基于被动DOAS的上海城区NO2和气溶胶污染的反演研究

摘要

地基被动散射光DOAS作为一种光谱遥测方法，能够成功地测量大气平流层、对流层中痕量气体的整层柱密度，是全面监测和评估区域大气污染状况的有效手段。随着机动车的快速增加和能源利用的逐步转变，上海地区大气中气态污染物和颗粒物并存，呈现出复合型污染的特点，大气环境问题不容乐观，成为学界的研究热点之一。本论文通过地基被动DOAS观测，对上海城区NO2和气溶胶污染的反演方法展开研究，为了解上海地区大气复合污染特征提供了新的手段。论文详细介绍了多轴DOAS和移动天顶散射光DOAS技术的原理，系统设计、搭建和工作方式;进行多参数的大气质量因子模拟敏感性分析;探索气溶胶光学性质、污染类型和边界层高度等反演方法，并将相关结果应用于对流层NO2垂直柱密度反演精度的提高;与GOME-2、OMI卫星对流层NO2产品进行比对;利用车载移动DOAS遥测区域NO2、NOx污染物排放量。主要研究内容和结论如下:
　　(1)识别大气质量因子AMF的影响因素，敏感性分析表明观测几何（太阳天顶角、相对方位角、观测俯仰角）、地表反照率、计算波长、边界层气溶胶和痕量气体剖面等参数都会对AMF模拟结果产生影响。由于观测几何由实验测量得到，城市下垫面地表反照率波动也较小，所以气溶胶荷载和NO2垂直廓线是AMF模拟的主要影响因素，特别是在计算对流层NO2 AMF时，不同的气溶胶参数化方式和荷载使得模拟结果相差巨大。
　　(2)参数化气溶胶消光系数分布，建立多维的气溶胶-O4 AMF查算表。根据多轴DOAS观测的各角度O4斜程吸收，基于IDL语言平台实现气溶胶参数的反演算法，得到气溶胶消光系数、边界层高度等返回值;其中边界层高度反演结果与微脉冲激光雷达观测值、NECP-GADS模拟值具有较高的一致性;边界层高度日变化趋势为上午迅速抬升，在11:00-14:00间达到最大并保持稳定，16:00开始再次降低;研究区域夏季的最大边界层高度和边界层日变化幅度均大于其他季节。
　　(3)各种天气条件下，天顶方向的可见波段O4和H2O斜程吸收均具有很好的相关性。H2O DSCDs与水汽含量密切相关，并与相对湿度、露点表现出很好的一致性;受上海地区气候特征的影响，O4和H2O吸收的相关性斜率值及其波动在夏季最小。根据O4和H2O吸收相关性的变化，对不同类型气溶胶污染事件的响应进行分析:发生沙尘污染时，大粒径沙尘粒子增加了光线多次散射，使得散射光光程增大，但由于水汽含量极低，所以H2O吸收大大减少，两者相关性斜率会增大;在灰霾污染情况下，水汽含量增大对H2O DSCDs的作用更强于光程增加对两者吸收的影响，所以相关性斜率表现为减小。
　　(4)在对流层NO2 AMF模拟的参数设定中使用边界层高度反演结果，提高了对流层NO2柱密度反演的准确性。复旦大学观测点的对流层NO2 VCD明显受机动车等人为排放源影响，日变化表现出早、晚高峰出现高值，中午处于低值;周末日均值低于工作日。通过不同卫星和不同网格大小的横向比对，确定100 km、50 km空间分别作为GOME-2、OMI的网格，用于与地基观测结果进行对比;对流层NO2 VCD地基观测值分别是GOME-2/DLR、OMI/TEMI产品的2.36±1.45、1.60±0.73倍;通过与低污染的背景区域比较，表明卫星网格内污染源强度分布不均，以及地基观测点处于高污染区域是导致地、空对流层NO2 VCD差距较大的主要原因;此外，与OMI/TEMI产品的相关系数和绝对值对比结果均要好于与GOME-2产品的对比，所有天气情况、晴天条件下的相关性系数分别达到0.85、0.95。
　　(5)对上海市内环高架和世博园区的移动DOAS绕行观测，移动DOAS技术测得的NO2垂直柱密度与GOME-2卫星、世博园区内传统点式仪器的观测结果均具有很好的相关性。NO2垂直柱密度的时间变化和空间分布特点说明中心城区主要是机动车源，受到人为活动、车流量和机动车运行工况，以及风场条件等影响。基于连续性方程原理，对应用移动DOAS技术估算区域污染物排放量的适用条件进行了定义;通过O4柱密度信息对存云和气溶胶带来多次散射等不利条件进行甄别;估算得到2009年秋季、2010年春季和秋季，内环区域的NO2平均排放量分别为2.1±0.9 ton/h、2.8±1.4 ton/h和2.7±1.4 ton/h;2009年、2010年上海中心城区机动车源NOx的年排放量分别是（2.3±1.0）×104 ton、（3.0±1.5）×104 ton，以及上海全市的机动车源NOx的年排放量分别为(13.4±5.9)×104 ton、(17.6±8.4)×104 ton。

目录

摘要

主要缩略语一览表

第一章 绪论

1．1 对流层中的氮氧化物

1．1．1 对流层NOx的化学过程

1．1．2 NOx的源、汇

1．1．3 NOx的排放及研究

1．2 大气气溶胶

1．2．1 大气气溶胶及其影响

1．2．2 气溶胶光学性质及研究进展

1．3 差分光学吸收光谱技术

1．3．1 主动DOAS技术

1．3．2 被动DOAS技术

1．4 研究目的和主要内容

1．4．1 研究意义与目的

1．4．2 研究主要内容

1．4．3 创新点与特色

第二章 差分光学吸收光谱法和实验观测

2．1 差分光学吸收光谱法

2．1．1 基本原理

2．1．2 散射光被动DOAS

2．2 移动DOAS观测

2．2．1 系统组成

2．2．2 观测结果

2．3 多轴DOAS观测

2．3．1 系统组成

2．3．2 观测结果

2．4 光谱处理

2．4．1 测量光谱校准

2．4．2 标准吸收截面

2．4．3 斜程柱密度反演

2．5 本章小结

第三章 大气辐射传输及敏感性研究

3．1 大气散射和辐射传输

3．1．1 瑞利散射(Rayleigh Scattering)

3．1．2 拉曼散射(Raman Scattering)

3．1．3 米散射(Mie Scattering)

3．1．4 大气辐射传输

3．2 大气质量因子(AMF)

3．3 SCIATRAN模式

3．3．1 模式运行环境

3．3．2 模型结构

3．3．3 模型应用

3．4 AMF影响因子敏感性研究

3．4．1 观测几何参数

3．4．2 地表反照率

3．4．3 波长参数

3．4．4 气溶胶参数

3．5 本章小结

第四章 气溶胶光学性质与污染类型的反演研究

4．1 气溶胶光学性质反演原理与方法

4．1．1 多轴DOAS反演气溶胶的原理

4．1．2 技术方法

4．2 气溶胶-O4 AMF查算表

4．2．1 气溶胶消光廓线参数化

4．2．2 查算表建立

4．3 气溶胶光学性质反演研究

4．3．1 反演示例

4．3．2 边界层高度反演结果

4．4 气溶胶污染类型的反演研究

4．4．1 气溶胶污染类型反演的理论基础

4．4．2 实验观测与数据结果

4．4．3 不同气溶胶污染类型的研究

4．5 本章小结

第五章 多轴DOAS观测对流层N02研究

5．1 对流层NO2垂直柱密度的反演方法研究

5．1．1 多轴DOAS反演对流层NO2 VCD

5．1．2 NO2 AMF模拟

5．2 上海城区NO2 VCDtrop时间变化特征

5．3 与卫星对流层NO2 VCD产品对比

5．3．1 卫星产品及处理方法

5．3．2 卫星产品间对比结果

5．3．3 MAX-DOAS与卫星对流层NO2 VCD产品对比

5．4 本章小结

第六章 上海城区机动车NOx排放研究

6．1 上海市内环道路上空NO2垂直柱密度

6．1．1 对流层NO2垂直柱密度反演

6．1．2 NO2垂直柱密度日均值

6．2 NO2垂直柱密度空间分布特征

6．2．1 空间分布特征及影响因素

6．2．2 世博园区道路上空NO2柱密度

6．3 内环区域内机动车NOx排放量

6．3．1 估算原理与方法

6．3．2 风场条件和修正

6．3．3 NO2排放量和误差分析

6．3．4 机动车源NOx排放量和误差分析

6．4 本章小结

第七章 结论和展望

7．1 主要结论

7．2 工作展望

参考文献

致谢

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