徐建閣

（河南省濮陽市環(huán)境監(jiān)測站，河南 濮陽 457000）

1 引言

近年來，我國經(jīng)濟飛速發(fā)展，但環(huán)境問題也越來越突出，政府對環(huán)境保護的重要性認識越來越深刻，目前已經(jīng)開始積極轉變經(jīng)濟增長方式，環(huán)境保護與生態(tài)治理也逐漸成為我國的重點關注和研究內(nèi)容。大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術是我國針對大氣環(huán)境污染防治、應對氣候變化、改善生態(tài)環(huán)境、保障人體健康等重大需求開展的一項關鍵技術，該技術的應用對于我國的環(huán)境治理具有不可取代的重要意義。因此，筆者就我國目前現(xiàn)有的大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術進行介紹，主要包括：機載遙感監(jiān)測技術、地基遙感監(jiān)測技術、星載遙感監(jiān)測以及車載測量設備，并探究了這四大技術的應用現(xiàn)狀。

2 機載遙感監(jiān)測技術及應用

機載遙感監(jiān)測技術的原理為將監(jiān)測設備安裝到飛機上，由飛機將監(jiān)測設備帶到大氣的平流層，對不同高度的大氣污染進行監(jiān)測[1]。

目前，我國的機載遙感監(jiān)測技術已經(jīng)有了進一步的發(fā)展，有特定的飛機用于測量大氣污染，且建立了基于飛艇、飛機、氣球以及無人機等機載平臺的大氣環(huán)境空中監(jiān)測實驗系統(tǒng)，逐步實現(xiàn)對不同高度、全球區(qū)域的大氣環(huán)境的全面、長期、連續(xù)、立體、動態(tài)監(jiān)測。

2014年，我國成功研發(fā)了一種可快速獲取區(qū)域環(huán)境大氣污染成分的機載監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括機載激光雷達、機載差分吸收光譜儀和機載多角度偏振輻射計，這三種技術可以互相補充、合作監(jiān)測大氣環(huán)境中大氣氣溶膠、污染氣體、顆粒物等主要大氣成分。其中機載差分吸收光譜儀是該系統(tǒng)的關鍵，其工作原理為通過探測地物的反射光譜，利用差分吸收光譜技術獲得污染氣體的區(qū)域分布狀況，并快速地探知地面排放污染源[2]。機載激光雷達用于探測云和氣溶膠相互作用、污染區(qū)域、沙塵傳輸路徑以及大氣環(huán)境突發(fā)事件等問題，其監(jiān)測數(shù)據(jù)較星載激光雷達所獲數(shù)據(jù)更為精確，可以解決星載激光雷達信噪比偏低的問題，是星載激光雷達的有效補充及進行技術驗證和數(shù)據(jù)對比的重要平臺。

3 地基遙感監(jiān)測技術及應用

地基遙感監(jiān)測技術是我國常見的并逐漸成熟的大氣污染監(jiān)測技術，主要包括被動差分吸收光譜技術(DOAS)、被動傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR)、多波段光度計遙感、微波輻射計遙感等。該技術利用地基監(jiān)測平臺，通過大氣不同成分對太陽光譜的吸收不同，且針對不同的光束進行反射的原理進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測，得出監(jiān)測區(qū)域的大氣中的主要氣體成分。

目前，我國地基遙感監(jiān)測技術的最新發(fā)展為DOAS技術的研發(fā)和應用，該技術可以對大氣環(huán)境中的SO2和CO2進行針對性的監(jiān)測，在地基站還可以監(jiān)測大氣有害氣體的含量及其集中分布的位置，為我國治理有害氣體和環(huán)境污染提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

3.1 被動DOAS技術

被動DOAS技術的工作原理為監(jiān)測大氣中不同氣體的吸收太陽光譜的截面，并反演各種痕量氣體的含量[3]。目前，中國正在開展主動DOAS技術、地基被動DOAS技術、機載和星載DOAS技術的研究。

3.2 傅里葉變換紅外光譜技術(FTIR)

傅里葉變換紅外光譜技術指的是通過測量干涉圖和對干涉圖進行傅里葉變化的方法來測定紅外光譜。傅里葉變換紅外光譜技術主要具有監(jiān)測信號傳輸路徑多、監(jiān)測精確度高、分辨率高、波段寬等優(yōu)點，如今在環(huán)境監(jiān)測中的應用十分廣泛，尤其適用于測量和鑒別污染嚴重的大氣成分、有機物或酸類以及溫室氣體等。

3.3 激光雷達監(jiān)測技術

激光雷達監(jiān)測技術的工作原理為利用激光對大氣光學、物理特性、氣象參數(shù)進行連續(xù)、高時空的監(jiān)測，從而獲得監(jiān)測區(qū)域中大氣三維數(shù)據(jù)的分布狀況。激光雷達監(jiān)測技術具有監(jiān)測精度高、時空分辨率高、可長期連續(xù)測量等優(yōu)勢，如今已被廣泛應用到大氣傳輸、全球氣候預測、氣溶膠氣候效應等研究中。

目前，激光雷達技術有了新一步的發(fā)展，其硬件設備和算法進一步完善，在激光光源、發(fā)射與接收光學、信號探測與采集等方面取得了不錯的發(fā)展，激光雷達的探測功能逐漸多樣化，由僅能夜晚監(jiān)測轉變?yōu)槿毂O(jiān)測，并且逐漸實現(xiàn)商業(yè)化。

同時，激光雷達監(jiān)測技術的監(jiān)測范圍不斷擴大，氣溶膠等大氣成分的監(jiān)測精度不斷提升，并且減少了監(jiān)測盲區(qū)，尤其是在霧霾治理中起到了重要作用。目前，國際上建立了多個區(qū)域性地基激光雷達觀測網(wǎng)。激光雷達平臺由地基、車載發(fā)展到機載和星載，其監(jiān)測大氣氣體的范圍從局域逐漸拓展到區(qū)域。

4 星載遙感監(jiān)測技術及其應用

衛(wèi)星遙感技術的原理為利用衛(wèi)星根據(jù)不同化學物質的吸收特性反演大氣主要化學物質的濃度及分布狀況，反映大氣的整體狀況。衛(wèi)星遙感技術具有全球覆蓋、快速、多光譜、大信息量的特點，在大氣監(jiān)測工作中發(fā)揮著不可替代的重要作用。衛(wèi)星遙感技術能夠反映污染物在大氣層的水平分布狀況，可用于污染氣體的傳輸和排放研究。中國科學院研發(fā)的“載荷”氣體差分吸收光譜儀致力于監(jiān)測 CH4、NOx、氣溶膠、SO2、O3和痕量氣體等主要大氣成分。

5 車載測量技術及其應用

車載測量技術指的是將監(jiān)測設備放置在車輛上，將車輛行駛到某一需要監(jiān)測的特定區(qū)域進行監(jiān)測[4]。車載設備常用于有主導風向天氣下的大氣污染物監(jiān)測，常用于監(jiān)測的區(qū)域為工業(yè)區(qū)。此方法監(jiān)測時，污染物易受到風力影響發(fā)生轉移，因此給監(jiān)測大氣污染物帶來不小的難度。車載測量設備的原理是通過特定污染物監(jiān)測設備得到數(shù)據(jù)，結合氣象參數(shù)，如風速、風向數(shù)據(jù)，以及GPS系統(tǒng)得到的該區(qū)域的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)等計算得到污染氣體的實際排放量。

車載測量技術通常有兩種監(jiān)測模式:一是閉合路徑監(jiān)測模式，主要用于周圍有可供車輛通過的閉合道路的監(jiān)測區(qū)域，該方式測量到的污染氣體排放量較為準確；二是下風口監(jiān)測模式，主要用于周圍沒有可供車輛通過的閉合道路的監(jiān)測區(qū)域，這時若該區(qū)域的風速比較穩(wěn)定，那么該區(qū)域的污染氣體幾乎都會被吹到下風向。因此，利用下風口監(jiān)測模式得到的污染氣體排放量是最接近該區(qū)域的實際污染氣體排放量的。目前，該技術的應用主要為監(jiān)測工業(yè)園區(qū)NO2等污染氣體的煙羽及擴散過程，為該區(qū)域的減排工作提供科學的數(shù)據(jù)依據(jù)。

6 結語

大氣環(huán)境關系到人類的身體健康和經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，環(huán)境治理問題是我國急需解決的重要問題，大氣環(huán)境立體監(jiān)測是開展環(huán)境治理的一項前置技術，對此，我國應大力開展此項工作，加大大氣立體監(jiān)測技術研發(fā)的支持力度。同時，對于現(xiàn)有的機載遙感監(jiān)測技術、地基遙感監(jiān)測技術、星載遙感監(jiān)測以及車載測量設備等大氣環(huán)境立體監(jiān)測技術要繼續(xù)優(yōu)化和應用，從而進一步推動我國環(huán)境監(jiān)測體系的完善和發(fā)展。