我国大气环境监测现状简析

我国大气环境监测现状简析

吴迪

徐州徐测环境检测有限公司221002

摘要：随着我国社会经济的发展，社会大众对于大气的质量要求越来越高。特别是近几十年来国家发展模式往往采用较为粗放的发展模式，对于生态环境的保护不够重视，当前巨大的空气问题已经成为社会与政府发展的重点。本文对我国大气环境监测现状进行了分体，并且介绍了相关的检测技术，对未来大气检测发展进行了简析，以供参考。

关键词：大气监测；检测技术；大气环境

1发展现状

自工业文明以来，从近地面的边界层到平流层的大气成分(痕量气体、温室气体、气溶胶等)发生了显著变化，这些变化对空气质量、气候变化产生深远的影响.中国目前面临着复合性、区域性大气污染问题[1]，O3和细颗粒物浓度较高，成为可持续性发展的瓶颈.大气环境污染物的形成、转化、输送和演变过程具有极强的时空相关性，治理大气环境污染的重点和难点是如何有效控制细颗粒物和O3的浓度以及其重要的相关前体物，如NOx，VOCs，CO，SO2，NH3等.大气环境研究的基本手段有外场观测、实验室模拟和数值模拟.其中外场立体观测是大气环境研究的基础，不仅可以实时地了解大气污染物浓度的时空分布和变化规律，从中找出化学转化机制和相互关系，为模式验证取得现场数据，而且由于大气环境过程复杂，在现场观测的基础上，立体观测结合模式计算能够了解污染物在环境中的分布和变化趋势，进而开展预测和评估.因此，如何利用先进的大气探测技术来满足在高灵敏、高分辨时空分布、多组分排放、跨区域传输、过程演变等方面的监测需求，为模型计算、卫星校正等提供准确、实时的有效数据，是研究区域大气复合污染形成的物理化学机制和大气污染防治的基本要求，也是全面掌握大气污染状况、发展态势和环境管理的支柱.

目前用于大气环境污染监测的技术主要有光学技术、质谱技术和色谱技术等.其中基于光学原理的在线立体监测技术，由于具有非接触、无采样、高灵敏度、大范围快速监测、遥感等特点，是国际上环境立体监测技术的主要发展方向之一.国际上欧美等发达国家先后发展了一系列先进的主被动、多波段立体观测技术及仪器，并建立了多个大气成分探测和环境要素物理化学性质三维分布的观测系统及网络，如大气成分变化监测网络(NDACC)、全球气溶胶监测网络(AERONET)、欧洲气溶胶雷达观测网(EARLINET)、美国能源部大气辐射观测网(ARM)、德国对流层大气观测网(BERDOM)等.目前我国已经拥有了比较完善的地面气象、环境观测网，中国气象局、国家环保部和中国科学院等单位也建立了一些大气成分、大气辐射及空气质量等的观测台站，但基本上是以地面参数和整层总量参数观测为主，分布在全国的气象探空站(网)也以温、压、湿、风等常规气象参数探空测量为主要业务.近年来，中国科学院等单位先后发展了大气颗粒物激光雷达探测、痕量气体多轴差分吸收光谱在线测量等关键技术设备，构建了我国首个大气环境综合立体监测系统，获取了大量实验区大气污染高分辨时空变化信息，弥补了常规业务监测网络在监测手段、监测内容和监测范围的不足.同时地面立体观测网也已开始起步，如“江淮大气环境立体探测研究(示范)网”已在无锡、上海、合肥、岳西、厦门、铜陵等建立站点并连续运行，开展长期的区域大气环境监测.但总的来说，我国大气环境立体监测评估方法、技术手段发展都需要进一步的提升，尤其是在大气成分时空分布、相互作用及其变化过程的定量化综合测量分析方面.因此，大气污染物的高精度立体观测方法研究和现代综合观测技术手段的发展，依然是研究的重点.

2技术进展

2.1车载测量技术

在存在主导风向的天气下，如果将监测系统装载于车上，围绕某一区域周围测量，结合气象仪器提供的风速、风向信息，GPS系统提供测量点的经纬度位置信息，通过计算就可以监测出该区域的有害气体排放通量.车载测量技术通常有两种监测模式:闭合路径监测模式(图6(a))和下风口监测模式(图6(b)).以近似为工业区的排放通量.实际车载测量中，出于精确测量气体扩散场的考虑，需要根据车载的风速仪实测地面风速来估算风廓线，利用经验公式并考虑烟羽扩散模式.

2.2机载遥感监测

在地基遥感技术快速发展并逐渐成熟的基础上，借助于机载平台的大气环境遥感载荷也开始发展起来.需要建立大气环境立体探测的空中实验平台，包括飞艇、飞机、气球以及无人机等的遥感监测实验系统，实现多时空尺度全面长期连续监测与数据积累，逐步形成对大气系统的立体、动态监测分析能力.开展大气不同高度的大气物理化学过程研究，以及从区域尺度到全球尺度的系统观测测量研究.如美国大气和地球科学研究机构所装备的C-130，ER-2，湾流和麦道等大气综合探测飞机系统，欧洲的FAlCON.

2.3星载遥感监测

卫星遥感技术以其独特的全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的特点在环境监测领域具有无可比拟的优势.根据不同化学物质的吸收特性反演大气主要化学物质的浓度及分布状况，如TOMS，MODIS，OMI，SCHIMACHY，GOMEII等卫星资料，正被广泛地应用到全球大气化学物质的研究中.卫星遥感资料能较好地反映整层大气的平均状况，应用于污染物的水平分布、输送以及排放研究.

3发展展望

基于光学与光谱技术的大气环境立体监测技术发展已有十余年，其应用广度和深度仍在不断扩展.作为全世界范围内经济发展最快的国家之一，我国的大气污染问题已引起越来越多的关注，构建并完善以常规监测、自动监测为基础，遥感监测为辅助的天地一体式环境监测体系，提高监测和预报水平，是一个非常有意义的课题.目前，遥感技术在大气环境监测中已经开始得到广泛的应用，在大气污染物区域分布、时空变化等方面已经发挥出其不可替代的优势，但在实际应用中仍存在监测时间过短、获取数据不具代表性等缺陷，影响了研究结论的说服力.此外，根据卫星数据反演污染物浓度的精度也有待提高.各种方法在测量实时性、测量精度、可操作性等方面各有优缺点，在实践中需相互结合与补充，同时也需进一步探索出更为精准实用的反演方法.目前，遥感技术正从单一遥感资料的分析，向多时相、多数据源(包括非遥感数据资料数据)的信息复合与综合分析过渡.从对各种事物的表面性的描述，向内在规律分析、定量化分析过渡，就大气环境遥感而言，有待在以下几方面加强研究.

(1)突破大气环境监测的关键技术.发展大气污染形成过程中关键物种(VOCs、大气新粒子化学成分、自由基等)的准确、快速监测技术;突破对流层、平流层地基、机载大气成分和大气参数的遥测技术;实现对大气PM2.5化学组分、光化学烟雾及其前体物和中间产物提供监测技术解决方案和成套装备.构建大气污染源排放综合监测、大气复合污染及其前体物立体观测、以及大气环境监测质量控制等大气污染监测技术体系.

(2)建立先进的大气环境监测技术创新研究平台.利用地基MAX-DOAS(多轴差分吸收光谱仪)和大气细颗粒物探测激光雷达等设备，建设“灰霾及其前体物立体监测网络”，开展SO2，NOx，HCHO(甲醛)等大气细颗粒气态前体物和颗粒物PM10(可吸入颗粒物)/PM2.5的垂直总量和廓线的监测研究，将弥补目前环保监测网络单一地面监测数据的不足，为研究灰霾的形成、演变和区域输送规律、开展雾霾准确预报提供技术手段.逐步建立地球表面至平流层重要大气成分(O3，CO2，水汽，CH4，SO2，NOx，气溶胶，痕量气体等)和有关气象环境要素参数(温度、风场等)探测体系，通过多平台，多波长、主被动结合的方式，获得高分辨时空分布数据库.长期系统地开展重要大气成分和环境要素高分辨率垂直与水平分布及其时间变化特征的观测，为气候变化模式、大气环境评估等研究及其验证提供基础数据.

(3)建设大气环境探测与模拟实验研究设施.针对我国大气复合污染防治研究，建设我国自己的大气环境探测与模拟实验研究设施，形成从实验室微观机理研究到模拟大气环境实验，再到外场观测实验和验证的有机闭环链条，揭示我国城市和区域尺度的大气复合污染形成机理并量化其环境影响，建立符合中国特点的相关污染模式，从而预测我国不同区域背景下大气环境复合污染及其环境效应的发展趋势并提出控制思路，为国家和地方制定有效的控制战略提供科技支撑.总之，只有发展特殊技术并综合多种技术集成，才能满足环境污染及其变化的各种需求，并推动大气环境监测仪器向更高精度、更多成分、更大范围、更加实用发展.

4综述大

气环境是一个十分复杂的动态系统，大气气溶胶及其气态前体物、大气成分及环境要素分布在从大气边界层、对流层到平流层的垂直空间里，具有显著的时间和空间变化特征以及典型的地理环境气候区域特征，影响着空气质量、气候变化.提高大气环境的监测技术水平，发展遥感观测手段，实现对大气环境的在线、快速、立体探测，对于了解大气中各种成分的动态变化过程、源汇机制以及其对环境、气候的影响等具有重要意义。

参考文献：

[1]王杨，李昂，谢品华，等.多轴差分吸收光谱技术测量NO2对流层垂直分布及垂直柱浓度.物理学报，2013，6262:476–477

[2]王杨，ThomasW，李昂，等.多轴差分吸收光谱技术的云和气溶胶类型鉴别方法研究.物理学报，2014，63:110708

[3]吕立慧，刘文清，张天舒，等.新型微脉冲激光雷达测量大气水平能见度.中国激光，2014，41:0908005-1–5

[4]范广强，张天舒，付毅宾，等.差分吸收激光雷达监测北京灰霾天臭氧时空分布特征.中国激光，2014，41:1014003-1–6