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1、DOAS大气成份测量原理 与数据处理张艳燕2008202456目录一、差分吸收光谱技术DOAS介绍1、DOAS技术简介2、DOAS仪器的特点3、DOAS系统的测量原理4、DOAS系统的构成二、DOAS技术测量数据处理与讨论1、O3、NO2及SO2的日变化规律及相互关系2、空气污染的“周末效应”分析3、污染物浓度日变化与气象条件的关系三、思考题一、差分吸收光谱技术DOAS介绍1、DOAS技术简介差分吸收光谱技术DOAS(DifferentialOpticalAbsorptionSpectrometry)是在20世纪70年代末由德国Heide
2、lberg大学环境物理研究所的U.Platt和D.Perner提出的,目前这一技术广泛应用于大气环境监测。DOAS技术根据记录的在几公里长的光程上大气中痕量物质对光的差分吸收来计算痕量物质的浓度。长光程是为了获得极低浓度的大气污染物的可测量的吸光率。使用差分吸收而不是绝对吸收是由于大多数大气污染物在大气中连续存在,不可能获得未经衰减的大气光谱。2、DOAS仪器的特点DOAS仪器与传统的点探测相比具有以下优点:高灵敏度的实时测量:用同一个仪器实现了多种痕量物质的实时、同时测量。光程上的线测量:DOAS系统测量的是从光源到接收器之间位于大气中
3、的开放的光程上痕量气体的总吸收,因此得到的是给定光程上污染物的平均浓度,它比用点探测得到的浓度更具有代表性。高精度的非接触测量:用DOAS技术测量物质的浓度,不确定性仅仅受到可独立测量的这种物质的差分吸收截面测量精度、大气吸收光谱测量精度、光谱处理精度的影响。低维护、低成本:由于DOAS是一种绝对测量技术,一旦给DOAS系统提供了适当的参考光谱就不需要常规的气体校准。另外,维护周期短,运转成本低。DOAS系统在无人照管的条件下可以长期运转,通过电话网上的调制解调器与操作者通信,实现数据的自动采集或操作控制。3、DOAS系统的测量原理差分光
4、学吸收光谱技术的工作原理是利用分子的窄带吸收光谱来辨别气体的成分,通过其吸收谱的强度推导被测气体的浓度,其理论基础是Lambert-Beer定律:I(λ)=I0(λ)exp(-σ(λ)cL)(1)其中,光源发出的光强为I0,经过光程L,在接收端得到的强度为I。I0和I都是波长λ的函数。如果浓度c的单位用mole/cm3,则气体的吸收能力用吸收截面σ(单位:cm2/mole)来表示。考虑到瑞利(Rayleigh)散射、米(Mie)散射以及大气中其它物质的消光因素,可以得到修正后的Lambert-Beer定律形式:I(λ)=I0(λ)exp[
5、-L(∑i(σ(λ)ci)+εR(λ)+εM(λ))]A(λ)(2)其中,A表示系统的传输函数,εR表示瑞利散射消光系数,εM表示米氏散射消光系数,式中同时考虑存在多种吸收气体的情况。DOAS技术的关键是将吸收截面σi(λ)分解为两部分:σi(λ)=σi0(λ)+σi(λ)(3)(3)式中σi0(λ)表示吸收截面中随波长缓慢变化的“宽带”光谱部分(低频),σi(λ)表示吸收截面中随波长快速变化的“窄带”光谱部分(高频),即差分吸收截面。定义I0(λ)为不包含差分吸收时的光强:I0(λ)=I0(λ)exp[-L(∑i(σio(λ)ci)+ε
6、R(λ)+εM(λ))]A(λ)(4)(4)式包含光谱强度的慢变化部分,即消光、大气紊乱、气体的“宽带”吸收结构以及系统传输函数等引起的光强变化。定义D′(λ)为差分吸收光谱,可以表示为:D′(λ)=lnI′0(λ)I(λ)=L·∑iσ′i(λ)·ci(5)其中,I(λ)就是测量得到的采样光谱,I′0(λ)则可通过提取出I(λ)的慢变化得到。因为差分吸收截面σ′i(λ)可由文献或实验室测量的绝对吸收截面σi(λ)计算得到,光程长L可通过激光测距等手段获得,所以只要有相应的差分吸收光谱(足够多的数据点),利用最小二乘,就可以得到各种吸收气体
7、的浓度ci。4、DOAS系统的构成整个DOAS系统主要包括:光源光发射和接收装置角反射镜石英光纤光谱仪光探测器(PDA光电二极管阵列)数据采集卡(A/D转换)配套的计算机光发射/接收单元采用开路式单端结构发射器和接收器一个带氙灯和供电装置的发射器一个捕捉光源的接收器光缆用于把接收器收到的光传输到光谱分析仪内PS150电源提供20伏特/8安培直流电给发射器使用多路器切换长、短光路接收光谱AR500分析仪测量、计算及分析的中央处理器光谱分析仪计算机二、DOAS技术测量数据处理与讨论观测资料介绍采样时间：南京市2008年4月至2008年9月资料
8、分析：利用DOAS对主要大气污染物NO2、SO2以及O3的测量结果，分析了南京市主要大气污染物的日变化规律、空气污染的“周末效应”以及与天气情况的密切关系1、污染物的日变化规律及其相互关系(1
