基于MAX-DOAS的查表法反演NO2廓线研究

作     者：郭映映 

作者单位：淮北师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李素文;牟福生

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070602[理学-大气物理学与大气环境] 0706[理学-大气科学] 

主      题：MAX-DOAS 查表法 NO2 垂直柱浓度 垂直廓线 

摘      要：NO是对流层中重要的痕量气体之一,获取其垂直分布廓线信息,有利于研究大气污染的扩散过程,因此开展NO垂直廓线的研究至关重要。多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)作为一种有效的监测城市上空大气污染物浓度的光学遥感方法,因其时间分辨率高、灵敏度高、测量范围广,广泛应用于环境监测领域。论文基于被动MAX-DOAS技术研究了查表法反演痕量气体垂直柱浓度和垂直廓线的方法,并在淮北地区开展了外场应用。(1)研究了多轴差分吸收光谱技术测量痕量气体的基本原理和反演方法,对搭建的一维地基多轴差分吸收光谱系统的关键参数进行了测试,实现了多仰角太阳散射光谱的测量,获取了痕量气体的斜柱浓度。测量的两条光谱平均偏置分别为896.07 counts和891.61 counts,光谱仪的平均暗电流为0.11782 counts/s,光谱仪的电子噪声为0.50731,单次扫描的电子噪声为0.01604及光谱仪的光谱分辨率为0.65 nm,测试结果表明搭建的系统性能满足观测要求。(2)研究了基于查表法反演对流层痕量气体垂直柱浓度和垂直廓线的方法。首先基于McArtim大气辐射传输模型对输入参数的灵敏度进行了研究,提高了算法的性能;其次基于VB语言平台先建立反演气溶胶廓线查表法,得到代价函数最小的气溶胶消光廓线,然后将该气溶胶消光廓线和实际观测条件带入大气辐射传输模型中,最终建立不同仰角下反演痕量气体垂直柱浓度和垂直廓线的查找表。本文以NO为研究对象,通过代价函数最小化过程得出NOVCD、NO在边界层内的比重和边界层高度等返回值,发现一般情况下NO主要分布在2.0km以下的高度。通过与哥白尼大气监测服务(CAMS)模型相比较,验证了查表法的准确性。(3)利用搭建的一维地基MAX-DOAS系统在淮北地区开展了近一年时间的外场观测。基于MAX-DOAS方法反演得到NO差分斜柱浓度,并建立查表法实现NO斜柱浓度向垂直柱浓度的转换。发现淮北地区NOVCD的月均值在这一年内大致呈现倒“U型变化。NOVCD季节均值呈现出冬季最高,秋季、春季次之,夏季最低的现象。结合HYSPLIT后向风场轨迹模型,给出了淮北地区高值月份(2019年11月和12月)的风速风向,分析了污染物来源。将MAX-DOAS系统的监测结果日均值与不同有效云分数(0eCF≤0.1和0eCF≤0.3)的OMI卫星测量结果进行比较,相关性均较好(R=0.88,R=0.90),表明MAX-DOAS技术能够为卫星数据的验证提供数据支持。