CN111089846A - 一种机载与车载doas同步观测的污染源排放通量测量方法 - Google Patents

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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
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Abstract

本发明公开了一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，包括：步骤1、进行机载和车载DOAS系统的同步走航观测；步骤2、利用光谱反演获得区域NO2浓度分布情况及扩散趋势；步骤3、分析机载和车载观测结果的相关性，进行数据匹配；步骤4、使用辐射传输模型将斜柱浓度转化为垂直柱浓度，并进一步得到NO2总排放通量；步骤5、根据实时风场数据，通过高斯拟合得到初始排放的NO浓度和NO2占比；步骤6、结合大气中NOx衰减模型，推导出NOx衰减情况；步骤7、综合以上结果，最后得到NOx的总排放通量。本发明更有利于对污染扩散趋势的掌握；利用机载和车载同步观测方法，修正了NOx在大气中的衰变，提高了探测精度。

Description

一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法
技术领域
本发明涉及污染源排放通量光学遥测的技术领域，具体涉及一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法。
背景技术
差分吸收光谱技术是目前对大气污染监测研究的有效手段，对于评估和预测特定区域空气质量和污染程度具有重要作用。国内外研究机构利用DOAS系统对污染源排放情况进行了相关测量。利用车载或机载DOAS评估污染源的排放通量，其误差来源主要有两种，最主要的是风场的影响，包括风速和风向的变化，其次是氮氧化物在空气中的化学传输和寿命。之前的方法中考虑了风场和气体寿命等影响因素对大气污染物排放通量的影响，但对实时气体衰变对排放通量的计算缺乏实时的监测和有效的数据支持，同时部分观测方法中关于污染气体氮氧化物各成分占比清单缺乏实际测算。
发明内容
针对现有方法存在的上述问题，现提供一种利用车载和机载光谱仪对污染区域进行协同观测的方法。本发明利用车载便携式DOAS系统围绕污染源进行移动闭环观测，获取每个观测点处的污染强度，同时结合机载观测，获得当地NO2浓度衰变情况，并利用氮氧化物在大气中的化学衰减模型以及风场等信息获取排放物中氮氧化物各成分(NO2，NO)占比等辅助信息，可以更好的获得面积源的排放通量，尤其对于电厂、工厂等固定污染源，实现对NO2和NOx排放的更为精准的量化。此方法可推广至其它污染气体的排放通量观测。
本发明采用技术方案如下：一种基于机载和车载被动差分吸收光谱技术同步测量区域大气污染气体排放通量的方法，包括如下步骤：
步骤1、进行机载和车载DOAS系统的同步走航观测；
步骤2、利用光谱反演获得区域NO2浓度分布情况及扩散趋势；
步骤3、分析机载和车载观测结果的相关性，进行数据匹配；
步骤4、使用辐射传输模型将斜柱浓度转化为垂直柱浓度，并进一步得到NO2总排放通量；
步骤5、根据实时风场数据，通过高斯拟合得到初始排放的NO浓度和NO2占比；
步骤6、结合大气中NOx衰减模型，推导出NOx衰减情况；
步骤7、综合以上结果，最后得到NOx的总排放通量。
进一步地，所述的测量区域大气污染气体排放通量的方法可用于NOx气体的观测，也可用于其它污染气体监测；
进一步地，所述的测量区域大气污染气体排放通量的方法是一种被动光学遥测方法。
进一步地，所述的机载和车载同步测量污染气体排放通量的方法，所述的机载和车载观测为同步同区域综合观测，车载采用天顶被动DOAS系统，机载采用对地推扫成像DOAS系统。
进一步地，所述的机载和车载同步测量污染气体排放通量的方法，所述的光谱反演采用机载天顶观测光谱为参考谱。
进一步地，所述的机载和车载同步测量污染气体排放通量的方法，所述的机载和车载观测结果进行分辨率和地理信息的匹配，相关性达到较高要求。
进一步地，所述的机载和车载同步测量污染气体排放通量的方法，所述的辐射传输类型为球形模式，结合标量离散纵坐标法进行计算，并考虑气溶胶和云的影响。
进一步地，所述的机载和车载同步测量污染气体排放通量的方法，所述的实时风场结合幂指数廓线计算风速。
进一步地，所述的机载和车载同步测量污染气体排放通量的方法，所述的NO2占比需利用化学反应速率结合飞机观测数据进行测算。
进一步地，所述的机载和车载同步测量污染气体排放通量的方法，所述的NOx衰减情况利用风廓线信息和车载测量的实时风速数据进行计算。
本发明的有益效果：
(1)结合了机载扫描范围大和车载探测空间分辨率高的优点，更有利于对污染扩散趋势的掌握；
(2)利用机载和车载同步观测方法，修正了NOx在大气中的衰变，提高了探测精度。
附图说明
图1为本发明的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种基于机载和车载被动差分吸收光谱技术同步测量区域大气污染气体排放通量的方法，包括如下步骤：
步骤1、进行机载和车载DOAS系统的同步走航观测；
对于机载光谱仪采集单元，光谱仪通过探测镜头完成天顶方向和天底方向上的光谱采集工作，分别实现参考谱和测量谱的测量，后由光纤将采集的光信号传导至成像光谱仪中，经色散元件将辐射源的电磁辐射分离到特定波长区域，并在选定的波段内进行强度测定，由CCD将光信号转换为电信号，最后由控制单元对定位模块的空间位置信息和光谱采集模块的光谱信息进行匹配并存储。
车载便携式成像系统由光谱采集模块、GPS定位模块组成。其中光谱采集模块由光谱仪、望远镜和采集工作台等组成，望远镜采用的是直径30mm、焦距69mm的凸透镜。光谱仪采用的是海洋光谱仪(Maya2000 Pro)，该光谱仪采用FFT-CCD探测器，太阳散射光经大气吸收和散射，通过镜头采集后，经光纤传导至光谱仪，后由CCD转化为电信号进行数据保存。
步骤2、利用光谱反演获得区域NO2浓度分布情况及扩散趋势；
对于车载观测的光谱反演，采用DOAS技术对天顶采集光谱进行分析和反演，获取NO2柱浓度。DOAS探测大气中微量气体含量的基本原理是基于朗伯比尔定律(Lambert–Beer's law)，基本思想是从吸收光谱中分离出宽波段和窄波段的光谱结构，得到分子窄带吸收造成的衰减。当光穿过大气层时，由于气体的吸收和大气分子以及气溶胶的散射作用，导致透射光强衰减，通过滤波去除瑞利散射和米散射等造成的随波长的慢变化即宽带吸收后，拟合得到被测气体的浓度。反演波段设置为356-376nm，分析过程中考虑的吸收截面包括CHCO，NO2，O3，O4，同时拟合中也加入了由校正波长和狭缝函数生成的ring谱作为一种吸收截面。参考谱选用的为同一时间段内远离观测区域且在上风向所获得的洁净观测谱。
对于机载观测的光谱反演，同样采用DOAS算法，探测大气中NO2的含量。由于实际反演过程中所选的参考谱为“洁净”区域的天顶谱，所以利用DOAS技术所评估的浓度为差分斜柱浓度(Differential Slant ColumnDensities，简记为DSCD)。
步骤3、分析机载和车载观测结果的相关性，进行数据匹配；
对机载观测数据与地面观测数据进行相关性分析。车载观测数据以10次采集间隔进行采样平均，机载观测数据分别以车载采样点周围20m和36m为半径进行浓度平均。车载观测运行路径被机载观测的单次测量路径所覆盖。
步骤4、使用辐射传输模型将斜柱浓度转化为垂直柱浓度，并进一步得到NO2总排放通量；
由于光在大气传输的过程中会经过多次散射或折射，为便于分析和评估，需将反演获得的差分斜柱浓度转换为垂直柱浓度(Vertical Column Densities，简记为VCD)，因此引入大气质量因子(Air Mass Factor，简记为AMF)。AMF定义为沿光的平均散射路径，光学特性较薄的吸收气体的斜柱浓度与垂直柱浓度之比，即VCD＝DSCD/AMF。采用大气辐射传输模型SCIATRAN对AMF进行计算，主要参数设置如下：
1)辐射传输计算模式采用”amf”大气质量因子计算方式。
2)辐射传输类型为球形模式，结合标量离散纵坐标法进行计算。
3)线性吸收体廓线方案采用模型中对应时间和经纬度的温湿压及痕量气体廓线信息。
4)模型几何设置中的太阳天顶角利用地日光学几何模型，结合实时经纬度和时区时计算获得。
此外，反演VCD过程中，需要考虑气溶胶和云的影响。
步骤5、根据实时风场数据，通过高斯拟合得到初始排放的NO浓度和NO2占比；
在生物质燃烧的过程中，生成的氮氧化物主要成分是NO，只有少量部分的NO2产生。本方法利用化学反应速率结合飞机观测数据对NO2的排放比例进行测算。NO2的浓度变化率由机载观测值获取，同时利用NO2寿命指数与高斯函数卷积对观测值进行拟合，利用NO2的浓度在达到最大值时的平均变化速率，得到初始排放的NO柱浓度，同时获得初始排放的NO2占比。
步骤6、结合大气中NOx衰减模型，推导出NOx衰减情况；
利用车载测量的实时风速以及从气象数据中获取的当地风向图，采用幂指数廓线，测算出风廓线信息，结合大气中NOx衰减模型，得到NOx衰减情况。
步骤7、综合以上结果，最后得到NOx的总排放通量。
区域内NOx排放量计算来自于对污染源周围闭环的观测。为了评估NOx的排放，利用机载观测对该区域内NOx在大气中的衰减速率进行测定，同时结合大气化学模型对NOx的源排放进行校正。
通过车载DOAS对污染源的环绕监测，原则上可以利用NOx与NO2的关系，获取NOx的排放通量：
Figure BDA0002337508570000051
其中，cL表示的是NOx转换为NO和NO2的校正因子，即为大气中NOx和NO2的比率。cτ表示NOx降解的校正因子，即NOx从排放源输运到探测点处的降解率，与NOx在大气中的寿命τ有关。利用上式得到校正后的NOx总排放通量。

Claims (10)

1.一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、进行机载和车载DOAS系统的同步走航观测；
步骤2、利用光谱反演获得区域NO2浓度分布情况及扩散趋势；
步骤3、分析机载和车载观测结果的相关性，进行数据匹配；
步骤4、使用辐射传输模型将斜柱浓度转化为垂直柱浓度，并进一步得到NO2总排放通量；
步骤5、根据实时风场数据，通过高斯拟合得到初始排放的NO浓度和NO2占比；
步骤6、结合大气中NOx衰减模型，推导出NOx衰减情况；
步骤7、综合以上结果，最后得到NOx的总排放通量。
2.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的测量区域大气污染气体排放通量的方法可用于NOx气体的观测，也可用于其它污染气体监测。
3.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的测量区域大气污染气体排放通量的方法是一种被动光学遥测方法。
4.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的机载和车载观测为同步同区域综合观测，车载采用天顶被动DOAS系统，机载采用对地推扫成像DOAS系统。
5.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的光谱反演采用机载天顶观测光谱为参考谱。
6.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的机载和车载观测结果进行分辨率和地理信息的匹配，相关性达到较高要求。
7.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的辐射传输类型为球形模式，结合标量离散纵坐标法进行计算，并考虑气溶胶和云的影响。
8.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的实时风场结合幂指数廓线计算风速。
9.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的NO2占比需利用化学反应速率结合飞机观测数据进行测算。
10.如权利要求1所述的一种机载与车载DOAS同步观测的污染源排放通量测量方法，其特征在于：所述的NOx衰减情况利用风廓线信息和车载测量的实时风速数据进行计算。
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