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安光所差分吸收臭氧激光雷达校准实验取得重要进展
发布时间:2022-03-04

臭氧是大气中重要的微量成分,虽然含量较低,但在近地面对流层大气化学中是光化学反应的主要参与者,是光化学烟雾的重要前体物和参与物。近期,安光所环境光学中心张天舒课题组自主研发的差分吸收臭氧激光雷达在校准实验中,基本上完成了溯源至臭氧标准量值的实验任务。

位于平流层与对流层的臭氧对地球环境有着不同的影响,紫外辐射在平流层高空被臭氧吸收,对大气有增温作用,保护地球上的生物降低受远紫外辐射的伤害。而在近地面对流层,强光照、高温低湿、逆温等条件下,大气臭氧会与氮氧化合物、挥发性有机物等多种污染物相互作用发生复杂的光化学反应,导致大气细粒子浓度增加、空气能见度降低、地面臭氧浓度升高、大气氧化性增强,形成严重大气光化学污染过程。长期累积不仅会危害人体心肺肝肾脑等多系统健康,还会损伤和破坏生态系统平衡、材料和建筑物安全,严重影响人民的生产和生活。因此对对流层臭氧浓度测量方法的研究,尤其是区域性臭氧浓度时空分布的监测研究一直都是监测和研究的热点问题。

近年来,差分吸收臭氧激光雷达监测技术发展迅猛,在区域臭氧污染成因分析方面应用广泛。臭氧激光雷达基于差分吸收原理,利用臭氧的吸收特性测量气体的浓度分布,具有时空分辨率高、快速实时、可连续探测等优势,成为大气臭氧分布探测的重要手段。目前以激光雷达等为代表的开放光路大气监测技术在开放式环境下很难对设备进行精确溯源,监测数据的准确性、可比性和计量溯源性有待进一步确认和提升。为研究大气探测臭氧激光雷达量值溯源方法,确保臭氧激光雷达监测数据与其它原理点式臭氧监测设备的量值统一,保障臭氧激光雷达臭氧浓度等关键计量参数能够溯源至生态环境部门臭氧最高计量标准,安光所与中国环境监测总站计量中心合作在合肥科学岛开展了差分吸收臭氧激光雷达校准实验,通过搭建地基校准系统(如图1),在激光雷达发射接收光路水平路径上距激光雷达300米、600米和900米距离处分别放置臭氧浓度分析仪,使用臭氧浓度分析仪测量的臭氧浓度作为标准值校准激光雷达臭氧浓度,开展不同距离处臭氧激光雷达浓度与点式臭氧分析仪结果对比,将激光雷达测量的臭氧浓度量值溯源至监测总站建立的生态环境部门臭氧最高计量标准,溯源框架图如图2所示。试验结果显示(如图3):差分吸收臭氧激光雷达测量结果与点式臭氧分析仪具有很好的一致性,能够较为准确的溯源至臭氧标准量值,并可通过校准曲线对其测量结果进行进一步修正,提升其测量结果的准确性。

本次对差分吸收臭氧激光雷达的校准实验,证明了激光雷达等开放光路大气监测仪器,除了校准其光学特性,也可以用化学浓度校准的方法进行精度溯源,提高监测数据的准确性和可比性。

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图1 大气臭氧激光雷达校准示意图

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图2 大气臭氧探测激光雷达量值溯源体系框架

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图3 臭氧激光雷达浓度校准结果(8小时滑动均值)

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图4 差分吸收臭氧激光雷达

 

 

(来源:中科院安徽光学精密机械研究所)