续监测，通过二步延迟时间融合算法与扩展卡尔曼滤波算法对GPS模块与气压传感器进行数据融合，就可以保证监测系统中监测点三维定位信息的准确性。

车载、机载及星载测量技术
在主导风向的天气下，如果将监测系统装载于车上，围绕某一区域测量，结合气象仪器提供的风速、风向，以及GPS系统提供测量点的位置信息，通过计算就可以监测出该区域的有害气体排放通量。在地基遥感技术快速发展并日趋成熟的基础上，借助于机载平台的大气环境遥感载荷也开始发展。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系统，实现多时空尺度、全面、长期、连续地监测与数据积累，逐步提高对大气环境系统的立体、动态监测分析能力。开展大气近地面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。卫星遥感技术以其独特的全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的特点在环境监测领域具有无可比拟的优势。根据不同化学物质的吸收特性反演大气主要化学物质的浓度及分布状况，建设环境大气立体走航监测车，配备可秒级出数的核心设备PTR-MS质子转移质谱仪、气溶胶激光雷达以及FTIR遥测成像仪，结合大气污染走航监测平台及本地化服务，通过对国控站/工业区等周边大气溯源走航监测，实现城市大气污染情况摸排及污染成因分析，并通过科学技术为执法单位进行环境大气管控提供数据支撑。

工业园区废气排放的综合监测
大气环境高灵敏光谱探测是以光与环境相互作用为基础发展起来的交叉学科的技术，使用光学的方法和手段来探知研究环境问题。该项技术能够实现从现场瞬时灵敏地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，并广泛地应用在污染源、工业园区、空气环境质量以及区域污染等综合监测方面。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动态分布状况，为化工园区的大气污染治理提供有效支撑。针对京津冀、长三角等地区雾霾情况及大气重污染过程的问题，大气环境高灵敏光谱探测技术的应用就是一个很好的例证，它通过地基组网观测、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了科学的数据和技术支撑。

区域大气污染的综合监测
结合企业及园区分布特点，科学布设监测点位，合理实施监测手段，对污染排放及有毒有害气体进行预警监测与管控，通过对监控平台大数据的挖掘分析，识别VOCs的不同成分对环境污染程度的排名，先重后轻、先多后少，有的放矢、准确定位污染来源，找准对策，实现“监测-削减治理、评估-再监测”三位一体闭环管理，逐步达到环境质量改善目标，也可有效降低臭味扰民等污染问题，实现园区精细化管理和绿色发展。

京津冀及周边的大气污染综合立体观测网制定了38项观测标准技术规范，开展了高效的综合立体观测，解决了原有站点不足、观测零散、标准不一、要素不全、数据可比性差等一系列问题。通过环境问题和科研手段的结合，提升了对京津冀及周边地区（“2+26”城市）重污染过程中大气污染化学成分的快速监控及监管能力，对区域空气质量宏观、中观、微观演变特征进行动态监测与追踪。区域大气环境综合监测数据库和共享应用平台解决了多源大气环境数据缺乏归一质控、管理、分析和图形影像显示技术，缺乏统一、安全、稳定的数据采集、传输、核验、存储和共享业务化平台的问题，为生态环境部、地方政府管理部门和科研人员提供全方位数据共享，为改善区域大气环境质量做出了贡献。 

环境大气精细化管控
利用卫星遥感技术反演大气气溶胶光学厚度，对地区及周边大范围内的颗粒物区域传输与本地排放进行分析，采用激光雷达监测大气颗粒物，对重点区域进行了激光水平扫描，利用消光系数、退偏振比等重要参数对该地区颗粒物污染进行了综合分析，利用多参数微型空气站，对重点监测区域进行了网格化空气质量监测监管。将卫星遥感技术、激光雷达技术与微型站地面监测技术结合起来，为区域环境空气质量监管提供了可靠依据，为大气污染的监管和环境质量的改善提供了典型案例。引入了多源信息集成与融合技术，提出一种基于卫星遥感、激光雷达、微型空气站和视频监控技术的空气质量监测系统模型，并将该模型应用到空气质量的监测与评价中。将监测区域均匀划分成若干个监测网格，再通过大气网格化微型监测站、微波辐射计、大气颗粒物监测激光雷达，将近地面监测技术与地基遥感监测技术有效结合,构建“点-面-域”三位一体的大气立体网格监测系统，实时采集布设区域的大气环境数据,通过NB-IoT无线传输到云平台进行分析，数据分析结果最终以服务的方式推送至演示终端软件、移动端APP，为环境监控、执法、管理和应用提供数据支撑。  

重大赛事活动的环境质量保障
在2008年北京奥运会、2010年上海世博会、2014年北京APEC会议等重大赛事活动和会议期间，基于环境光学的大气环境立体监测系统发挥了巨大的作用，保证了这些重大赛事活动和会议安全、有序地进行。以双波长三通道拉曼激光雷达对2008年奥运会期间大气状况进行了测量与分析，给出了奥运主场馆上空气溶胶消光系数、后向散射回波信号及波长消光比垂直分布及时空变化,计算了气溶胶消光散射比、光学厚度及Angstrom波长指数，结合地面监测数据分析了北京奥运会期间典型天气间气溶胶光学特征的变化。
在2008年北京奥运会和残奥会期间，利用自主创新的环境监测技术装备进行系统综合集成，建立基于环境光学监测技术的北京奥运重点污染源和输送通道立体综合监测系统，实现对北京及周边地区空气质量的全方位监控，海量准确的污染物立体监测数据为监测重点污染源控制效果、区域污染输送状况提供支持，对奥运会期间周边及重点污染源区场馆地区的环境影响进行监测评估，并为空气污染预报和空气保障提供了重要的技术支持。自主创新的环境监测技术装备包括了主/被动/多轴DOAS、开放光路/怀特池FTIR、激光雷达、振荡天平、黑炭仪、气象参数仪等，构建奥运重点污染和输送通量立体综合监测系统。利用我国研制的大气细粒子谱分析仪对奥运会期间的北京城区的大气细粒子实现从nm到μm颗粒物的原位、快速、在线、宽范围粒径谱测量，并对奥运会期间各粒径段内粒子日平均数浓度及实时变化规律进行分析。结合地面能见度信息，对奥运会期间北京地区大气气溶胶细粒子谱分布特征及其与能见度的相关性进行了定性分析。

发展趋势展望
发展痕量、区域、立体监测方法及仪器设备
建立大气成分和边界层的在线-流动观测、地基立体观测网、机载和星载测量体系，将单项监测技术扩展为多项监测技术的集成应用，从局部点的监测转变为区域面的大范围监测，实现多参数的同时测定，累积多方面数据进行综合分析。

加强无人机遥感技术的开发及应用
无人机遥感技术是继航天、航空遥感之后出现的第三代遥感技术，可快速获取环境方面的空间遥感信息，成本低廉、安全、方便、分辨率高，可与卫星协同观测，具有超长时间工作、在恶劣或危险背景下监测的优势，不失为环境监测的好手段。

加强大气污染监测的质量控制
制定大气污染监测的新标准，发展大气环境监测质量控制的关键技术和大气环境监测质量控制和保证的标准化建设，形成大气污染物排放源的综合监测、大气复合污染多参数的立体化监测体系。

海量数据的综合分析
综合数理化多学科的研究成果，对来自多方面海量数据进行科学地对比和综合分析，将多方的数据和信息的作用发挥最大化，从单一资料向多时相、多数据源的信息复合与综合分析过渡，从中提取重要的环境保护的信息，为形成“全面设点、全国联网、自动预警、依法追责”的国家层面的生态环境新格局提供科技和数据强有力的支撑。

       文章来源：实验与分析

       本网站刊载的所有内容，包括文字、图片、音频、视频、软件等，如非标注为“原创”，则相关版权归原作者所有，如原作者不愿意在本网站刊登相关内容，请及时通知本站，我们将第一时间予以删除。