试论我国大气环境立体监测技术及应用

徐建阁

（河南省濮阳市环境监测站，河南 濮阳 457000）

1 引言

近年来，我国经济飞速发展，但环境问题也越来越突出，政府对环境保护的重要性认识越来越深刻，目前已经开始积极转变经济增长方式，环境保护与生态治理也逐渐成为我国的重点关注和研究内容。大气环境立体监测技术是我国针对大气环境污染防治、应对气候变化、改善生态环境、保障人体健康等重大需求开展的一项关键技术，该技术的应用对于我国的环境治理具有不可取代的重要意义。因此，笔者就我国目前现有的大气环境立体监测技术进行介绍，主要包括：机载遥感监测技术、地基遥感监测技术、星载遥感监测以及车载测量设备，并探究了这四大技术的应用现状。

2 机载遥感监测技术及应用

机载遥感监测技术的原理为将监测设备安装到飞机上，由飞机将监测设备带到大气的平流层，对不同高度的大气污染进行监测[1]。

目前，我国的机载遥感监测技术已经有了进一步的发展，有特定的飞机用于测量大气污染，且建立了基于飞艇、飞机、气球以及无人机等机载平台的大气环境空中监测实验系统，逐步实现对不同高度、全球区域的大气环境的全面、长期、连续、立体、动态监测。

2014年，我国成功研发了一种可快速获取区域环境大气污染成分的机载监测系统。该系统包括机载激光雷达、机载差分吸收光谱仪和机载多角度偏振辐射计，这三种技术可以互相补充、合作监测大气环境中大气气溶胶、污染气体、颗粒物等主要大气成分。其中机载差分吸收光谱仪是该系统的关键，其工作原理为通过探测地物的反射光谱，利用差分吸收光谱技术获得污染气体的区域分布状况，并快速地探知地面排放污染源[2]。机载激光雷达用于探测云和气溶胶相互作用、污染区域、沙尘传输路径以及大气环境突发事件等问题，其监测数据较星载激光雷达所获数据更为精确，可以解决星载激光雷达信噪比偏低的问题，是星载激光雷达的有效补充及进行技术验证和数据对比的重要平台。

3 地基遥感监测技术及应用

地基遥感监测技术是我国常见的并逐渐成熟的大气污染监测技术，主要包括被动差分吸收光谱技术(DOAS)、被动傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)、多波段光度计遥感、微波辐射计遥感等。该技术利用地基监测平台，通过大气不同成分对太阳光谱的吸收不同，且针对不同的光束进行反射的原理进行数据的监测，得出监测区域的大气中的主要气体成分。

目前，我国地基遥感监测技术的最新发展为DOAS技术的研发和应用，该技术可以对大气环境中的SO2和CO2进行针对性的监测，在地基站还可以监测大气有害气体的含量及其集中分布的位置，为我国治理有害气体和环境污染提供了重要的数据支持。

3.1 被动DOAS技术

被动DOAS技术的工作原理为监测大气中不同气体的吸收太阳光谱的截面，并反演各种痕量气体的含量[3]。目前，中国正在开展主动DOAS技术、地基被动DOAS技术、机载和星载DOAS技术的研究。

3.2 傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)

傅里叶变换红外光谱技术指的是通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变化的方法来测定红外光谱。傅里叶变换红外光谱技术主要具有监测信号传输路径多、监测精确度高、分辨率高、波段宽等优点，如今在环境监测中的应用十分广泛，尤其适用于测量和鉴别污染严重的大气成分、有机物或酸类以及温室气体等。

3.3 激光雷达监测技术

激光雷达监测技术的工作原理为利用激光对大气光学、物理特性、气象参数进行连续、高时空的监测，从而获得监测区域中大气三维数据的分布状况。激光雷达监测技术具有监测精度高、时空分辨率高、可长期连续测量等优势，如今已被广泛应用到大气传输、全球气候预测、气溶胶气候效应等研究中。

目前，激光雷达技术有了新一步的发展，其硬件设备和算法进一步完善，在激光光源、发射与接收光学、信号探测与采集等方面取得了不错的发展，激光雷达的探测功能逐渐多样化，由仅能夜晚监测转变为全天监测，并且逐渐实现商业化。

同时，激光雷达监测技术的监测范围不断扩大，气溶胶等大气成分的监测精度不断提升，并且减少了监测盲区，尤其是在雾霾治理中起到了重要作用。目前，国际上建立了多个区域性地基激光雷达观测网。激光雷达平台由地基、车载发展到机载和星载，其监测大气气体的范围从局域逐渐拓展到区域。

4 星载遥感监测技术及其应用

卫星遥感技术的原理为利用卫星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，反映大气的整体状况。卫星遥感技术具有全球覆盖、快速、多光谱、大信息量的特点，在大气监测工作中发挥着不可替代的重要作用。卫星遥感技术能够反映污染物在大气层的水平分布状况，可用于污染气体的传输和排放研究。中国科学院研发的“载荷”气体差分吸收光谱仪致力于监测 CH4、NOx、气溶胶、SO2、O3和痕量气体等主要大气成分。

5 车载测量技术及其应用

车载测量技术指的是将监测设备放置在车辆上，将车辆行驶到某一需要监测的特定区域进行监测[4]。车载设备常用于有主导风向天气下的大气污染物监测，常用于监测的区域为工业区。此方法监测时，污染物易受到风力影响发生转移，因此给监测大气污染物带来不小的难度。车载测量设备的原理是通过特定污染物监测设备得到数据，结合气象参数，如风速、风向数据，以及GPS系统得到的该区域的经纬度数据等计算得到污染气体的实际排放量。

车载测量技术通常有两种监测模式:一是闭合路径监测模式，主要用于周围有可供车辆通过的闭合道路的监测区域，该方式测量到的污染气体排放量较为准确；二是下风口监测模式，主要用于周围没有可供车辆通过的闭合道路的监测区域，这时若该区域的风速比较稳定，那么该区域的污染气体几乎都会被吹到下风向。因此，利用下风口监测模式得到的污染气体排放量是最接近该区域的实际污染气体排放量的。目前，该技术的应用主要为监测工业园区NO2等污染气体的烟羽及扩散过程，为该区域的减排工作提供科学的数据依据。

6 结语

大气环境关系到人类的身体健康和经济的可持续发展，环境治理问题是我国急需解决的重要问题，大气环境立体监测是开展环境治理的一项前置技术，对此，我国应大力开展此项工作，加大大气立体监测技术研发的支持力度。同时，对于现有的机载遥感监测技术、地基遥感监测技术、星载遥感监测以及车载测量设备等大气环境立体监测技术要继续优化和应用，从而进一步推动我国环境监测体系的完善和发展。