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1、 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
2、，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 文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 测，为此，建立
3、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
4、 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 文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 气成分的变化严重影响了海
5、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
6、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 文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 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
7、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
8、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。 文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 （3）紫外荧光法 SO2 分析仪（ML/EC9852） 。H2S 转换
9、 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
10、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。 文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 （6）NOX
11、 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） 。GRI
12、MM-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 文章源于科技论文发表网： QQ:1003
13、59168 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
14、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 文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 及碳氢化合物等气体成分进行观测，同时车载系统还承
15、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 文章源于科技论文发表网： QQ:1003 59168 统13,14
