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工业的发展及城市进程化的加快使得大气污染形势变得越来越严峻,大气污染也由原来的局域污染逐渐发展为整个区域污染规模,并出现了经常性的区域输送过程。人们开始越来越关注对大气痕量气体区域分布以及污染输送的监测和研究,然而现有监测技术在这些方面还存在着不足。使用自然光源的被动DOAS技术作为一种光学遥测手段能够在地基、机载和星载平台上对痕量气体大范围分布进行监测。该技术已成为大气监测领域的一个重要研究方向,而目前国内相关研究工作开展的很少。
本论文开展了使用太阳散射光作为光源的机载被动多轴DOAS技术研究,重点研究机载对流层痕量气体柱密度测量技术,以及基于机载多轴DOAS技术的廓线反演方法,并进行了痕量气体分布、区域输送及污染源排放通量的观测。
(1)研究了对流层痕量气体斜柱浓度(SCD)的机载多轴DOAS反演方法。通过选取天顶方向的参考光谱获得差分斜柱浓度,利用平流层痕量气体柱浓度随太阳天顶角呈慢变化的特点,结合在干净地区测量的最小值线性拟合的方法扣除了由于移动平台引起的平流层气体测量值变化的影响。
(2)结合辐射传输模型(RTM)分析了机载平台下影响大气质量因子(AMF)的重要参数(如:观测高度、太阳天顶角等),确定了模型输入参数以及合适的飞行条件。通过大气质量因子(AMF)转换获得痕量气体的垂直柱浓度(VCD)。
(3)研究了机载多轴DOAS的廓线反演算法,分析了波长、地表反照率、气溶胶类型、飞行高度及太阳天顶角等,对廓线反演垂直分辨率的影响,利用模拟的多轴斜柱浓度及最优估算法反演了NO2的廓线。
(4)设计集成了一套机载多轴DOAS实验系统,在珠三角和黄河口地区开展了机载多轴DOAS技术的观测实验,获得了NO2、SO2及HCHO的柱浓度区域分布。
本文研究表明,机载多轴DOAS作为一种光学遥测手段能够在痕量气体垂直柱浓度及区域分布、大区域污染源排放通量的测量中发挥重要的作用。