“环境光学技术、应用与进展”专题封面 | 差分光学吸收光谱技术：揭示大气活性卤素化学的关键手段

《光学学报》于2026年46卷第06期推出“环境光学技术、应用与进展”专题。其中，复旦大学大学环境光学遥感团队王珊珊教授等特邀综述“差分光学吸收光谱技术监测大气含氧卤素自由基研究进展”被选为本期封面文章。

封面解析

封面展示了三种以差分光学吸收光谱法（DOAS）为核心的大气含氧卤素自由基探测技术，根据使用光源不同，它们被分为主动式、被动式DOAS。封面右下方为采用人工光源的主动DOAS，采用了发射/接收一体式-反射的形式布设光路，发射光通过穿越数千米乃至10 km以上的大气，捕获这些化学活性极高、浓度极低的含氧卤素自由基的吸收光谱信号。被动式DOAS包括封面中央的地基多轴DOAS以及卫星平台DOAS，两者均以太阳散射光为光源，结合大气辐射传输模型，可实现对低对流层及整层大气中含氧卤素自由基浓度的精准反演。三种技术的协同构建起从近地面到全球尺度的含氧卤素自由基观测体系。

文章链接：王珊珊, 江志文, 闫宇昊. 差分光学吸收光谱技术监测大气含氧卤素自由基研究进展（特邀）[J]. 光学学报, 2026, 46(6): 0600001.

论文系统回顾了差分光学吸收光谱（DOAS）技术在大气含氧卤素自由基观测方面的研究进展，重点总结了基于不同光源的主动与被动DOAS技术在地基、船载、机载和卫星平台的应用成果，涵盖极地、中低纬度海洋边界层、盐湖以及火山等典型环境。同时，针对不同技术的现状、挑战和发展趋势进行了讨论，对未来DOAS技术在大气中含氧卤素自由基监测领域的应用提出了需要进一步关注的方向。

含氧卤素自由基（XOn，X=Cl, Br, I，n=1,2,…）是大气化学中一类至关重要的活性物质，深刻影响着全球环境与气候系统，能够高效催化臭氧损耗、调控大气氧化能力，并广泛参与大气汞活化和气溶胶生成等过程。然而，这些自由基不仅化学活性极高，在环境中的体积分数也极低（通常在pptv量级水平），这使得在真实环境中实现精准定量面临巨大的技术挑战。

差分光学吸收光谱（DOAS）技术凭借无需采样、免标定、操作简便、成本较低且可同时测量多种痕量气体的显著优势，有效克服了传统高灵敏度实验室装置的复杂性，已成为目前外场含氧卤素自由基观测研究中不可或缺的重要探测工具。

DOAS技术的核心原理是利用大气痕量气体对紫外-可见光的吸收特性进行定量分析。光在真实大气传输中会受到瑞利散射和米散射的宽带吸收干扰，DOAS技术通过“差分光谱”算法分离出平滑的“慢变化”部分，从而精确提取待测气体的窄带吸收特征来计算浓度。根据光源和应用平台的不同，目前该技术主要分为三大类，如图1所示。

图1 差分光学吸收光谱技术的不同观测模式：(a) 发射、接收分离式主动DOAS; (b)发射-接收一体式主动DOAS; (c) 多轴差分光学吸收光谱; (d) 卫星平台观测

2.1 主动差分光学吸收光谱技术

主动DOAS采用人工光源（如氙灯、氘灯、LED等），因测量吸收光程已知，光谱反演技术相对成熟。为满足探测极低浓度自由基的需求，长光程DOAS（LP-DOAS）通常需要布设数千米至10 km以上的有效光路来累积足够的吸收信号。近年来的技术进展集中在系统光学元器件的改进上，例如利用激光驱动高压氙灯结合光纤模态混合技术大幅提升光源寿命与系统稳定性，或采用多路独立LED光纤合束技术构建模块化、低功耗的便携式系统。

2.2 被动差分光学吸收光谱技术

被动DOAS技术主要以太阳光、月光等自然光为光源。经过多年的技术迭代，多轴DOAS（MAX-DOAS）逐渐成为该项技术的主流观测方法。该方法具备较长的大气光路，且无需采样，极大程度避免测量损耗，是含氧卤素自由基外场观测中不可或缺的重要手段，结合辐射传输模型可以实现低对流层卤素自由基的垂直分布精准探测。由于卤素自由基环境浓度较低（pptv量级），在污染环境下常会受到NO₂或HCHO等强吸收体的干扰，近年来研究更注重强干扰下的弱吸收提信号的准确提取。目前研究人员开发了基于合成光谱迭代检索最优拟合波段的方法，以及在反演前预先扣除强吸收干扰组分的策略，显著提升了弱吸收体反演的准确度。

2.3 卫星平台差分光学吸收光谱技术

星载平台利用DOAS技术分析太阳后向散射光，可以在紫外和可见光范围内反演包括含氧卤素自由基在内的多种大气组分总柱浓度，同时还具备大范围、甚至全球尺度的空间覆盖。随着传感器的更迭发展，光谱仪的空间分辨率和信噪比不断提高，卫星遥感能够精准捕捉极地溴爆发、火山喷发等小尺度源的卤素自由基总柱浓度及垂直廓线信息，包括BrO, IO、OClO等；此外，近年来静止轨道卫星（如GEMS、TEMPO）的相继发射，更是为提供其日变化趋势监测奠定了基础。

得益于极高的探测灵敏度，DOAS技术在揭示全球不同区域的卤素化学机制中发挥了关键作用。

自1992年北极Alert站首次使用DOAS观测到BrO与臭氧损耗关联以来，该技术已在南北极、热带大西洋、北大西洋和死海等多个区域的观测中运用，均发现BrO、OClO和IO引发的显著O₃损耗现象，研究结合观测与模型手段揭示了相应的化学反应机制。在极地以外的海洋边界层，船载和机载DOAS证实了IO和BrO在全纬度海洋大气的广泛存在，发现碘不仅驱动新粒子生成，其主导的化学反应更是极地的第二大臭氧损耗路径。LP-DOAS在北大西洋、南北极的测量中还为含氧卤素自由基对HO₂/OH和NO₂/NO的调控作用提供了重要观测证据。

DOAS能够同时测量多种痕量气体组分的特性使其非常适合用于监测火山烟羽。多项研究在不同火山的排放羽流中探测到显著的BrO和OClO富集，发现BrO/SO₂比例会随火山活动状态改变，成为潜在的火山喷发预警指标。此外，在死海谷地及Salar de Uyuni盐沼等典型高卤环境，主、被动DOAS以及卫星均成功观测到大量释放入大气的BrO。死海地区LP-DOAS观测到高含量BrO与大气中活性汞产生同时发生，研究证实了溴物种是死海上空元素汞的主要氧化剂。

过去近三十年间，差分光学吸收光谱技术在痕量含氧卤素自由基的精确测量中取得了重大突破，其数据精度也得到了化学电离质谱（CIMS）等多平台的交叉验证。未来，探测灵敏度与选择性想要实现再突破，需进一步优化光源设计、采用高通量光纤与制冷型探测器提升仪器信噪比，优化拟合算法分离复杂干扰，实现pptv量级以下更低浓度的准确检测；多平台、多技术协同观测方面，推动DOAS技术与先进质谱技术（如CIMS、API-MS）联合外场组网，实现对各类气相前体物、含卤硝酸盐及次卤酸等“源-汇”全周期活性卤素的完整闭环观测；人工智能赋能光谱解析方面，将深度学习与AI技术引入传统的信号滤波、光谱解析以及卫星辐射传输模型的垂直廓线反演中，解决复杂下垫面的背景干扰，从而大幅提升海量数据的反演效率与计算精度。

通讯作者王珊珊：教授、博士生导师，现任职于复旦大学环境科学与工程系。主要从事大气遥感与大气化学等相关研究工作，包括：大气痕量气体与气溶胶光学探测新技术、大气成分卫星遥感反演与应用、区域复合污染与大气氧化性研究。主持国家重点研发计划课题/子课题、国自然重点国际(地区)合作研究项目/面上项目、上海市科委等省部级以上项目十余项。以一作/通讯（含共同）发表NSR、ES&T、ACP、JGR-Atmos.等SCI论文50余篇，授权国家发明专利、软件著作权近10项。曾获中国环境科学学会青年科学家奖、上海市“浦江人才”、上海市研究生优秀成果等。

江志文：2022级直博生，现就读于复旦大学环境科学与工程系。主要从事基于差分光学吸收光谱技术的痕量气体大气化学行为研究。以第一作者身份发表ES&T论文1篇，参与发表论文ES&T、ACP论文3篇。

闫宇昊：2023级博士生，现就读于复旦大学环境科学与工程系。主要从事基于差分光学吸收光谱技术的痕量气体大气化学行为研究。参与发表论文ES&T、JGR-Atmos、JES论文4篇。