基于多平台DOAS技术大气光学特性参数反演算法研究及应用

发布时间：2020-11-15 13:53

　　 虽然近年来我国整体大气污染防治措施初现成效,但仍然有很多区域性污染问题严峻。及时准确获取区域大气污染信息是分析污染来源和采取防治措施的重要前提。同样,大气光学特性参数是反演大气污染物的重要输入参数,准确获取大气光学特性信息对大气污染物的准确反演具有重要意义。对此,为响应我国环保部提出的全面打赢蓝天保卫战目标,我国开展了天地空一体化立体监测系统。该系统中,基于多平台DOAS技术的大气成分探测仪器发挥了重要作用。其中,星载仪器EMI可以对全球大气成分的浓度和空间分布进行监测和分析。机载DOAS可以对较大区域、不同海拔处的大气成分实现动态研究。地基2D MAX-DOAS可以用于近地面监测,实现对特定区域对流层、平流层NO2、SO2等污染物的演变和输送过程的研究,此外,地基数据也应用于卫星监测的校验。为了提高痕量气体的反演精度,本文基于多平台DOAS技术,对云参数、地表反照率和有效光程等大气光学特性参数反演算法进行研究。本文采用自行研发的星载仪器EMI对全球大气痕量气体进行探测。由于EMI观测的是大气层顶的散射光,云的存在会影响光子路径进而对痕量气体的反演造成很大的误差。本文基于O4在477 nm处吸收带对云参数反演算法进行了研究,首先对O4SCD中出现的条带现象进行了修正,同时对反射率也进行了相关校正;然后利用SCIATRAN辐射传输模型设置不同参数和太阳几何信息模拟辐亮度以创建O4SCD和反射率的查找表,再对其转换后得到有效云量云压的查找表;最后用O4 SCD、连续反射率及相关太阳几何信息进行多维插值得到EMI有效云量和云压。为验证该算法的正确性,将EMI的结果与OMI云产品进行了比较,其中,EMI与OMI的有效云量频数分布都呈现低云量到高云量频数递减的趋势,云量为0和云量为1均出现频数高值现象,云量相关性R为0.82,相关性表现良好;云压频数分布整体较为一致,但仍然存在部分不一致的地方有待进一步研究。基于机载DOAS,本文通过在机载平台测量垂直向下与向上散射光,结合SCIATRAN辐射传输的模拟,采用迭代反演方法获得地表反照率。通过该方法研究了石家庄-保定飞行区域内,不同类型下垫面对应地表反照率的不同。此外,在350-395nm光谱波段内,分别对保定城区中心、城区中部、城区边缘三个区域地表反照率随波长的变化关系进行了分析。最后得出,在350-395nm波段内,三个区域的地表反照率均呈随着波长的增大而渐渐增大。将不同下垫面地表反照率值与中等分辨率成像光谱仪(MODIS)相比,两者结果一致性非常好。通过对不同观测区域地表反照率的比较得出,城区地表反照率大于农田,表明地表反照率可以准确反映下垫面类型。同样采用自行研制的2D MAX-DOAS在2015年6月到2016年5月期间对合肥地区对流层NO2的浓度及时空分布进行了连续监测。由于斜柱浓度是沿路径的积分浓度,不能有效的代表NO2的空间浓度信息,本研究可以根据海拔高度获取的O4浓度及反演得到的O4 SCD计算得到有效光路。结合有效光路和NO2 SCD计算得到NO2体积混合比。研究表明合肥地区NO2日变化方位分布中,NO2高浓度均分布在监测点的东部与东南部,这些方位上主要是经济开发区、工业区和主城区;低浓度均位于监测点的西北和西部方向的农田和树林区域,此结果与环保部监测情况高度一致。全年监测中四季变化分明,冬季NO2平均浓度值最大,春季和秋季较大,夏季最小。NO2在供暖季节的平均浓度是非供暖季节的1.68倍,远远大于非供暖季节。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：P427.1;X51
【部分图文】：

?第１章绪论???＼、、??！＼?＼??｜?＼?＼??气，＝、：??地私：监渊ｆｆｉ?［?＼??图１．１基于ＤＯＡＳ技术的多平台立体监测体系统示意图??１．４．１地基平台遥感监测??目前，基于ＤＯＡＳ技术建立的地基平台遥感监测手段是目前我国常见的并??己发展成熟的大气环境污染监测技术。针对大气中的不同成分对太阳光谱的吸收??特征不同，利用该技术对不同的光波段光束进行探测，最终通过ＤＯＡＳ算法反??演监测区域的气体具体成分。另外，该技术可针对性的监控大气环境中的二氧化??氮和二氧化硫分子的空间分布和浓度，同时还可对该区域内部分有害气体的成分??及其集中分布的空间位置进行监测和定位，为我国治理环境和了解污染源头提供??了重要的数据依据。??实际应用中基于被动ＤＯＡＳ技术的地基遥感观测技术就常常应用在监测对??流层痕量气体和气溶胶垂直柱浓度及垂直廓线分布信息［３３，?４２］、大气成分混合比??浓度分析、大气云层与大气气溶胶的鉴别［４３４４］，以及卫星监测和化学模型模拟的??校验。但是，地基平台遥感监测本身受空间局限性限制，独立的地基观测站点只??能针对具体的时空范围内的大气环境成分进行定点探测，无法准确的反映大范围??内大气成分的具体分布特征，更无法针对大气污染源情况追溯污染源的位置。为??应对上述系统的监控空间局限性问题，实际上可通过搭建地基网络观测点，由点??式观测连接成区域面的观测模式，最终组成大气监测网络系统，实现大范围的大??气环境实时监测。??当下，国外多个发达国家搭建的大气监测网络使用了在线ＤＯＡＳ遥测技术，??１４??

?第１章绪论???用来对小范围以及全球范围内大气污染物浓度、廓线和大气传输情况的监测。比??如，美国搭建的ＮＤＡＣＣ监测网络用来探测大气成分，可以在线查询各个网点的??监测情况，对大气环境变化状况实时把控，数据非常便捷实用。德国搭建了??ＢＲＥＤＯＭ监测网络，可以对德国国土范围内大气环境中的大气痕量气体垂直廓??线分布、大气成分柱浓度、云层和上空气溶胶进行实时动态监控。??

?第２章被动差分吸收光谱技术原理及应用???第２章被动差分吸收光谱技术原理及应用??２．１?ＤＯＡＳ基本原理??由于大气中存在的多种气体及粒子导致大气辐射传输变得复杂，所以实际大??气传输过程中不仅需要考虑分子吸收，还需要考虑多种粒子散射等现象。如图２．１??所示为辐射在介质中的衰减过程示意图。通常大气散射包括瑞利散射和米散射，??其中瑞利散射通常是大气分子（分子半径远小于入射光波长）的存在产生的，米??散射是由于气溶胶、云滴和水滴等较大粒子（粒子半径远大于入射光波长）造成??的在ＤＯＡＳ技术中，一般将瑞利散射与米散射当作吸收过程来进行计算，??其中吸收系数分别为：＆?（Ａ）＝办（Ａ）?？?ＣＷ／ｆ?（＜ｒＲ?Ａ－４，?＜７／？产４．４?ｘ?丨?０？１６?ｃｍ２ｎｍ４），??（义）＝￡ＭｒＡｎ（ｗ＝ｌ￣４）。那么，结合５而利散射、米散射消光作用以及朗伯比尔定律可??以得到：??／（Ａ）?＝?／０（Ａ）ｅｘｐ｜－￡＇?＾ｊａＪ（Ａ）ｃＪ（ｓ）?＋?ｓＲ（Ａ）?＋?￡Ｍ（Ａ）?（２．１）??式中，《为气体的种类数量，Ｌ为传输光路，ｏｒ／Ａ）和分别为第＿／种气体的??吸收截面和在传输光路ｓ处的物质浓度，＆（Ａ）和以／ｌ）分别为瑞利散射和米散射消??光系数。??八丨?＼ｈ＊ｄｈ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??ｈ?（〇）?Ｉ?Ｉ?ｈ?ａ）????？?Ｉ?Ｉ??？??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ??Ｉ?Ｉ???？！????Ｉ?Ｉ??０?ｄｓ?Ｌ??图
【参考文献】

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本文编号：2884828