大气遥感技术在大气污染监测中的应用.doc

_大气遥感技术在大气污染监测中的应用徐浩然（南京信息工程大学滨江学院，南京，210044）摘要： 随着人民生活水平的提高，经济建设的发展，大气污染所造成的危害也日益严重。如何更加准确的用大气遥感技术对其进行大气污染监测，成为减少其带来损失的关键。遥感技术有着直接观测和遥测技术不能替代的优点。遥感探测不必接近被测对象，不会扰动被测介质;所取资料宏观性和综合性强，具有时间、空间连续性;遥感测量参数范围很宽;遥感设备大多可以自动操作。由于这些优点.大气遥感技术在大气污染监测中的应用越来越广泛，本文介绍大气遥感技术在大气污染监测中的应用。关键字： 大气遥感技术；大气污染监测；1大气遥感技术众所周知，大气污染监测是对大气环境质量的恶化和大气成分的变化进行测量，它是传统的大气探测的自然延伸和扩展。因而，尽可能使用和发展大气探测的各种手段，是顺理成章的事。同大气探测一样，大气污染监测方法同样分为直接观测、遥测和遥感。前两者是读者熟悉的，本文介绍大气遥感技术在大气污染监测中的应用。 所谓遥感(remote sensing),顾名思义，就是远距离的感知。即远离目标物，接收和感应目标物发出的信息(光和热辐射)，或者利用人工和天体(如太阳)发出的信息与作为利用人工和天体(如太阳)发出的信息与作为传输介质的目标物的相互作用来推断和反演目标物的状态。主动发射电磁波的方法，称为主动遥感(如各种雷达);被动地接收目标物信息的方法，谓被动遥感(如辐射计)。由安装在地表的设备实施的遥感，称地基遥感;由空间飞行器实施的遥感，谓空间遥感(如卫星遥感)。 遥感技术有着直接观测和遥测技术不能替代的优点。遥感探测不必接近被测对象，不会扰动被测介质;所取资料宏观性和综合性强，具有时间、空间连续性;遥感测量参数范围很宽;遥感设备大多可以自动操作等等。由于这些优点.大气遥感技术在大气污染监测中的应用越来越广泛1。2在大气污染监测中的应用 大气污染监测，包括污染气象条件观恻和污染物浓度监测两方面。在这两方面，大气遥感技术有着广泛的应用。2.1微波天气雷达常规微波天气雷达通过回波强度来获取大气信息，除可获取天气过程资料外，还能得到地物回波和超折射回波，研究它们与大气层结的关系，可为大气污染监测和预报提供精细的大气层结实况。读者都较熟悉，本文从略2。2.2多普勒雷达 常规天气雷达是非相干雷达，没有利用位相信息，在探测质点和质点群的微物理和运动学特征方面，有着明显的不足，因而出现了基于相干接收原理的多普勒雷达。多普勒雷达的基本原理是利用运动目标的多普勒频移: D=-2VT/， 式中，VT为径向速度; 为发射波长，D为多普勒频移。 一般的多普勒雷达大体由三部分组成:收发开关和天线系统、发射机、相干接收机。通过分析、整理和统计回波资料，不仅可以获得气象回波的统计特征，而且可以获得流场的内部和细微结构。如，大气中质点和污染物的水平和垂直运动;风场的水平和垂直分布(精度达0.5m/s)及风切变;大气湍流估算及多普勒谱矩(如O阶矩(回波功率)、一阶矩(平均多普勒速度)、二阶矩(方差)等等;两台或多台多普勒雷达联合观测，可获得气流和质点的三维流场。这些资料不仅本身就是污染气象条件，而.且是研究大气污染物扩散的必不可少的资料3。多普勒雷达如此众多的优点，使它成为自天气雷达出现以来的一项革命性突破，成为美国等发达国家大气探测与大气污染监测的基本手段。但多普勒雷达造价昂贵(约150万元/台)。2.3风廓线雷达 风廓线雷达(又称风廓线仪)基本原理是大气折射指数的小尺度变化能够散射雷达波束。众所周知，大气折射指数的不规则变化是由温度和湿度小的不规则变化(湍涡)引起的。湍涡随主要气流流动而流动，风廓线仪灵敏的接收机能够探测湍涡所散射的回波。而湍涡是大气湍流扩散的基本单元，获得了湍涡的运动信息，就为研究大气污染物的扩散规律提供了一种最直接有效的工具。图1为风廓线仪方框图。 风廓线仪工作时，垂直向上沿三个方向轮流向上发射脉冲电磁波，从信号中提取多普勒频移。如偏北、偏东及垂直向上三个波束方向上气流的径向速度分别为N,E和V.则由下式可推算出风速: N=Vsina+Wcosa E=Usina+Wcosa V=W式中，U、V、W为风速的三个分量4。 美国的风廓线仪通常工作频率为400MHz，垂直距离分辨率为100500m,能连续自动探测100m至18Km，运行成本较低;缺点是极高的一次性设备投资，对场地要求较高。2.4声雷达 声雷达是一个简单的垂直向上发声又同时可以接收的装置，单点声雷达系统由天线、发射机和接收机三部分组成。 由于声波通过不均匀大气的散射要比电磁波大108,因此，声波探测大气比电磁波更灵敏，佗通声波在大气中传播能量衰减很大.探测仅限于1 2 km的大气边界层内。而大气边界层正是污染气象学最感兴趣的区域。单点声雷达通常用于温度层结的探测，而双点和多点声雷达的多普勒方法则多用于大气风场的探测和研究。 声雷达接收到的后向散射回波功率与温度梯度平方成正比。因此，由声雷达观测记录可以直观地了解大气边界层中逆温层，混合层结构及重力波等发展情况。国产声雷达扬声器发射功率100W，工作频率14Hz,脉冲宽度100ms，距离分辨率17m,测温精度1 C。成都、柳州等地使用表明，声雷达是测量边界层温度层结的有效工具67声雷达造价低廉，z.5激光雷达 激光具有功率强，单色性，方向性好、相干性强等优点，因而自60年代激光器问世后，激光雷达迅速成为大气污染监测的一种简单、可靠的工具。激光雷达的原理与天气雷达相似，不同的是用激光束对空间进行扫描和探测。在大气中，由气溶胶和烟云粒子引起的Mie散射比大气分子引起的Rayleigh散射大102103因而激光雷达接收到的散射光主要是烟云粒子和气溶胶引起的，加之烟和气溶胶的分布特性与大气性质和污染物有关，借助于激光雷达，便能对大气结构和大气污染物浓度分布进行监测。 激光测烟雷达是目前应用较多且较成功的一种激光雷达。它由发射和接收系统组成。激光发射器发射激光脉冲，通过发射望远镜变成平行光出射，散射回来的激光由光学系统收集，进行光电变换并计算往返时间。在实际工作中，是通过转动方位角和仰角对烟道进行激光扫描(图3)来获取烟云和大气信息9。激光测烟雷达可以获得大气污染物的详细信息浓度分布、运行轨迹、抬升高度、内部结构、消光系数等。求取大气扩散参数1011，提供近地层空气污染状况。图4为激光测烟雷达获得的烟流垂直剖面相对浓度分布实例12。国产(大气所，上海)以及美、英、加等国的红宝石激光雷达，其重复频率通常为0.07O.17Hz。探测范围为几公里。2. 6被动遥感 按辐射定律，凡是具有温度的物体都向空间发射电磁波波谱，其总能量与物体绝对温度4次方成正比，最强辐射波长与物体温度成反比，因而太阳、地球和大气都向空间发射强度和分布各不相同的电磁波波谱。接收大气辐射及太阳辐射的辐射传输信息并经过反演，我们就能获得大气和大气污染的定量信息。研究表明，大气是选择吸收，有若干吸收带，在吸收带波段，大气有强烈的辐射，其辐射信息就是遥感大气的基础;在吸收带之间有弱的吸收区域，成为大气窗口，在窗区大气干扰较少，可作为遥感云雨、大地和海洋的波段。大气吸收系数的频谱见图6。大气被动遥感可分为红外(波长0.7100um )、微波(1 nm30cm)和可见光遥感。它们各有优缺点。从自然辐射能量的强度和分辨率上音，红外波段比微波波段要高，从抗干扰和灵敏度看，微波比红外好得多。 红外遥感可以测温、湿和大气污染。太阳是自然光源，从接收穿过大气的日光信息中，可以反演大气状态。例如，通常选择15umCO2吸收带8个波段测温，可遥感06km大气温度层结，精度为1. 6 2k;用6.3um和18um水汽旋转光谱测湿;用近红外0.937um水汽吸收带推算水汽总量;大气污染物质 (C02, CO, NOx, SO2等)在紫外、红外及微波波段有一些吸收带，利用这些物质的吸收光谱，可作为监测这些物质的手段。如使用2.06um的CO2吸收带，在地面测量大气对太阳辐射的吸收，可算出CO2含量;测量CO,通常使用CO的R(3)吸收线4.63um;监测甲烷，常利用3.444um吸收线等等。 微波遥感同样可以测温、湿及大气污染。大气是热噪声源，在微波波段内，由氧分子和水汽分子的吸收构成大气微波吸收谱，用大气微波辐射信息可以遥感大气温度、湿度、压力层结及云雨要素。如用5mm和1.35cm微波辐射计可遥感10km以下温、湿层结。15被动遥感的问题之一是精度不尽人意(如微波遥感温度与探空温度相差23k)相信不久会取得进展。2.7卫星遥感 众所周知，一般的环境监测和研究中，通常从点到线进行，对于大范围内的宏观环境问题，很难做到同步观测，因而得到的信息的全面性和对比性差，存在明显不足。尤其是，自然界污染物的循环，新陈代谢源汇的垒积的情况，很难通过地面监测手段获得。在这方面，卫星遥感有着其它手段不能替代的优点。通过卫星上搭载的各种遥感仪器进行探测，具有全面性和综合性等优点，增强了环境研究的广度和深度。正因为如此，各国的气象卫星(如美国NOAA、Nimbus、TiRos-N、海洋卫星及我国的风云卫星等)都用可见光、红外及微波波段进行遥感、为了得到全球图象，遥感仪器逐渐发展为扫描成象的观测。如，Nimbus- 7的任务之一就是观测对流层和平流层中大气污染的源和汇，并绘制成图;又例如，利用遥感红外扫描技术，获得不同灰度和色阶来反映地表温度的红外扫描技术，对热污染一目了然，利用彩色红外照片还可调查城市绿地现状，进行植被污染调查及大气污染生态圈的圈定。163前景展望 我们已经看到，大气遥感技术以其明显的技术优势，已在大气污染监测中获得广泛应用，并已成为一些国家大气边界层探测和环境监测的基本手段。表1列出了现阶段遥感设备及应用前景。 由上可见，大气遥感技术在大气污染监测中的应用方兴未艾。随着科学技术，特别是计算机的发展，大气遥感这一先进而又年青的技术将呈现出方法上丰富多姿、内容上推陈出新，应用上互相渗透的局面。换言之，在笔者看来，大气遥感技术的主要研究和发展方向:(1)综合性，一种手段用于多顶研究内容;多种遥感手段深入地研究某顶内容; (2)实用性。主要在提高精度、降低成本和增强抗干扰能力上下功夫，以使尚处于研制中的遥感手段尽快投入业务使用; (3)新手段。新的大气遥感方法和手段的研制，例如，VHF-UHF雷达以及半导体激光雷达，都是极富生命力的大气遥感手段。完全可以预言，大气探测及大气污染监测技术变革的突破口，很可能出现在遥感技术方面。21世纪很可能是遥感的时代。参考文献1赵柏林等:大气探测原理，气象出版社，1987, 436-4372刘少侬:天气雷达在大气污染监测中的应用，四川环境，1986(4)，30343Browning K. .A and R. 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