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应用多光路主动DOAS研究大气污染物及其时空分布

作　者: 王焯如
导　师: 周斌
学　校: 复旦大学
专　业: 环境科学
关键词: 差分光学吸收光谱(DOAS) 二氧化氮（NO2）臭氧（O3）二氧化硫（SO2）亚硝酸(HONO) 光化学污染
分类号: X831
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本课题以多光路主动DOAS (差分光学吸收光谱仪)为测量手段,对上海市区及郊外的NO2、O3、SO2和HONO(气态亚硝酸)等大气污染物及其时空分布进行观测和研究。第二章介绍了自行研制的多光路主动DOAS。该系统将4套发射/接收望远镜集成于一体,可发射4条相互独立的测量光路,光路间的最大发散角度可达28°,4条光路共用同一盏短弧氙灯作为光源,可对4条光路上的污染物浓度进行同时测量。进而对4条光路间的固有测量差异进行测试,使4条光路对准同一组角反射镜,测量同一区域内的N02浓度,对它们的测量结果以线性回归的方式进行对比,结果表明4条光路的测量结果具有良好的一致性,任意两条光路间的相关系数(R2)均在0.97以上,平均差异小于1 ppb。正式观测分为两个阶段：第一个阶段为论文的第三章,侧重观测污物的垂直分布,每次只观测1种污染物,在上海市区的复旦大学观测点对NO2和SO2各进行了约1个月的观测；第二个阶段为论文的第四章,侧重研究污染物的时间变化规律及不同污染物的相互关系,对4种污染物进行同时观测,积累了超过1年的数据,并在郊外另设置了一个汾湖观测点进行对照观测。第一阶段使用面阵CCD传感器测量光谱,在复旦大学观测点进行污染物垂直分布观测,观测的高度范围为0～88 m,在垂直方向平均分为4层。2008年10月至11月对NO2的垂直分布进行了为期近1个月的观测,2009年4至6月对SO2的垂直分布进行了为期1个多月的观测。观测结果表明：(1)NO2浓度的日变化规律为双峰特性,高峰出现在早晨和傍晚,低谷出现在午后和凌晨；在垂直方向上,各时段均为44～66 m高度层浓度最高,66～88m高度层浓度最低,浓度的垂直梯度夜间高于白天,最大层间差异出现在傍晚,达17ppb,上午的层间差异最小,最大仅3 ppb。(2)SO2的浓度变化具有很强的随机性,平均日变化规律为单峰特性,峰值出现在午；SO2在观测范围内的垂直分布相对均匀,层间差异不超过3ppb；平均垂直廓线呈反S形,44～66 m高度层和0～22 m高度层平均浓度略高于另外两层；SO2浓度较低时,地面附近的浓度略高于高空,污染气团入侵时情况相反。第二阶段改用集成型PDA光谱仪测量光谱,同时观测NO2、O3、SO2和HONO的浓度,但因仪器限制,仅对1条光路进行测量。在复旦大学的观测从2009年6月进行到2010年10月,在汾湖观测点进行了对照观测,从2010年7月持续到同年10月。根据观测数据,研究了4种污染物的同变化和季节变化趋势、气象因素与污染程度的关系、污染的周末效应、HONO对光化学污染的影响,并对两个观测点的污染特状况和特征行了对比。本阶段研究得出以下结论：(1)复旦大学观测点各季节的NO2浓度日变化趋势均为双峰特性,高峰出现在清晨和傍晚,低谷出现在午后和凌晨；浓度的季节变化规律是冬季>秋季>春季>夏季；气象因素分析表明该观测点处于NO2浓度高值区,浓度与风速呈现明显的负相关性,并有较强的风向敏感性；该观测点的NO2污染有明显的周末效应,工作日晚高峰平均浓度比节假日高6ppb。汾湖观测点的NO2浓度日变化趋势为单峰特性,峰值出现在凌晨,谷值出现在下午,平均浓度低于复旦大学观测点。(2)两个观测点的O3浓度日变化趋势均为单峰特性,高峰出现在下午,低谷出现在凌晨。复旦大学观测点的O3浓度季节变化规律是春季>夏季>秋季>冬季；气象因素分析表明该观测点附近O3浓度分布较均匀,O3浓度与风速和风向的相关性都比较低。汾湖观测点存在严重的光化学污染,观测到的最大O3小时平均浓度为211ppb。(3)SO2各季节的平均日变化趋势一般为单峰或不规则多峰,最大值通常出现在上午或清晨。复旦大学观测点SO2浓度季节变化规律是冬季>秋季>春季>夏季,冬季日均浓度平均约为夏季的2.4倍,还发现冬季SO2浓度变化与气温的变化有一定的反向相关性；气象因素分析表明该观测点属于SO2浓度的低值区,但附近存在SO2浓度的高值区,这导致SO2浓度具有很强的风向敏感性,同时还具有特殊的风速相关性,风速低于2m·S-1时浓度与风速相关性不大,高于该值时浓度与风速负相关。汾湖观测点的SO2浓度与复旦大学观测点同期水平相近。(4)两个观测点HONO浓度的日变化趋势均为单峰特性,峰值出现在清晨,谷值出现在午后。复旦大学观测点HONO浓度的季节变化规律为夏季>秋季≈冬季>春季,2009年夏季的HONO浓度明显高于2010年夏季,最大小时平均浓度为7.43ppb；气象因素分析表明该观测点处于HONO浓度的高值区,HONO浓度与风速呈现较强的负相关性,并有较强的风向敏感性；该观测点每天清晨的最大HONO浓度与该日的光化学污染强度有一定的正相关性,秋、冬季相关性较高,夏季相关性较低。汾湖观测点的夜间HONO浓度略高于复旦大学观测点,白天浓度接近。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第一章引言  13-30
  1.1.差分光学吸收光谱(DOAS)技术  13-15
    1.1.1.基本原理  14-15
    1.1.2.DOAS技术的特点  15
  1.2.大气中的SO_2  15-19
  1.3.大气中的氮氧化物  19-21
  1.4.大气中的O_3及光化学烟雾  21-25
    1.4.1.对流层中的O_3及来源  22
    1.4.2.光化学(烟雾)污染的历史与现状  22-23
    1.4.3.对流层O_3及光化学烟雾生成机理  23-25
    1.4.4.O_3的测量手段  25
  1.5.大气中的HONO  25-30
    1.5.1.大气中HONO的来源  26-28
    1.5.2.HONO光解对大气OH自由基的贡献  28-29
    1.5.3.气态HONO的测量手段  29-30
第二章多光路主动DOAS设计  30-52
  2.1.多光路主动DOAS的组成  30-37
    2.1.1.光源  31
    2.1.2.发射/接收望远镜  31-32
    2.1.3.角反射镜  32-33
    2.1.4.四合一石英光纤  33
    2.1.5.机械快门  33-34
    2.1.6.光谱仪  34-35
    2.1.7.光电检测系统  35-36
    2.1.8.数据采集软件  36-37
  2.2.光谱分析  37-48
    2.2.1.探测器波长标定  37-42
    2.2.2.生成参考光谱  42-47
      2.2.2.1.测量灯谱  42-43
      2.2.2.2.生成标准差分吸收光谱  43-45
      2.2.2.3.生成夫琅禾费结构光谱  45-46
      2.2.2.4.生成差分灯谱结构  46-47
    2.2.3.污染物浓度反演  47-48
  2.3.各光路间固有差异测试  48-50
  2.4.小结  50-52
第三章 NO_2、SO_2垂直分布的观测及研究  52-64
  3.1.分层观测实验布置及观测原理  52-54
  3.2.NO_2垂直分布观测  54-56
  3.3.SO_2垂直分布观测  56-58
  3.4.结果讨论  58-62
    3.4.1.NO_2浓度时空分布特征  58-60
    3.4.2. SO_2浓度时空分布特征  60-62
  3.5. 小结  62-64
第四章 NO_2、O_3、SO_2、HONO的同时观测及研究  64-105
  4.1.观测仪器  64-66
  4.2.光谱分析  66-67
  4.3.观测地点  67-69
  4.4.观测结果  69-82
  4.5.HONO测量结果与LOPAP技术的对比  82-83
  4.6.污染物的日变化和季节变化趋势  83-91
    4.6.1.NO_2日变化和季节变化趋势  89
    4.6.2.O_3 日变化和季节变化趋势  89
    4.6.3.O_x日变化和季节变化趋势  89-90
    4.6.4.SO_2日变化和季节变化趋势  90
    4.6.5.HONO日变化和季节变化趋势  90-91
  4.7.两个观测点的污染状况对比  91-94
  4.8.气象因素对污染物浓度的影响  94-100
    4.8.1.风速对污染物浓度的影响  94-98
    4.8.2.风向对污染物浓度的影响  98-100
    4.8.3.冬季气温对SO_2浓度的影响  100
  4.9.光化学污染的周末效应  100-101
  4.10.HONO对光化学污染的影响  101-103
  4.11.小结  103-105
第五章结论与展望  105-108
  5.1.实验总结  105
  5.2.观测结论  105-107
    5.2.1.NO_2时空分布特征  105-106
    5.2.2.O_3时空分布特征  106
    5.2.3.SO_2时空分布特征  106
    5.2.4.HONO时空分布特征  106-107
  5.3.研究展望  107-108
参考文献  108-116
附录  116-117
后记  117-119

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