臭氧激光雷达监测设备系统的研发和应用

“大气细粒子与臭氧时空探测激光雷达系统研发与应用”项目成功研发了臭氧激光雷达监测设备具有自主知识产权的大气细粒子和臭氧时空分布的快速在线监测系统，突破了多项共性关键技术，提高了我国激光雷达产业的自主创新能力和核心竞争力，为我国大气环境实时监测能力建设和数据分析提供了可靠的技术手段。系统还集成了多种关键技术，研制了多套样机，长期运行和多轮优化下形成了成熟稳定的激光雷达核心技术，通过技术转移和生产工艺开发建立了产业化基地，形成了激光雷达核心部件和系统整机的生产能力，提高了激光雷达的国产化率，培育了有竞争力的环境监测分析仪器新兴产业，打破了发达地区对激光雷达核心技术垄断，扭转了我国高端激光雷达设备对进口产品的依赖。

臭氧激光雷达监测设备*是利用臭氧的吸收特性测量臭氧浓度分布。激光雷达以高重复率向大气发射一对或几个不同波长的探测光脉冲。选定的波长对非常接近。一个波长位于臭氧吸收较强的位置，另一个波长位于臭氧吸收较弱或没有吸收的位置。利用臭氧对两个激光波长（两个波长光信号的衰减差）的吸收差异，确定了两个波长。脉冲激光公共路径上的臭氧浓度可以用来探测臭氧的时空分布。大气臭氧探测激光雷达由发射系统、光学接收系统和探测采集系统三部分组成。

一、产品特点

1，**性能：

该探测器对紫外辐射敏感，臭氧检测限可达ppb水平。

全固态激光器单脉冲能量高，有效探测距离大。

采用收发一体化望远镜和同轴设计的接收系统，有效地减小了盲区。

高速数据采集卡，空间分辨率高。

2，综合光学和机械设计结构：

光学系统采用光栅光谱技术，使光学系统长期稳定运行，信噪比高。

激光系统采用水冷，散热性好，振动小。

1，低维护成本：

臭氧激光雷达监测设备系统采用泵浦灯，现场维修，无需返厂；

拉曼管可以在现场更新气体。

2，使用寿命长：

闪光灯多可使用1亿次。

二、应用案例

1，有效性检查

近地面大浓度出现在12:00～13:00之间，高海拔浓度峰值出现在相应时期，特别是1.5～3km之间，浓度超过100ppb。19:00以后，近地表臭氧浓度迅速下降，相应高空臭氧浓度迅速下降，2公里内臭氧浓度低于25ppb。变化趋势与近地表测量仪器监测结果一致。

2，臭氧局部污染形成与大气污染输入

1）高空臭氧输送监测：

6月6日，臭氧高值出现在1.2-2.5公里范围内，浓度为200-240 ppb，持续时间为上午11点至下午17点，与伴随高空光化学的输送过程相对应。

2）近地表臭氧爆炸监测结果：

6月19日，臭氧过程发生在中午11:00至17:00之间。单一臭氧的高值主要集中在靠近地面1公里的区域，均超过120 ppb。19日中午12时，高海拔1.5-2.5公里处约100 ppb浓度的臭氧团也突然出现，持续约1小时。相应的过程可能是由局部污染过程引起的。

3）臭氧局部污染向高空扩散

臭氧在不同高度的时空分布具有不同的特征。臭氧的分布随时间急剧变化，低于1.6公里，平均超过1.6公里。500m、700m、900m、1000m臭氧浓度随时间变化趋势相同，1000m、1500m臭氧浓度变化趋势基本相同。局部污染扩散高度约为1500米。

三、高空臭氧生成

臭氧雷达监测表明，降雨期间臭氧浓度较低。在第16天和第17天，大臭氧（130 ppb以上）出现在中午12:00至18:00之间，出现时间与近地表臭氧峰值一致。在16日中午1.3公里处观测到臭氧形成，但对近地表没有影响。这两天臭氧污染主要发生在局部，日变化明显。

5，臭氧的外部运输和沉积

17日下午，雷达图在海平面以上0.9km处观测到臭氧输送带，与近地表臭氧层结明显。高空臭氧带一直持续到18日下午，以前对近地表没有影响。18日，近地表臭氧浓度开始上升，并在10点左右逐渐下降，持续了很长时间。

6，细颗粒和臭氧的时空分布

雾霾污染过程：15日，污染加剧，颗粒物在2.5km和1.2km附近分布较多，消光系数较大，大于1km-1。在此期间，地面附近的臭氧浓度持续较低。中午臭氧浓度低于20ppb，地面以上2km处臭氧浓度高于120ppb。

清洗过程：地面和高空颗粒物分布明显减少，消光系数接近0.1km-1。臭氧的空间分布主要表现为：近地低值，浓度小于30ppb；高海拔高值，浓度大于70ppb。然而，19日凌晨1:00，在500m范围内观察到颗粒物形成的峰值，相应时期臭氧浓度较低，几乎耗尽。

7，高低空细颗粒物与臭氧的相关性检测

6月15日早些时候，颗粒物和臭氧的垂直结构表明，细颗粒物浓度与地面800m以下的臭氧呈负相关，与地面1.5km以上的臭氧呈正相关。

颗粒物与臭氧的空间分布差异可能是由于近地面的NO较多，与O3反应转化为NO2，同时产生细小的颗粒物。在高海拔地区，地源向上输送过程中NO的氧化消耗量较大，导致到达高海拔地区的NO减少。

同时，由于高空光化学反应较多，夜间储存的臭氧较多，导致颗粒物与臭氧的空间分布存在差异。臭氧激光雷达监测设备提供了空气质量保障和减排效果评估工作，为环境决策和管理提供了重要科学依据。