基于差分吸收光谱技术的大气痕量气体二维观测方法

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)164209基于差分吸收光谱技术的大气痕量气体二维观测方法术刘进)邹莹2)司福祺)十周海金)窦科)王煜)刘文清)1)(安徽光学精密机械研究所，中国科学院环境光学与技术重点实验室，合肥230031)2)(上海航天技术研究院，上海201109)(2014年Ii月27日收到；2015年3月17日收到修改稿)基于差分吸收光谱技术，对大气痕量气体二维观测方法进行研究．对常规多轴差分吸收光谱系统进行改进，使望远镜可指向不同方位角，获取测量点各方位角上的痕量气体信息，从而更直观地了

2、解测量点四周污染气体分布及其演变情况．主要对NO2浓度分布进行了研究，同时获取了不同方位角上的04斜柱浓度；采用辐射传输模型模拟计算O4斜柱浓度并与实测数据对比，结果表明二者具有高度相关性，验证了大气中O4分布的稳定性；基于实测04数据提取光路信息，结合辐射传输模型对NO2和O4因廓线不同造成的散射路径差异进行修正，将NO2斜柱浓度进一步转化为体积混合比，获得了不同方位角上NO2浓度分布图．将计算结果与长光程差分吸收光谱技术数据进行对比，结果表明二者具有较好的一致性．关键词：二维观测，NO2，04，体积混合比PACS：42．68．Ca，

3、42．68．Kh，42．72．SjDOI：10．7498／aps．64．164209技术[1-4】．1引言DOAS技术采用朗伯比尔定律，利用具有窄带吸收特性的光学厚度选择性地探测量化痕量气近年来，随着国家经济的发展，环境问题日益体【引．其中多轴D0ASfmulti—axisD0AS，MAX—突出，环境的监测和治理任务愈发紧迫，对大气环DOAS)以太阳散射光为光源，利用光路分布的差境进行长期监测是其中重要的一项，如何准确地获异性实现对近地面痕量气体的监测．一维的MAX—得大气污染气体浓度及其分布是一个亟待深入研D0AS是对同一方位角上不同

4、仰角进行测量，以天究的课题．现阶段，对大气中痕量气体监测有不同顶测量谱作为参考谱，获得不同仰角上的斜柱浓方法一般采用直接抽样测量的方式进行，这样的度(slantcolumndensity,SCD)．结合辐射传输模测量方式可获取局部痕量气体信息，并可对经过型模拟计算大气质量因子(airmassfactor，AMF)，仪器入口处的浓度梯度进行研究，但面临如何对将斜柱浓度转化为垂直柱浓度(verticalcolumn大气模型或卫星测量等更大尺度上的浓度进行评density,VCD)，以VCD数据对当地污染情况进行价的挑战．与此相比，差分吸收光

5、谱技术fdiferen—评判．进一步则利用不同仰角上的痕量气体信息对tialopticalabsorptionspectroscopy，DOAS1测量污染气体垂直廓线分布进行研究[s-10】．实际上，由的是一个较长路径上的浓度积分，所测量的光谱经于污染气体水平分布的不均匀性，不同方位角上的过了整个大气层，对光路上不均一的痕量气体进浓度是不同的，以某一个方位角上的观测结果代表行平均化，是一项较为成熟的大气环境监测应用测量区域污染气体浓度存在一定的局限性【u】．因国家自然科学基金(批准号：41275037)资助的课题十通信作者．E—mail

6、：sifuqi@aiofm．ac．ca◎2015中国物理学会ChinesePhysicalSociety￡：／／wulixb．hy．ac．c礼164209．1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．64，No．16(2015)164209此，有必要对一维MAX—DOAS系统进行改进，以N／z,(1)式可写为获取不同方位角上的痕量气体浓度信息．然而，由n=一于测量到的SCD包含了气体浓度和散射路径信息，拿CDj]．(3)不能直接代表气体浓度分布．本文从同时测量到的(3)式左侧代表差分光学厚度，由于大气中瑞利散O4数据中提取散射路径信息，

7、将斜柱浓度转化为射、米散射通常随波长做慢变化，因此可通过高通体积混合比．O4作为大气中一种稳定存在的痕量滤波的方式将()、瑞利散射、米散射等影响予以气体，其廓线基本是稳定不变的，浓度与O2的平方扣除，只留下分子吸收的快变部分，通过与标准吸成正比，因此各个角度上的实测值相对真实值的变收截面进行非线性最小二乘拟合，即可得到各痕量化主要是由于气溶胶变化所造成[12-14]，而这种变气体的浓度信息SCD．选择适当的气溶胶廓线，采化主要表现为散射路径的改变．用大气辐射传输模型计算大气质量因子AMF，可本文改进了一维MAX—DOAS只对一个方位将斜

8、柱浓度转换为与路径无关的垂直柱浓度：角进行测量的现状，结合旋转平台实现不同仰角n和方位角同时测量，构建了二维MAX-DOAS(2D—VCD=·(4)MAX_D0AS)测量系统．以NO2为例对不同方位大气质量