1 背景需求

近年来，伴随着我国社会经济的高速和多元化发展，大气污染引起了社会的高度关注. 大气环境的变化不但影响着当今和未来的世界，而且也一直是国际科学前沿关注的热点，大气环境污染问题的解决离不开先进的监测技术和手段[1-2]. 目前大气环境污染监测数据主要来源于地面监测网，同时辅以卫星监测数据[3-4]. 但地面监测网难以说明对流层特别是人类赖以生存的边界层的状况，缺乏立体监测数据，而卫星监测数据的地面分辨率又不足以识别主要污染来源，因此，要满足大气环境科学研究以及业务监测工作的需求，需要开展大气污染时空分布的地基立体监测. 借鉴国家“863”计划中“重点城市群大气复合污染防治技术与集成示范”重大项目及其成功实践经验(亚运会、世博会等重大赛事的空气安全保障)，以说清污染源现状、说清环境质量、说清环境风险为目标，“大气立体监测”这一概念应运而生. 大气立体监测技术以光与环境物质的相互作用为物理机制，将低层大气环境任意测程上的化学和物理性质的测量手段从点式传感器转向时间、空间、距离分辨的遥测，通过建立污染物的光谱特征数据库，研发污染物的光谱定量解析算法，再结合光机电算工程化技术，形成了以DOAS(差分光学吸收光谱学)技术[5]、LIDAR(激光雷达)技术[6-7]、FTIR(傅里叶光谱学)[8-9]技术以及激光击穿光谱学(LIBS)技术等为主体的环境监测体系[10]，实现了多空间尺度性、多时间尺度性、多参数遥测，从根本上改变了传统的大气研究由点到线再到面的演绎法，为大气环境研究提供了一个全新的研究角度，克服了传统大气环境监测中的诸多局限性.

图1 基于多平台的区域大气污染监测网及应用Fig.1 Regional air pollution monitoring network based on multi-platform and its application

2 技术应用

大气立体监测技术可以应用于环境污染、环境安全和工业过程控制的在线现场监测、地基平台监测、机载平台监测、球载平台监测以及星载平台监测[11-14]. 对于固定点位监测，不同高度污染物浓度数据主要依靠激光雷达探测、FTIR与DOAS技术遥测获取；颗粒物质量浓度数据通过激光雷达探测获取；ρ(SO2)、ρ(NOx)、ρ(NH3)可通过DOAS技术遥测获取；ρ(CO)和ρ(VOCs)则可利用FTIR技术观测获取. 如对重点源的气态污染物排放可实施定点遥感监测，对其颗粒物及其前驱物的演变规律和输送方向进行定量核算，避免在重大空气质量保障活动中和应对重污染天气的对策中无差别地进行关停；同时，对各城市常规监测站ρ(SO2)、ρ(NO2)、ρ(PM10)、ρ(PM2.5)、ρ(CO)的逐时数据进行收集，作为地面污染物浓度信息的补充. 对于无组织源排放或应急监测，通常采用车载FTIR与车载DOAS技术，对典型布点区域污染物地面浓度分布、垂直柱浓度分布进行移动遥测，以提供更多的空间污染信息，如对化工、电子和涂装园区的VOCs进行常态化的车载监控形成的无组织排放大数据，可以对污染区的各个工艺和管理环节水平进行预判预警，从而及时有针对性地进行精准监管[15-18]. 结合卫星遥感技术(MODIS、OMI、AIRS等)可以反演得到各污染物(颗粒物、SO2、NO2、CO等)的区域宏观浓度变化趋势，以及对污染物浓度的空中观测信息进行验证对比. 随着技术的进步，区域立体探测技术在不断发展，从垂直定向观测向三维扫描观测发展，从固定站点观测向走航移动观测发展，从颗粒物的空间观测到臭氧、VOC等气态污染物的空间观测，从单一污染要素观测到环境、污染物等多要素协同观测等. 在以区域立体探测技术为基础的环境监测网络中〔见图1(a)〕，通过环境监测获取污染状况及其变化规律，掌握环境质量和固定污染源排放；城市和区域模拟则为污染物排放与环境质量之间建立数值关系，进一步推进环境、气象、交通及科研监测数据的融合共享，通过实践建立多元数据获取的运行规范和共享机制，实现各级各类监测数据系统互联共享，提升监测预报预警、信息化能力和保障水平，为改善环境质量的污染排放控制和治理措施的效果评价提供技术支持和决策支撑〔见(图1(b)〕.

2.1固定点立体监测

近10年来，京津冀地区包括晋蒙豫鲁及其周边地区的大气污染呈持续时间长、灰霾出现频次高、污染物的性质不稳定和浓度高等特点. 科学试验和卫星综合分析表明，从河北省北部、山东省西北部向北沿太行山脉到燕山山脉形成了一条污染聚集带，在气流比较弱的情况下，区域内排放的污染物和外来输送的污染物会在该地带聚集，无法向外输送，当污染物积累效应超过大气环境容量时，就形成了区域性重度大气污染现象.

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