我國大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

陳業(yè)強(qiáng)?黃碧燕

摘 要：近年來，我國對(duì)于環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約加大力度進(jìn)行改善，已經(jīng)取得了非常不錯(cuò)的成績。大氣環(huán)境是一個(gè)十分復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，大氣氣溶膠及其氣態(tài)前體物、大氣成分及環(huán)境要素分布在從大氣邊界層、對(duì)流層到平流層的垂直空間里，具有顯著的時(shí)間和空間變化特征以及典型的地理環(huán)境氣候區(qū)域特征，影響著空氣質(zhì)量、氣候變化。提高大氣環(huán)境的監(jiān)測(cè)技術(shù)水平，發(fā)展遙感觀測(cè)手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣環(huán)境的在線、快速、立體探測(cè)。

關(guān)鍵詞：大氣環(huán)境;立體監(jiān)測(cè)

我國自改革開放發(fā)展至今已經(jīng)取得了非常不錯(cuò)的成績，隨著而來的是環(huán)境污染嚴(yán)重的問題。目前用于大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的技術(shù)主要有光學(xué)技術(shù)、質(zhì)譜技術(shù)和色譜技術(shù)等.其中基于光學(xué)原理的在線立體監(jiān)測(cè)技術(shù)，由于具有非接觸、無采樣、高靈敏度、大范圍快速監(jiān)測(cè)、遙感等特點(diǎn)，是國際上環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)的主要發(fā)展方向之一。

一、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的目的

1.對(duì)大氣環(huán)境實(shí)施監(jiān)測(cè)，可以幫助我們及時(shí)了解當(dāng)前的大氣環(huán)境狀況，對(duì)于環(huán)境保護(hù)、預(yù)防環(huán)境災(zāi)害具有巨大的幫助作用，可以使人們?cè)诖髿猸h(huán)境不好的情況下避免外出活動(dòng)。

2.大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)，可依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)了解污染程度，為有效解決污染問題提供依據(jù)。同時(shí)可為制定改善大氣質(zhì)量措施，有效解決各種環(huán)境問題提供參考?？傊?，大氣環(huán)境污染監(jiān)測(cè)，是有效保護(hù)大氣環(huán)境的必要條件，我們應(yīng)該予以重視。

二、技術(shù)進(jìn)展

基于光學(xué)原理的大氣環(huán)境在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種新興技術(shù)，結(jié)合了環(huán)境科學(xué)、大氣光學(xué)、光譜學(xué)等學(xué)科，利用光學(xué)中的吸收光譜、發(fā)射光譜、光的散射以及大氣輻射傳輸?shù)确椒ㄑ芯凯h(huán)境污染的機(jī)理及監(jiān)測(cè)防治技術(shù)，圖1是痕量氣體在紫外-可見-紅外-激光波段的特征光譜例子，光譜特征數(shù)據(jù)庫是發(fā)展環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)，光譜數(shù)據(jù)分析方法是能否成功研發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的核心。

三、大氣環(huán)境立體監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.車載測(cè)量技術(shù)。在存在主導(dǎo)風(fēng)向的天氣下，如果將監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝載于車上，圍繞某一區(qū)域周圍測(cè)量，結(jié)合氣象儀器提供的風(fēng)速、風(fēng)向信息，GPS系統(tǒng)提供測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度位置信息，通過計(jì)算就可以監(jiān)測(cè)出該區(qū)域的有害氣體排放通量.實(shí)際車載測(cè)量中，出于精確測(cè)量氣體擴(kuò)散場(chǎng)的考慮，需要根據(jù)車載的風(fēng)速儀實(shí)測(cè)地面風(fēng)速來估算風(fēng)廓線，利用經(jīng)驗(yàn)公式并考慮煙羽擴(kuò)散模式。

2.機(jī)載遙感監(jiān)測(cè)。在地基遙感技術(shù)快速發(fā)展并逐漸成熟的基礎(chǔ)上，借助于機(jī)載平臺(tái)的大氣環(huán)境遙感載荷也開始發(fā)展起來.需要建立大氣環(huán)境立體探測(cè)的空中實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括飛艇、飛機(jī)、氣球以及無人機(jī)等的遙感監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多時(shí)空尺度全面長期連續(xù)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)積累，逐步形成對(duì)大氣系統(tǒng)的立體、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)分析能力.開展大氣不同高度的大氣物理化學(xué)過程研究，以及從區(qū)域尺度到全球尺度的系統(tǒng)觀測(cè)測(cè)量研究。

3.星載遙感監(jiān)測(cè)。衛(wèi)星遙感技術(shù)以其獨(dú)特的全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的特點(diǎn)在環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢(shì).根據(jù)不同化學(xué)物質(zhì)的吸收特性反演大氣主要化學(xué)物質(zhì)的濃度及分布狀況。

四、應(yīng)用示范

1.在大氣灰霾形成過程監(jiān)測(cè)方面。主要是以煙霧箱模擬和大氣環(huán)境下光化學(xué)中間過程物監(jiān)測(cè)為主。煙霧箱是認(rèn)識(shí)實(shí)際大氣中復(fù)雜光化學(xué)機(jī)制必不可少的科學(xué)裝置，可分為室內(nèi)和室外煙霧箱。為了構(gòu)建“外場(chǎng)觀測(cè)、大型煙霧箱模擬和數(shù)值模擬”的閉合鏈條，在大氣光化學(xué)中間過程監(jiān)測(cè)與分析過程中，開展大氣氧化性自由基的測(cè)量與相關(guān)研究對(duì)于認(rèn)識(shí)區(qū)域性和全球性大氣光化學(xué)復(fù)合污染、大氣灰霾形成機(jī)制十分重要。

2.生態(tài)系統(tǒng)痕量氣體激光在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于大型生態(tài)系統(tǒng)，由于下墊面的非均一性及天氣過程的不可重復(fù)性，痕量氣體的分布存在較大的時(shí)空差異，通過開放式生態(tài)系統(tǒng)痕量氣體在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，可以實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率、高靈敏度的大尺度痕量氣體濃度的在線監(jiān)測(cè).實(shí)際運(yùn)用中，利用高頻波長掃描技術(shù)改善大氣湍流對(duì)激光吸收光譜造成的影響，并結(jié)合參考校準(zhǔn)光譜，實(shí)現(xiàn)氣體濃度的長期穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

五、發(fā)展趨勢(shì)

1.突破大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)。發(fā)展大氣污染形成過程中關(guān)鍵物種（VOCs、大氣新粒子化學(xué)成分、自由基等）的準(zhǔn)確、快速監(jiān)測(cè)技術(shù);突破對(duì)流層、平流層地基、機(jī)載大氣成分和大氣參數(shù)的遙測(cè)技術(shù);實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣PM2.5化學(xué)組分、光化學(xué)煙霧及其前體物和中間產(chǎn)物提供監(jiān)測(cè)技術(shù)解決方案和成套裝備.構(gòu)建大氣污染源排放綜合監(jiān)測(cè)、大氣復(fù)合污染及其前體物立體觀測(cè)、以及大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量控制等大氣污染監(jiān)測(cè)技術(shù)體系。

2.建立先進(jìn)的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)創(chuàng)新研究平臺(tái)。利用地基MAX-DOAS（多軸差分吸收光譜儀）和大氣細(xì)顆粒物探測(cè)激光雷達(dá)等設(shè)備，建設(shè)“灰霾及其前體物立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)”，開展SO2，NOx，HCHO（甲醛）等大氣細(xì)顆粒氣態(tài)前體物和顆粒物PM10（可吸入顆粒物）/PM2.5的垂直總量和廓線的監(jiān)測(cè)研究，將彌補(bǔ)目前環(huán)保監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)單一地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的不足，為研究灰霾的形成、演變和區(qū)域輸送規(guī)律、開展霧霾準(zhǔn)確預(yù)報(bào)提供技術(shù)手段.逐步建立地球表面至平流層重要大氣成分（O3，CO2，水汽，CH4，SO2，NOx，氣溶膠，痕量氣體等）和有關(guān)氣象環(huán)境要素參數(shù)（溫度、風(fēng)場(chǎng)等）探測(cè)體系，通過多平臺(tái)，多波長、主被動(dòng)結(jié)合的方式，獲得高分辨時(shí)空分布數(shù)據(jù)庫。

3.建設(shè)大氣環(huán)境探測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施.針對(duì)我國大氣復(fù)合污染防治研究，建設(shè)我國自己的大氣環(huán)境探測(cè)與模擬實(shí)驗(yàn)研究設(shè)施，形成從實(shí)驗(yàn)室微觀機(jī)理研究到模擬大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)，再到外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證的有機(jī)閉環(huán)鏈條，揭示我國城市和區(qū)域尺度的大氣復(fù)合污染形成機(jī)理并量化其環(huán)境影響，建立符合中國特點(diǎn)的相關(guān)污染模式，從而預(yù)測(cè)我國不同區(qū)域背景下大氣環(huán)境復(fù)合污染及其環(huán)境效應(yīng)的發(fā)展趨勢(shì)并提出控制思路，為國家和地方制定有效的控制戰(zhàn)略提供科技支撐.總之，只有發(fā)展特殊技術(shù)并綜合多種技術(shù)集成，才能滿足環(huán)境污染及其變化的各種需求，并推動(dòng)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器向更高精度、更多成分、更大范圍、更加實(shí)用發(fā)展。

六、結(jié)語

大氣環(huán)境人們的生活息息相關(guān)，保護(hù)大氣環(huán)境是每一個(gè)公民的責(zé)任和義務(wù)。我們?cè)诩訌?qiáng)對(duì)大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的同時(shí)，應(yīng)不斷完善監(jiān)測(cè)內(nèi)容，從做好大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)工作開始，努力提升環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)和質(zhì)量。依據(jù)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，及時(shí)掌握我國大氣環(huán)境現(xiàn)狀，以制定相關(guān)的保護(hù)措施。在大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，有效保護(hù)大氣環(huán)境，使大氣環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、環(huán)境的和諧發(fā)展目標(biāo)。

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