海洋环境保护论文和论文车载海洋大气环境监测系统及其在海洋大气环境监测中的应用.doc

文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 海洋环境保护论文和海洋经济论文：车载海洋大气环境监测系统及其在海洋大气环境监测中的应用摘要：滨海已成为人类生活、生产、居住和休闲等极富活力的经济发展带。海洋大气中的质量问题，自然成为了人们特别关心的热点。近岸海洋大气污染监测体系由岸基、浮标、船载、探空、卫星、机载和车载等系统组成。文中介绍了我国第一个车载海洋大气环境监测系统的结构、主要设备基本原理，并指出车载海洋大气环境监测车在沿海地区大气污染控制、重大灾害和重大活动中的广泛应用。关键词：海洋大气环境监测；车载；应用1引言在全球气候变化背景下，极端天气事件频繁发生，气象、地震、森林火灾等自然灾害给经济社会发展、人民生命财产造成严重危害和损失，为了更好地在防灾减灾工作中发挥重要作用，中国气象局构建了气象应急车载服务系统，此系统作为固定台站服务系统的延伸，可在时空尺度上进行加密监测，针对灾害天气追踪监测，重大事件现场监测，从而有效提高气象应急服务能力1。然而，目前气象应急车载服务系统还不够完善，尚未实现对危及人类健康，影响气候变化的臭氧、一氧化碳、细粒子颗粒物和黑碳气溶胶进行系统监测，特别是针对沿海城市灰霾、大气污染物沉降等影响环境、人类健康以及海洋生态事件进行重点监测，为此，建立一个与岸基、船载2-4、卫星相结合的车载海洋大气环境监测系统，针对大气污染所引发的地球物理化学后果的应急响应体系就成为了必需。滨海由于具备沙滩、海水和阳光等特征，已经成为了人类生活、生产和休闲等极富活力的经济发展带。海洋大气中的组成和含量，也就是大气质量问题，自然成为了人们特别关心的热点。尽管，沿海城市空气质量指标比远离海岸的城市要优很多，近年来随着沿海地区经济的持续发展，城市化进程的不断加剧，化石燃料燃烧、汽车尾气、居民生活等排放出大量温室气体和污染物质，使得区域大气成分发生了显著的变化，沿海城市污染类型发生明显的转变。有研究表明5，在未污染的海洋大气环境中，海盐巨粒子由于其尺度大于可见光波长，且数量非常少，几乎不对可见光造成影响，但处于污染的海洋大气环境中时，海盐巨粒子与污染物发生反应，生成大量细粒子，使得大气能见度明显降低，沿海城市灰霾天气持续增多。其次，随着全球变暖的持续加剧，极端事件频繁发生，使得沿海地区成为工业、人居环境和社会最为脆弱的地区。极端事件加剧海洋灾害发生的同时，也促使大气成分发生显著变化，研究表明6台风外围强下沉气流，区域低层平均风速小，使得污染物浓度增大，大气能见度明显降低。再者，近海以及海岸带是陆地和海洋大气成分相互作用的特殊地带，大气成分的变化严重影响了海洋生态系统，如海洋酸化、赤潮等。Pryor等7在研究中表明过量的大气输入是导致海洋富营养化的一个主要原因。张远辉等8计算出台湾海峡大气Zn，Al的全年总沉降通量分别为0.421010g，2.011010g,Pb，Cd的大气输入超过河流输入，表明大气输入是台湾海峡微量金属入海的重要途径。自然灾害已经成为制约我国沿海经济发展的的重要因素，海洋环境新型复合空气污染成为当前研究的一个重点，沿海地区大气环境监测成为当前环境监测的重中之重，全方位、多参数观测沿海地区大气环境已迫在眉睫。为此，一种集移动天气、大气成分监测为一体，适用于沿海地区大气环境监测系统应运而生。车载海洋大气观测系统是适合沿海及陆地使用的高精度综合观测系统，可对时、空随机性强的重大灾害性天气事件进行追踪监测，还能对影响严重的突发性污染事件进行现场污染监测并提供快速应急保障服务。海岸带大气环境监测技术的发展将为促进海岸带大气环境管理、重大灾害的应急保障、海上生产作业和海洋军事等活动提供更好的技术设备和信息平台，为卫星辐射观测提供地面订正，为合理开发蓝色国土和振兴沿海地区经济提供有力保障。2监测系统组成国家海洋局海洋-大气化学与全球变化重点实验室于2008年组装了我国第一套车载海洋大气环境监测系统车载系统作为固定监测系统的有效延伸，开赴现场，可有针对性地对重大事件、重要区域大气成分进行加密观测，实时、全面掌握现场环境状况，快速获取第一手资料，从而决策者对灾害事件迅速响应提供实时有效数据。基于以上目的，海洋大气环境监测系统将集大气温室气体、气溶胶、光学能见度为一体，主要由气体污染物和气溶胶状污染物两部分组成。2.1监测海洋大气污染物主要设备气体污染物包括SO2，H2S，O3，CO，NO2，CO2和NH3、氮的氧化物以及碳氢化合物等。（1）LI-7000 CO2/H2O分析仪是一款高速、高精度的差分红外气体分析仪。即使在参比室CO2的浓度未知的情况下，一个独特的用户可自行清洁的光学通路也可以进行CO2和H2O的差分与绝对模式的同时测量。（2）NO/NO2/NOX/NH3分析仪（ML/EC9842）NH3转换模块（HTO1000N）。由微处理板控制，带一个氨转化炉，采用化学发光法，可准确、可靠地测量出NH3，NOX及NX的浓度。NX是NH3及NOX的浓度总和。仪器采用与EC9841仪器相同的测试方法，但增加了一台氨转化炉，它可将样气中的NH3转化为NO，再用化学发光反应原理，进行检测。（3）紫外荧光法SO2分析仪（ML/EC9852）。H2S转换模块（H2S1100），采用紫外荧光原理，当紫外光照射SO2分子时，便激发出荧光，紫外光被一个参比检测器检测，而产生于SO2的荧光被光电倍增管(PMT)检测，这两个检测值通过一个典型的双通道技术获得，它可以使光强度变化、光路污染及PMT漂移的影响降到最小，在进行样气测量之前，用一个碳氢化合物过滤器除去有干扰的碳氢化合物。仪器对由温度、压力变化造成的影响自动进行修正。（4）紫外光度式O3分析仪（ML/EC9810B/IZS）,是一台紫外光度计，可准确、可靠地测量大气中的臭氧浓度，检测原理为紫外吸收法，测量时使用单个玻璃测量池体，并利用比尔朗伯定律计算出臭氧浓度。（5）相关红外CO分析仪（ML/EC9830B）。采用非色散红外(NDIR)气体过滤相关光度测定法，精确稳定地测定一氧化碳。仪器在旋转的气体过滤相关轮后边装有宽频带红外光源，相关轮有2个充气气室，一个气室充有CO气体，它除去所有由CO吸收的红外波长的能量，于是产生了一个参比光束，另一个气室充有氮气，它允许样气由CO吸收的特定波长被测量到，在测量及参比周期中，固态检测器检测到红外能量之差，该差值与检测室中存在的CO成比例，这种方法消除了大部分其它一般红外仪器的光源漂移造成的影响。（6）NOX氮氧化物监测仪。测量原理是NO分子与内置臭氧源产生的臭氧在反应室中进行反应时发出光子。EC9841A是单通道仪器，工作时交换地将样气绕过或通过催化剂，在反应室里对NO进行测定，转化剂可使气体中的NO2转化为NO，交换测量后得到NO值及NOX值，而二者之差即为NO2值，使用气体缓存器，使NO及NOX的测量取自同一组样气。这样，保证了不会因气路开关引入误差。2.2监测海洋气溶胶状污染物主要设备气溶胶污染物包括固体粒子（粉尘、烟尘气）和液体粒子（烟雾、雾气）两类。（1）颗粒物浓度在线监测仪（GRIMM-180，德国GRIMM）。GRIMM-180是采用光散射原理在线环境颗粒物监测仪。不用更换切割头，同时测量PM10，PM2.5和PM1，测量粒径范围：0.2532m，测量质量浓度范围：11 500g/m3，自动流量控制，自动除湿。（2）气溶胶吸收光度计（AE-31，美国MAGEE）。黑碳气溶胶表现出游离碳的特征，能在很宽的波长范围内有效地吸收入射电磁波（光子）。游离碳是已知的具有最宽泛连续吸收光谱的物质之一，在波长550 nm处的质量吸收系数约10mk2/g，这种吸收与入射电磁波的波长成反比，在短波端吸收增强，在长波端吸收减弱。利用黑碳气溶胶的这一特性，通过测量气溶胶样本的光学衰减量，确定大气中黑碳气溶胶的含量，即光学衰减测量方法，AE-31可以测量从370 nm到950 nm范围内的7个波段的光学吸收，可以获得更加细致的气溶胶光谱吸收的信息。（3）气溶胶浊度仪（M9003，澳大利亚ECOTECH）。M9003浊度计可以对环境大气中颗粒物的光学散射（即散射系数sp）进行连续、实时的测量。仪器内置温度和气压传感器，因而其测量结果将被自动实时订正。M9003型浊度计测量颗粒物的光学散射系数sp。sp可以反映颗粒物的污染程度，sp值越高，大气中颗粒物的含量就越高。它还可以反映大气能见度的好坏，sp值越高，能见度就越低。2.3辅助设备（1）五要素气象参数测定仪EMM03，可实时监测环境气压、气温、相对湿度、风向、风速；配置移动GPS定位系统。（2）EMM03动态稀释校准仪Sabio4010零气发生器Sabio1001，用途提供标准气体标定仪器设备。3车载海洋大气环境系统主要的功能车载海洋大气环境系统不但实现对温度、压力、湿度、风等常规气象观测，还能对CO2，SO2，H2S，O3，CO，NO2和NH3，氮的氧化物以及碳氢化合物等气体成分进行观测，同时车载系统还承载了颗粒物浓度在线监测、气溶胶吸收光度计、气溶胶浊度仪等，实现了对大气颗粒物粒径分布、黑碳气溶胶浓度以及大气浊度观测，为大气成分监测网提供野外观测平台，为大气成分监测、灰霾天气预报以及区域大气污染控制、国际外交谈判等提供基础数据；其次，此车载系统具有良好的野外作业性、仪器高稳定性，能对时、空随机性强的重大灾害性天气（台风、灰霾等）进行追踪监测、对突发性事故排放进行重点监测、对重要区域（沿海工业区、港口及锚地船舶排放污染）等重要排放源进行现场检测，从而有效地提高灾害应急能力。4车载海洋大气环境系统的应用为了评估大气成分变化所带来的巨大影响，世界气象组织（WMO）于1970年建立了全球大气本底监测网（GAW），以便对全球大气主要成分进行监测，确定大气成分的全球本底水准，研究其对全球气候产生的可能影响，到目前为止全球已有60个国家近400多个本底监测站加入GAW网。然而，大气成分因其时空变率大，突发事件影响重大等特征，使得台站观测的分辨率远不能满足大气成分时空分辨的要求。为此，早期科研人员在开展大气边界层野外试验中就把遥感探测仪器放在大型车辆上进行观测9-12；进入20世纪90年代后，世界许多国家相继建立大气移动监测系统13,14，以弥补台站点观测的不足。我国科研人员也采用车载系统对大气气溶胶、SO2、能见度、O3进行监测15-19；但由于早期观测方式单一，监测参数有限，尚未实现对海洋大气新型复合空气污染的系统监测，为此，针对沿海大气环境监测的需要，新一代海洋大气环境监测系统孕育而生，该车载海洋大气环境系统具有良好的机动性，并且该系统集观测系统、移动定位系统为一体，它将在以下方面有广泛的应用：（1）对重大灾害事件进行追踪监测，如台风、沙尘暴等，为理清灾害事件形成机制奠定基础。（2）对突发事故的监测响应，如森林火灾的抵近监测，突发污染事件现场监测，从而为灾害预警，污染控制提供第一手资料。（3）识别不同源强并评估其可能影响，对工业区、居民区、港口、道路、机场等污染源区采取定点、移动观测相结合的方式，识别源强以及源大气成分特征，评估不同源强的可能影响。（4）实时跟踪区域天气、大气成分变化，为重大公共活动，港口、机场、航运调度提供区域服务。（5）车载海洋大气环境监测系统，作为固定台站的有效延伸，极大地提高了大气成分时空分辨率，为卫星观测和数值模拟提供具体而有效对比数据。5结论车载海洋大气监测系统实现了对沿海地区大气主要气体成分、气溶胶粒径分布、质量浓度、大气能见度以及黑碳气溶胶等监测，为大气成分监测网提供野外观测平台，使得沿海地区大气成分时空分布更加详实，大气污染源的识别变得更为具体；车载、岸基台站、船载、卫星、探空以及机载的协作配合，加强了预测自然灾害的能力，为制定控制标准、国际外交谈判提供科学支撑，为进一步提高减缓全球变暖、减低脆弱性提供保障。致谢：国家社会公益专项：“台湾海峡大气污染物的输入及海洋生态效应”（2004DIB5J178）资助；科技部国际科技合作项目“中美海洋碳循环研究和海水加铁试验技术”（2009DFA22920）；国家财政部国际极地年中国行动计划专项。参考文献：1中国气象局气象探测中心.气象应急移动车载系统技术规范S北京:中国气象局,2007.2李伟,陈立奇,杨绪林等.船载风控大容量气溶胶采集系统的开发和应用J.海洋技术,2008,27（1）:4-7.3李伟,陈立奇,林奇等.海洋大气环境多参数走航观测系统的集成和应用J.海洋技术,2008,27（3）:1-4.4陈立奇,杨绪林,张远辉等.海洋-大气二氧化碳通量的观测技术J.海洋技术,2008,27（4）:9-12.5吴兑.沿海工业城市灰霾天气增多与海盐气溶胶粒子的关系J.广东气象,2009,31（2）:1-3.6Wu 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