差分吸收光谱技术DOAS介绍1

2、DOAS仪器的特点
DOAS仪器与传统的点探测相比具有以下优点: • 高灵敏度的实时测量:用同一个仪器实现了多种痕量物质的实时、同时 测量。 • 光程上的线测量:DOAS系统测量的是从光源到接收器之间位于大气中的 开放的光程上痕量气体的总吸收,因此得到的是给定光程上污染物的平 均浓度,它比用点探测得到的浓度更具有代表性。 • 高精度的非接触测量:用DOAS技术测量物质的浓度,不确定性仅仅受到 可独立测量的这种物质的差分吸收截面测量精度、大气吸收光谱测量 精度、光谱处理精度的影响。 • 低维护、低成本:由于DOAS是一种绝对测量技术,一旦给DOAS系统提供 了适当的参考光谱就不需要常规的气体校准。另外,维护周期短,运转 成本低。DOAS系统在无人照管的条件下可以长期运转,通过电话网上的 调制解调器与操作者通信,实现数据的自动采集或操作控制。
4、DOAS系统的构成
整个DOAS系统主要包括:
• 光源
• • • • • 光发射和接收装置 角反射镜 石英光纤 光谱仪 光探测器(PDA光电二极管阵 列) 配套的计算机
• 数据采集卡(A/D转换)
• 光发射/接收单元采用开路式单 端结构
发射器和接收器
• 一个带氙灯和供电 装置的发射器 • 一个捕捉光源的接 收器
NO + O3 → NO2 + O2
1、污染物的日变化规律及其相互关系
(2)、SO2的日变化规律
人类活动开始 地面大气扩散未充分发展
大气层结稳定 不利于扩散
2、空气污染的“周末效应”分析
(1) 周末-工作日NO2日变化规律对比
2、空气污染的“周末效应”分析
(2)周末-工作日O3的日变化规律对比
考虑到瑞利(Rayleigh)散射、米(Mie)散射以及大气中 其它
物质的消光因素,可以得到修正后的Lambert-Beer定律形式:
I(λ )=I0(λ )exp[-L(∑i(σ (λ )ci)+ε R(λ )+ε M(λ ))]A(λ ) (2)
其中,A表示系统的传输函数,ε R表示瑞利散射消光系数,ε M 表示米氏散射消光系数,式中同时考虑存在多种吸收气体的情 况。
光缆 用于把接收器收 到的光传输到光 谱分析仪内
PS150电源 提供20伏特/8安培直 流电给发射器使用
多路器 切换长、短光路接收 光谱
AR500分析仪 测量、计算及分析的中 央处理器 • 光谱分析仪 • 计算机
二、DOAS技术测量数据处理与讨论
观测资料介绍
• 采样时间：南京市2008年4月至2008年9月
DOAS技术的关键是将吸收截面σ i(λ )分解为两部分:
σ i(λ )=σ i0(λ )+σ i(λ ) (3)
(3)式中σ i0(λ )表示吸收截面中随波长缓慢变化的“宽带”光 谱部分(低频),σ i(λ )表示吸收截面中随波长快速变化的“窄 带”光谱部分(高频),即差分吸收截面。定义I0(λ )为不包含差 分吸收时的光强:
I0(λ )=I0(λ )exp[-L(∑i(σ io(λ )ci)+ε R(λ )+ε M(λ ))]A(λ ) (4)
(4)式包含光谱强度的慢变化部分,即消光、大气紊乱、气体的 “宽带”吸收结构以及系统传输函数等引起的光强变化。
定义D′(λ )为差分吸收光谱,可以表示为:
D′(λ )=lnI′0(λ )I(λ )=L·∑iσ ′i(λ )·ci(5)
一、差分吸收光谱技术DOAS介绍
1、DOAS技术简介
差分吸收光谱技术DOAS(Differential Optical Absorption Spectrometry)是在20世纪70年代末由德国Heidelberg大学 环境物理研究所的U.Platt和D.Perner提出的,目前这一技术 广泛应用于大气环境监测。DOAS技术根据记录的在几公里长 的光程上大气中痕量物质对光的差分吸收来计算痕量物质的 浓度。长光程是为了获得极低浓度的大气污染物的可测量的 吸光率。使用差分吸收而不是绝对吸收是由于大多数大气污 染物在大气中连续存在,不可能获得未经衰减的大气光谱。
2、空气污染的“周末效应”分析
(3)周末-工作日SO2的日变化规律对比
3、污染物浓度日变化与气象条件的关系
不同天气条件下O3的日变化规律
晴天云量少 光照强度大 光化学反应活跃 反应速率常数大
三、思考题
1、DOAS系统主要由哪几部分构成？
3、DOAS系统的测量原理
差分光学吸收光谱技术的工作原理是利用分子的窄带吸
收光谱来辨别气体的成分,通过其吸收谱的强度推导被测 气体的浓度,其理论基础是Lambert-Beer定律:
I(λ )=I0(λ )exp(-σ (λ )cL) (1)
其中,光源发出的光强为I0,经过光程L,在接收端得到的 强度为I。I0和I都是波长λ 的函数。如果浓度c的单位用 mole/cm3,则气体的吸收能力用吸收截面σ (单位 :cm2/mole)来表示。
• 资料分析：利用DOAS对主要大气污染物NO2、SO2以 及O3的测量结果，分析了南京市主要大气污染物的 日变化规律、空气污染的“周末效应”以及与天 气情况的密切关系
1、污染物的Hale Waihona Puke Baidu变化规律及其相互关系
(1)、O3和NO2的日变化规律
NO2 + hγ → NO + O
O + O2 + M → O3 + M
DOAS大气成份测量原理 与数据处理
张艳燕
2008202456
目录
一、差分吸收光谱技术DOAS介绍 1、DOAS技术简介 2、DOAS仪器的特点 3、DOAS系统的测量原理 4、DOAS系统的构成 二、DOAS技术测量数据处理与讨论 1、O3、NO2 及SO2的日变化规律及相互关系 2、空气污染的“周末效应”分析 3、污染物浓度日变化与气象条件的关系 三、思考题
其中,I(λ )就是测量得到的采样光谱,I′0(λ )则可通过提 取出I(λ )的慢变化得到。因为差分吸收截面σ ′i(λ )可 由文献或实验室测量的绝对吸收截面σ i(λ )计算得到,光 程长L可通过激光测距等手段获得,所以只要有相应的差分 吸收光谱(足够多的数据点),利用最小二乘,就可以得到各 种吸收气体的浓度ci。