基于超光谱技术研究交通源污染物的排放特征及传输影响

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随着我国城市化和产业升级进程的同步加快,我国城市大气污染一次源形式逐渐从工业源转为交通源占主导。交通源又分为道路交通源和非道路交通源,前者以道路上行驶的机动车排放的尾气为主,后者则表示由船舶、飞机、农业机械等交通工具的排放。交通源污染物在危害当地空气质量水平的同时,也会由于气象因素扩散到周边区域,这被称为气体污染的传输,因此有必要对于交通源的污染物的排放与传输作用进行有效监测。传统的观测方式在达到准确度与监测效率高的同时往往面临人力成本较高的问题,而光谱分辨率达到10-3 λ的大气环境超光谱遥感方法可以利用痕量气体在特定波段的吸收特征结构,通过最小二乘拟合算法实现对于痕量气体浓度的计算,从而实现对于污染气体的有效观测。本论文首先分析了目前我国交通源污染现状与多种大气监测手段,随后对于被动环境光谱遥感技术与超光谱反演算法进行详细介绍,最后将前述方法应用于道路交通源污染排放监测和交通源污染物传输监测两种不同的场景下,完成了对于超光谱技术在交通源污染物监测中应用的探索与讨论。主要的研究内容与结论如下:(1)基于超光谱技术实现了对于合肥市主要道路金寨路部分路段的NOx排放的监测,在为期三个月的观测期间,通过两个不同的方位角的观测差值获取了道路上空的NO2垂直柱浓度,其与车辆拥堵系数的日变化呈显著相关,皮尔森相关系数达到0.927.随后本研究利用观测时期得到的浓度值进行了日变化分析,发现金寨路上空NO2浓度日变化具有明显的双峰结构,最高值和次高值分别出现在当地时间下午16:00-17:00,与早8:00-9:00,二者分别比日平均浓度高146.6%与38.4%。同时道路上空NO2VCD具有明显的周末效应,其周末道路的NO2平均值为周中对应数值的57.4%。同时本研究利用腔增强超光谱分析仪在实际行驶状态下对于金寨路通行的车队进行NO2与NOx排放结果的车载观测,结果显示在拥堵状态下NOx与NO2的比值约为正常行驶的状态的1.73倍。(2)基于地基多轴超光谱遥感技术完成对于交通源污染物传输的有效监测。本研究于2020-2021年期间在辽东面积第一的岛屿觉华岛对该区域气溶胶、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2)的垂直柱浓度与垂直廓线开展了 9个月的连续监测。观测结果表明,觉华岛地区污染物受到周边交通源与季风性气候的影响整体表现出秋冬高春秋低的特点,表现为在前一时段NO2和SO2的平均浓度值分别为 14.5×1015 molec/cm2 与 16.6×1015 molec/cm2,比后一时段分别高出 84%和88%。同时观测结果成功捕捉到了封冻期期间该地区SO2浓度的降低,推测这是由于辽东湾船舶交通排放急剧下降的结果。最后通过观测数据结合后向轨迹、潜在来源分析和加权浓度轨迹等模型的方法得到的结果显示京津冀中东部地区交通源与工业源的传输效应为该区域NO2的浓度上升的主要原因而SO2的重污染贡献则主要来源于其北部辽东湾的船舶排放;而对于气溶胶而言,观测结果显示其与交通源关系较小,而是南部区域海盐气溶胶的传输与山东半岛的生物质燃烧占据主导地位。
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