1 发展需求

近30年来，中国在取得高速经济增长的同时也付出了巨大的环境代价，大气氧化、区域性/城市污染和PM2.5造成的严重环境污染和生态破坏已成为制约中国经济可持续发展、危害生态环境、影响人民生活和身体健康的突出问题[1]。因此，必须对影响人类生存和决定对流层成分的大气过程进行监测/观测。目前发达国家的环境监测领域已经建立了比较完善的环境标准、监测技术与方法体系，领先优势十分明显。1995年美国环境保护署(EPA)制定了验证环境创新技术的鉴定计划(ETV)，通过评价环境监测仪器设备的性能(气、水、土壤、生态系统、废弃物、污染源等)，大大加快了先进环境监测仪器设备进入国内和国际市场的速度。之后环境科技研究逐渐进入以地球生态系统为对象的综合集成研究阶段，研究工作更加依赖于网络化的长期连续观测资料的积累和分析，例如：NOAA组织的包括70多个高质量地基观测站的大气成分与温室气体变化探测网络(NDACC)、德国BREDOM地基DOAS观测网络、欧洲气溶胶雷达观测网(EARLINET)、亚洲沙尘暴观测网(AD-Net)等[2-5]，这一系列大型国际外场监测计划推动了监测新技术的应用，发展了一系列在线监测新技术、超级站、立体监测平台以及长期定位观测站，应用于全球环境变化和区域环境质量监测。

近年来，中国环境监测技术取得了较大进步，如开展了环境痕量成分检测的光学新原理、新方法研究，发展了痕量污染物和大气成分的高分辨光谱探测方法及技术，包括紫外/可见/红外光谱技术、激光光谱技术、光学遥感技术等，并发展了多平台(地基、机载、星载)环境污染物/大气成分(污染气体、温室气体等)探测技术及系统集成以及空间大气成分探测载荷、地基观测网络[6-12]。部分“863”计划成果已实现产业化，初步打破了多年来中国自动在线环境监测仪器必须依赖国外进口的局面，基本满足了当前空气质量指标(SO2、NO2、PM10)监测和水环境指标(COD等)监测的需求，为国家环境监测能力建设提供设备支撑。一些高端监测技术设备也为国家重大应急环境工程提供了技术支撑。但是,由于中国环境监测的业务范围、应用部门增多，监测方式、内容、精度发生明显转变，对高新技术的需求比任何时候都更加迫切。

2 环境监测光谱技术进展与应用

大气环境污染常用的监测分析方法主要分为非光谱方法和光谱方法[13-14]。相比而言，以光学和光谱学遥感技术为基础的光谱技术以其大范围、多组分检测、连续实时监测方式成为大气污染监测的理想工具。其主要优点包括但不局限于：高灵敏度，通过选择合适的光谱波段，可测出低于10-9的污染物体积混合比浓度；多物种性，可利用同一波段实现非接触在线自动监测多种污染物的浓度；宽测量范围，测量范围可从100 m扩展至数千米，无需多点采样即可获得区域污染平均浓度，且光谱技术是唯一能够在星载平台观测全球大气环境变换的技术手段。所以，光学和光谱学技术在环境监测领域的应用越来越广泛，并逐渐成为当前重要常规污染物在线监测的技术主流和发展方向。

2.1 痕量气体紫外-可见-红外光谱探测技术

大气微量成分和痕量成分具有寿命短、化学活性等特点，可以通过化学过程形成酸雨、光化学烟雾等。因此，对这些大气微量成分的研究已成为大气化学的重点之一。基于光学原理的大气成分在线监测技术以光学中的吸收光谱、发射光谱、光的散射以及大气辐射传输等为研究基础，主要形成了以差分光学吸收光谱(DOAS)技术、可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术、傅立叶变换红外光谱(FTIR)技术、非分光红外(NDIR)技术、激光雷达(LIDAR)技术、光散射技术、荧光光谱技术、激光诱导击穿光谱(LIBS)技术、光声光谱技术等为主体的环境光学监测技术体系，并研发了用于区域、立体、实时监测的系列设备，如表1所示，由于篇幅所限，笔者只介绍其中的几种技术。

表1 大气污染物监测技术与仪器[15-20]Table 1 Techniques and instruments for atmospheric pollutents monitoring监测项目大气要素现有可应用测量技术监测项目大气要素现有可应用测量技术温室气体反应性痕量气体二氧化碳(CO2)TDLAS、FTIR、NDIR、GC甲烷(CH4)TDLAS、FTIR、NDIR氧化亚氮(N2O)TDLAS、FTIR六氟化硫(SF6)TDLAS、FTIR氟氯烃类(CFCs)TDLAS、FTIR稳定同位素TDLAS，FTIR(12C、13C)，MS地面臭氧(O3)DOAS、FTIR、紫外荧光、紫外光度法臭氧总量及廓线LIDAR、Dobson、ZSL?DOAS一氧化碳(CO)TDLAS、FTIR、NDIR、GC二氧化硫(SO2)DOAS、FTIR、紫外荧光法二氧化氮(NO2)DOAS、TDLAS、化学发光挥发性有机物(VOCs)FTIR、DOAS、GC?FID污染性痕量气体气溶胶颗粒物亚硝酸(HNO2)DOAS、DENUDER氨(NH3)TDLAS、DOAS、FTIR甲醛(CH2O)DOAS、TDLAS、FTIR、GC?FID一氧化氮(NO)TDLAS、DOAS、化学发光法芳香烃有机物DOAS、GC离子成分飞行时间质谱仪碳黑含量(BC)气溶胶碳黑仪物理特性(PM25、PM10质量浓度)TEOM、颗粒物粒径分析仪光散射特性LIDAR光学厚度等LIDAR时空分布LIDAR能见度能见度仪

文章来源：《大气与环境光学学报》 网址: http://www.dqyhjgxxb.cn/qikandaodu/2021/0212/362.html