南京地区SO2和O3浓度廓线较高精度同时综合观测反演新方法研究

SO2 and O3 are two important influencing factors for air pollutions and Climate changes.Ozone depletion and acid rain and climate warming is the hot point issue for atmospheric environment research.The SO2 and O3 measurements data is lacking, it is of huge significance to measure SO2 and O3 silmutaneously with higher accuracy. In this project, to measure SO2 and O3 silmutaneously with higher accuracy using Raman-Rayleigh-Mie Lidar, to build Bernoulli differential equation containing O3 absorption, and to develop new method of inverting SO2 and O3，one measurement can get more kind data，reduce the price and increase the efficiency; To remove the measurement uncertainty due to aerosol effect, to remove mutual effect between SO2 and O3, and to obtain the SO2 and O3 profiles with high accuracy; Compare the measurement results with that by the sun photometer and other groundbased measurement equipments to ensure the data accuracy and comparability; Associate O3 profile data with the temperature data by Rayleigh Lidar to research chemistry pollution related to temperature.Carry out long-term SO2 and O3 measurement in Nanjing to provide out-field accurate measurement and treasured basic data for compound pollution and climatic variation study in middle-down area of Yangzhi River centered at Nanjing; and to provide scientific basis for treating air pollution in Nanjing City for Youth Olympic Game in 2014.

SO2和O3是影响大气污染和气候变化的两重要因素。臭氧层破坏、酸雨腐蚀、气候变暖是全球大气环境研究热点，因缺乏SO2和O3系统观测资料，对二者进行较高精度同时综合观测研究意义重大。本项目拟通过拉曼-瑞利-米激光雷达对SO2与O3进行较高精度同时综合观测，并建立含有O3吸收的伯努利方程，开展O3和SO2反演新方法研究，实现一次实验多种数据探测，降低成本，提高效率；消除气溶胶对观测结果影响以及SO2与O3相互之间干扰，获得较高精度SO2和O3廓线；积分SO2和O3浓度使其与太阳光度计及其它地面观测仪器数据相匹配，确保数据三性：可比性、准确性和代表性；通过关联廓线数据与瑞利散射温度数据，研究光化学污染与温度相关性；对南京地区SO2和O3实行长期观测，为研究以南京为中心的长三角区域性复合污染、及其气候效应提供准确外场试验和宝贵基础数据，为迎接2014年南京青奥会召开，治理南京市污染提供科学依据。

展开SO2和大气O3的 Raman-Rayleigh-Mie 激光雷达综合观测的原理和方法研究。提出用 Raman-Rayleigh-Mie 激光雷达实现对大气中的SO2 和 O3进行同时观测，建立探测 O3 和 Aerosol 的 Raman -Rayleigh-Mie 激光雷达新理论方程组，研究并给出方程组的解，得到大气 O3 含量随高度变化的廓线分布；然后建立探测 SO2 的 Rayleigh-Mie 散射激光雷达方程，得到大气 SO2 含量随高度变化的廓线分布。.实验方面，开展 Raman-Rayleigh-Mie 多功能激光雷达的光源光路的设计和系统的改装工作，实现了单波长（532nm）光源的Raman-Rayleigh-Mie激光雷达系统同时高精度测量大气SO2和O3的功能。在传统差分吸收激光雷达测量SO2和O3方法和技术上实现了新的突破。实现了系统的多功能化；结构简单；经济实用：Nd:YAG 激光器的二倍频532nm 和四倍频 266nm光的散射光被望远镜接受，再经过分色镜、半反半透（532nm/ 266nm）镜和全反镜（532nm/266nm），分别进入拉曼和锐利/米通道。散射光中的氮拉曼光 607nm 被第一分色镜分出后进入拉曼通道，测得拉曼回波；散射的532 nm 光（遮挡住 266 nm 光源）经过半反半透反射后进入锐利通道，测得高空锐利散射回波，和低空米散射回波；利用607nm拉曼信号和锐利/米通道532n m回波信号，结合布努力方程组，反演出大气 O3廓线。散射的 266 nm （遮挡住532 nm 光源）光经过半反半透反射后进入锐利通道，测得锐利 (266nm) 回波；散射的 266nm (遮挡住 532 nm) 光经半反半透镜透射后，由全反镜进入米通道，测得米 (266 nm) 回波信号。从以上两 266nm回波信号中反演计算出总消光。从总消光中扣除纯净O3吸收引起的消光，得到准确SO2廓线。 还增加了臭氧和二氧化硫的地表和卫星观测数据分析以及北极臭氧生肖的研究。发表文章23篇，其中SCI 7篇，获得5项发明专利的授权。臭氧数据得到《激光与光电子进展》及其网站的介绍。该项目对研究臭氧层破坏、酸雨腐蚀、气候变暖、环境变化的研究提供了新的数据观测方法。