北京地区大气环境监测超级站 

　　北京地区大气环境监测站始建于北京奥运期间，配备有气溶胶颗粒物理化特性测量、大气痕量气体监测、气象参数监测和基准辐射观测系统等多种仪器设备，采用固定点连续监测、地面监测与地基垂直测量相结合、地面遥测与卫星观测相结合、常规监测与高技术手段监测相结合，构成空气质量立体监测系统。大气监测站长期提供北京城市地区大气环境监测数据，并参与了污染气体及温室气体地面监测网络的建设，能够为卫星大气遥感监测提供精确的地基观测验证信息，有力支撑卫星大气遥感反演算法的研究，支持了大气环境卫星遥感监测系统的建设。 

　　一、超级站简介 

　　2007年5月中国科学院起动了“奥运北京大气行动计划”，在中科院遥感所的楼顶建立了北京地区大气环境监测超级站。超级站采用固定点连续监测、地面监测与地基垂直测量相结合、地面遥测与卫星观测相结合、常规监测与高技术手段监测相结合，构成空气质量立体监测系统，实现了奥运时段对北京及周边地区空气质量的立体监测。在“北京2007年大气环境治理预案”的实施和“北京2008年大气环境治理实施方案”的评估中挥了重要作用。 

　　北京奥运会以后，大气监测站得到了进一步的发展。在国家863项目支持下，参与组建了全国污染气体监测网（MAX-DOAS监测网络）；在遥感科学国家重点实验室的支持下，先后购入了布鲁克傅里叶变换光谱仪、一氧化碳气体浓度分析仪、黑碳颗粒物浓度分析仪、二氧化硫气体浓度分析仪、氮氧化物气体浓度分析仪、颗粒物浓度及粒径谱分布测量仪和基准辐射观测系统等设备，可以精确反演PM_2.5、PM₁₀、NO_X、SO₂、CO₂、CH₄等大气成分浓度信息，为卫星大气遥感监测提供精确的地基观测验证信息，有力支撑卫星大气遥感反演算法的研究，支持卫星大气遥感监测系统的建设。 

　　二、超级站的监测设备 

　　   太阳分光光度计（CE318）、长光程主动DOAS、振荡天平TEOM、碳黑分析仪（BC）、多轴被动差分光谱测量仪（MAXDOAS）、能见度仪、双波段偏振激光雷达（LIDAR）、粒谱分析仪、气象五参数自动测量仪、傅里叶变换光谱仪。（见图1～图8） 

太阳分光光度计（CE318）  功能：主要用于测量太阳和天空在可见光和近红外的不同波段、不同方向、不同时间的辐射亮度，来推算气溶胶、水汽、臭氧等成分的特性；用于大气环境监测，卫星校正等应用。 特点：  易携带安装  自动瞄准  太阳能供电  可自动传输数据

　　图1：太阳分光光度计（CE318）  

　　  

长光程差分吸收光谱仪（DOAS）  主要技术指标：  测量成份：臭氧，二氧化硫，甲醛，芳香烃等  测量范围：0——500ppb（500m光程）  最低检测限：2ppb（500m光程）  特点：  测量精度高，监测下限低  非接触测量，不改变气体的性质和浓度  可实时连续长期运行，操作简单，维护方便。

　　图2：长光程差分吸收光谱仪 

振荡天平（TEOM）  主要技术指标：  测量原理：震荡天平法  测量成分：TSP，PM10,PM2.5  采样流量：16.7L/min  特点：  测量精度高  维护周期长  良好的用户界面，实时显示数据  良好的环境适应性，适合无人值守在线监测系统

　　图3：振荡天平（TEOM） 

颗粒物黑碳气溶胶分析仪(BC)  技术指标：  监测成分：碳黑气溶胶  采样流量:1——5L/min  信号输出：模拟（4——20mA）  数字（RS232/RS485）  特点：连续实时在线检测大气中的碳黑气溶胶的质量浓度

　　 图4：黑碳气溶胶分析仪（BC） 

多轴差分光谱测量仪（MAXDOAS）  功能:监测二氧化氮，臭氧的柱浓度和垂直廓线  特点：  测量精度高，监测下限低   可实时连续长期运行，操作简单，维护方便，运行成本低  可同时监测多种气体  对卫星数据进行校验

　　图5：多轴差分光谱测量仪（MAXDOAS） 

能见度测量仪  功能：测量气象光学能见度  主要技术指标：  测量范围：10——50000m  传输方式：RS232，RS485，GPRS  功耗：30W+60W（加热）  可靠性：平均无故障时间不小于5000小时

　　图6：能见度测量仪 

双通道偏振激光雷达（LiDAR）  功能：监测气溶胶厚度；消光系数和边界层高度；区分沙尘与局地气溶胶类型；  测量原理：激光器发射出532nm激光，激光信号经大气和云的后向散射作用，通过接收望远镜接收532nm的垂直和水平偏振信号，分析回波强度和粒子的消偏振特性，可解析出其中粒子的非球形解偏属性，以确定颗粒物的光学特性。

　　图7：双通道偏振激光雷达（LiDAR） 

Bruker IFS 125M傅立叶光谱仪（FTIR）  功能：测量H2O、CO2、CH4、N2O、O3等气体的柱浓度信息  测量原理：获取高光谱分辨率辐射数据，在短波红外至中远红外波段区间，IFS125M的观测波段包含了H2O、CO2、CH4、N2O、O3等气体的吸收特征波段，可用于反演气体柱浓度信息。

　　图8：Bruker IFS 125M 傅立叶光谱仪（FTIR） 

 

　　图9：环境大气质量自动监测系统 

　　三、超级站监测内容 

　　颗粒物相关参数的监测：主要包括PM₁₀、PM_2.5，碳黑，粒子谱分布，气溶胶光学厚度，能见度，气溶胶后向散射系数垂直分布，退偏比； 

　　污染气体浓度监测：近地面污染气体浓度包括臭氧（O₃）、二氧化氮（NO₂）、二氧化硫（SO₂）；污染气体垂直柱浓度包括臭氧（O₃）、二氧化氮（NO₂）、二氧化硫（SO₂）； 

　　气象参数监测：主要包括气温、气压、相对湿度、风向、风速。 

　　四、超级站数据支撑 

　　1. 重大课题支撑 

超级站监测数据先后为中国科学院战略性先导科技专项（A类）项目“应对气候变化的碳收支认证及相关问题”、中国科学院战略性先导科技专项（B类）项目“大气灰霾追因与控制”、国家高分辨率对地观测系统重大专项项目“高分大气环境遥感监测关键技术研究、系统开发与应用示范”、国家863计划课题“星-机-地生态环境质量遥感监测系统集成与师范”、国家自然科学重点基金项目“卫星遥感反演CO2误差分析和低层大气CO2模拟”等重大项目提供支撑，有效配合了项目的研究需求，为相关项目研究提供京津冀城市地区环境空气质量监测数据，为卫星产品反演算法研究提供了高精度的地面验证数据。 

　　2. 参与中科院安徽光机所组建的MAX-DOAS地面监测网 

 

　　监测数据可用于污染气体柱浓度监测、污染物输送研究，以及卫星反演产品的校验。 

 

　　3. 作为TCCON观测网络的补充站点提供温室气体观测数据 

 

　　CO2反演拟合谱与实测谱 

 

　　谱线比对残差分析 

　　利用地基FTS仪器直接测量太阳光谱，可用于CO2、CH4、N2O、CO等温室气体的反演，为全球变化研究提供基础数据，同时也可以用于卫星反演数据的比对验证。 

　　五、超级站接待参观交流 

　　超级站自建立以来，多次接待相关部门领导及外宾的参观访问，包括北京市市长王岐山、中国科学院前院长路甬祥院士、副院长江绵恒、阴和俊，美国NASA访问团、德国及埃及航天部门访问团等。 

 

　　2007年8月，时任北京市市长王岐山同志在中科院副院长江绵恒的陪同下考察北京地区奥运大气环境监测超级站，刘文清院士介绍“北京及周边地区奥运大气环境监测和预警联合行动计划”项目进展情况。 

 

　　2008年5月12日，时任中国科学院院长路甬祥院士视察大气环境监测超级站，陈良富研究员介绍超级站在卫星遥感大气成分监测当中发挥的重要作用。 

 

　　2009年5月，埃及国家空间局局长参观超级站 

 

　　2009年7月，美国NASA访问团参观超级站 

 

　　2010年4月，我国环保领域院士专家参观超级站 

 

　　2011年6月，中科院北京分院李静副院长参观超级站 

 

　　2011年10月，中国科学院深圳先进技术研究院党委书记一行参观超级站