The retrieval of profile and chemical information from ground-based UV-visible spectroscopic measurements

An algorithm has been developed to retrieve altitude information at different diurnal stages for trace gas species by combining direct-sun and zenith-sky UV-visible differential slant column density (DSCD) measurements. DSCDs are derived here using differential optical absorption spectroscopy. Combining the complementary zenith-sky measurements (sensitive to the stratosphere) with direct-sun measurements (sensitive to the troposphere) allows this vertical distinction. Trace gas species such as BrO and NO₂ have vertical profiles with strong diurnal dependence. Information about the diurnal variation is simultaneously retrieved with the altitude distribution of the trace gas. The retrieval is a formal optimal estimation profile retrieval, allowing a complete assessment of information content and errors.     

基于差分吸收光谱技术的大气痕量气体二维观测方法

基于差分吸收光谱技术, 对大气痕量气体二维观测方法进行研究. 对常规多轴差分吸收光谱系统进行改进, 使望远镜可指向不同方位角, 获取测量点各方位角上的痕量气体信息, 从而更直观地了解测量点四周污染气体分布及其演变情况. 主要对NO₂浓度分布进行了研究, 同时获取了不同方位角上的O₄斜柱浓度; 采用辐射传输模型模拟计算O₄斜柱浓度并与实测数据对比, 结果表明二者具有高度相关性, 验证了大气中O₄分布的稳定性; 基于实测O₄数据提取光路信息, 结合辐射传输模型对NO₂和O₄因廓线不同造成的散射路径差异进行修正, 将NO₂斜柱浓度进一步转化为体积混合比, 获得了不同方位角上NO₂ 浓度分布图. 将计算结果与长光程差分吸收光谱技术数据进行对比, 结果表明二者具有较好的一致性.     

利用天顶光光谱和天空光光谱测量大气NO_2含量和角空间分布

研究了一种用地基天顶光-天空光光谱数据反演大气NO2倾斜柱体密度的有效方法。利用该方法计算了同一方位不同倾角（10°～85°）下的倾斜柱体密度（在0.5～11×1016 molecule·cm^-2范围）,以及同一倾角不同方位的NO2倾斜柱体密度（1016～1017molecule·cm^-2量级）。结果与实际大气状况有很好的相关性。不同方位及倾角的NO2倾斜柱体密度不同,体现出角空间分布特征。该方法中,由同一仪器同时采集天顶光光谱和其他方向的天空光光谱,提高了测量准确度。该方法有利于实时监测空间任意方向NO2的含量,尤其靠近地面的NO2局部污染,更适合多阴雨地区（在地面上很难采集到良好的直射太阳光谱）的污染监测。     

利用多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO2

介绍了基于多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演对流层NO2的方法.利用差分吸收光谱技术(DOAS),扣除太阳夫琅和费结构及Ring效应的影响,拟合得到了大气中NO2的差分斜柱浓度dSCD,结合不同观测方向的测最结果分析得到了对流层大气中NO2的差分斜柱浓度(△SCID),结合辐射传输模型SCIATRAN计算得到了大气质量因子(AMF),并进一步计算得到了对流层NO2的垂直柱浓度(VCD)信息.为确保数据的准确性和可比性,将计算结果与长光程差分吸收光谱仪(LP-DOAS)的测量结果进行对比,二者具有较好的一致性,其相关系数R2分别为0.940 27和0.969 24.     

Research of NO2 vertical profiles with look-up table method based on MAX-DOAS

Obtaining the vertical distribution profile of trace gas is of great significance for studying the diffusion procedure of air pollution.In this article,a look-up table method based on multi-axis differential optical absorption spectroscopy(MAX-DOAS)technology is established for retrieving the tropospheric NO₂ vertical distribution profiles.This method retrieves the aerosol extinction profiles with minimum cost function.Then,the aerosol extinction profiles and the atmospheric radiation transfer model(RTM)are employed to establish the look-up table for retrieving the NO₂ vertical column densities(VCDs)and profiles.The measured NO₂ differential slant column densities(DSCDs)are compared with the NO₂ DSCDs simulated by the atmospheric RTM,and the NO₂ VCDs,the weight factor of NO₂ in the boundary layer,and the boundary layer height are obtained by the minimization process.The look-up table is established to retrieve NO₂ VCDs based on MAX-DOAS measurements in Huaibei area,and the results are compared with the data from Copernicus Atmospheric Monitoring Service(CAMS)model.It is found that there are nearly consistent and the correlation coefficient R2 is more than 0.86.The results show that this technology provides a more convenient and accurate retrieval method for the stereoscopic monitoring of atmospheric environment.     

利用被动差分吸收光谱技术反演南极中山站地区夏季臭氧柱浓度

采用被动差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)对南极中山站地区(69°22′24′′S,76°22′14′′E)的臭氧柱含量进行了72天(2008年12月10日-2009年2月19日)观测,通过被动差分吸收光谱处理方法对系统采集的天顶太阳散...     

被动多轴差分吸收光谱技术监测大气NO_2垂直廓线研究

痕量气体垂直廓线的监测,对大气污染研究具有重要意义。介绍了被动多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)技术监测痕量气体垂直廓线的光学遥感方法。研究中MAX-DOAS测量多个角度的斜柱浓度、结合大气辐射传输模型,利用最优估算法反演出痕量气体垂直廓线,并对最优估算法参数选取和反演评估进行了详细描述。将该技术应用于合肥地区NO2垂直廓线的监测:通过与长光程差分吸收光谱仪的测量结果对比,相关系数达到0.80。该技术为大气环境立体监测提供了一种简便的方法。     

The NIMO Monte Carlo model for box-air-mass factor and radiance calculations

A new fully spherical multiple scattering Monte Carlo radiative transfer model named NIMO (NIWA Monte Carlo model) is presented. The ray tracing algorithm is described in detail along with the treatment of scattering and absorption, and the simulation of backward adjoint trajectories. The primary application of NIMO is the calculation of box-air-mass factors (box-AMFs), which are used to convert slant column densities (SCDs) of trace gases, derived from UV–visible multiple axis Differential Optical Absorption Spectroscopy (MAX-DOAS) measurements, into vertical column densities (VCDs). Box-AMFs are also employed as weighting functions for optimal estimation retrievals of vertical trace gas profiles from SCDs. Monte Carlo models are well suited to AMF calculations at high solar zenith angles (SZA) and at low viewing elevation angles where multiple scattering is important. Additionally, the object-oriented structure of NIMO makes it easily extensible to new applications by plugging in objects for new absorbing or scattering species. Box-AMFs and radiances, calculated for various wavelengths, SZAs, viewing elevation and azimuth angles and aerosol scenarios, are compared with results from nine other models using a set of exercises from a recent radiative transfer model intercomparison. NIMO results for these simulations are well within the range of variability of the other models.     

太阳光谱法差分光学吸收光谱(DOAS)技术测量新疆二氧化氮柱体密度(英文)

用太阳光谱法测量得到了中国新疆(38.4°-48.7°N,75.0°-89.5°E)地区以及其它一些大城市如北京(39.99°N,116.30°E)、成都(30.63°N,104.09°E)、厦门(24.44°N,118.10°E)和香港(22.34°N,114.17°E)的NO2柱体密度。新疆NO2的垂直柱体密度介于7.5×1015(卡拉库勒湖,38.44°N,75.05°E)和1.41×1017molecules/cm2(乌鲁木齐,43.81°E,87.60°E)之间。北京、成都、香港和厦门的NO2垂直柱体密度分别为8.50×1016、7.42×1016、5.62×1016和4.92×1016molecules/cm2。将新疆NO2污染程度与中国其它几个主要城市进行对比,可为反映中国西部地区工业快速发展提供参照。     

直射太阳光差分吸收光谱反演NO2整层垂直柱浓度

在直射太阳光差分吸收光谱技术(DS-DOAS)中,通常采用测量期间较干净大气条件下太阳天顶角最小时的测量谱作为参考谱反演整层垂直柱浓度(VCD)。由于参考谱中依然含有未知的NO2吸收结构,因此得到的是VCD的相对值。该文将大气外层高精度太阳夫琅禾费标准光谱与仪器函数卷积后作为参考谱,避免了参考谱中含有NO2的吸收结构引入的误差。通过研究3月7日用此新方法获得的斜柱浓度(SCD)与通常方法获得的差分斜柱浓度(dSCD)的比较,新方法反演SCD的误差小于1.6×1016 molecules.cm-2;通常方法反演SCD的误差在4.25×1016 molecules.cm-2附近,采用新方法误差减少了62%以上。最后将DS-DOAS测量的NO2整层VCD与多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)测得的NO2对流层VCD进行了对比,结果表明新方法可以有效的改进通常方法计算VCD的误差。     

Retrieval of ultraviolet skylight radiances and O3 slant column densities from balloon-borne limb spectrometer

With a novel light-weight and absolutely calibrated ultraviolet （UV） spectrometer, UV skylight radiances and O3 slant column densities are measured by balloon-borne limb measurements in Xinjiang area, China. UV skylight radiances measured at the height of 31 km are compared with the results from Modtran in the wavelength range from 290 to 420 nm. O3 slant column densities are derived from radiance spectra in the Huggins bands （320 - 335 nm） using differential optical absorption spectroscopy method. And the parameter exhibits a good correlation with the same value simulated by radiative transfer model （Tracy）. The O3 profile simultaneously measured by an O3 sonde is used as input in Tracy calculations. The O3 sonde is launched on the same balloon.     

GPS/LEO掩星正则变换反演方法

利用无线电全息方法, 如正则变换方法或全谱反演方法, 可以有效地解决大气多路径条件下GPS掩星信号的反演问题. 本文采用正则变换方法反演掩星资料, 模拟仿真反演结果显示正则变换方法可以准确地反演包含大气多路径效应的信号. 在模拟信号的相位中加入不同程度的高斯相位噪声后, 正则变换方法的反演结果会受到不同程度的影响. 用正则变换方法对2007年第71天至73天共约4500个COSMIC数据进行处理. 将其折射率反演结果和atmPrf资料 (利用全谱反演方法计算得到) 一起, 与对应的ECMWF 分析场资料进行统计比较, 结果表明: 在5 km以下, 正则变换方法计算的折射率的相对误差的平均值普遍大于atmPrf资料. 其原因可能为: 正则变换方法将信号从LEO轨迹后传播至辅助屏, 造成孔径缩小, 精度下降. 同时也讨论了信号截断对低对流层中反演精度和掩星个数的影响. 关键词： 无线电掩星 大气多路径 多相位屏技术 正则变换方法     

Sensitivity of trace gas abundances retrievals from infrared limb emission spectra to simplifying approximations in radiative transfer modelling

The accuracy of trace gas abundances retrieved from spectrally resolved infrared limb emission measurements relies, among other things, on the appropriate modelling of radiative transfer through the actual atmosphere. We quantify the mapping of several commonly applied simplifications in radiative transfer modelling on the trace gas abundances retrieval error at the example of the Michelson interferometer for passive atmospheric sounding (MIPAS)/environmental satellite (ENVISAT) space borne Fourier transform infra-red limb emission experiment. The Karlsruhe optimized and precise radiative transfer algorithm (KOPRA) which was used as a tool for this study will be introduced. KOPRA supports accurate modelling of the particular instrument requirements of MIPAS and the observation scenarios during the ENVISAT mission, in particular with respect to its viewing direction and its altitude coverage of the atmosphere. We show that disregarding of horizontal temperature inhomogeneities and non-local thermodynamic equilibrium effects, insufficient accuracy in modelling of field-of-view and apodisation effects, and disregarding individual profiles of isotopic species play the key roles in radiative transfer modelling and lead to systematic retrieval errors which can by far exceed the expected random retrieval error caused by measurement noise.     

被动多轴差分吸收光谱大气气溶胶光学厚度监测方法研究

介绍了基于太阳散射光的被动多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术在大气气溶胶光学厚度（aerosol optical density,AOD）监测中的应用. MAX-DOAS根据氧的二聚物（O₄）在紫外、可见波段的特征吸收来确定气溶胶参数,实验中利用测量得到的O₄在360 nm处斜柱浓度,并结合O₄垂直柱浓度基本稳定等信息,在选取合适的气溶胶单次散射反照率、非对称因子及其廓线形状等条件下,基于大气辐射传输模型采用迭代算法解析出大气气溶胶光学厚度. 经过与太阳光度计(CE318)测量结果的对比,两者相关性达到87%.     

被动多轴差分吸收光谱大气气溶胶光学厚度监测方法研究

介绍了基于太阳散射光的被动多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术在大气气溶胶光学厚度（aerosol optical density,AOD）监测中的应用. MAX-DOAS根据氧的二聚物（O₄）在紫外、可见波段的特征吸收来确定气溶胶参数,实验中利用测量得到的O₄在360 nm处斜柱浓度,并结合O₄垂直柱浓度基本稳定等信息,在选取合适的气溶胶单次散射反照率、非对称因子及其廓线形状等条件下,基于大气辐射传输模型采用迭代算法解析出大气气溶胶光学厚度. 经过与太阳光度计(CE318)测量结果的对比,两者相关性达到87%. 关键词： 多轴差分吸收光谱 大气气溶胶 光学厚度     

多轴差分吸收光谱技术测量近地面NO2体积混合比浓度方法研究

多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)通过测量不同角度的太阳散射光, 获取痕量气体的柱浓度信息, 广泛应用于整层NO₂柱浓度的监测. 由于缺少有效观测距离的信息, MAX-DOAS无法获取近地面NO₂的体积混合比浓度. 本文分析了消光系数和有效观测距离的关系, 提出了利用能见度信息获取有效观测距离, 进而将MAX-DOAS测量的水平方向NO₂斜柱浓度转换为体积混合比浓度的方法. 并在合肥开展了相应的观测实验, 成功实现了基于MAX-DOAS的NO₂体积混合比浓度测量. 通过与主动式长程差分吸收光谱仪测量的NO₂浓度进行对比, 结果呈现出较好的一致性, 说明了方法的可行性.研究为MAX-DOAS监测近地面NO₂体积混合比浓度提供了一种简单有效的方法, 拓展了MAX-DOAS的应用领域. 关键词： 多轴差分吸收光谱技术 大气消光系数 能见度 2体积混合比浓度')" href="#">NO₂体积混合比浓度     

被动多轴DOAS技术污染气体垂直柱浓度反演方法研究

介绍了基于太阳散射光的多轴被动差分吸收光谱技术与系统及其在大气污染气体垂直柱浓度监测中的应用．实验中利用夫琅和费光谱作为参考光谱,同时将Ring光谱作为一种吸收结构参与拟合去除太阳光谱中的夫琅和费结构和Ring效应对测量结果的影响,并结合辐射传输模型将污染气体斜柱浓度转换为垂直柱浓度,通过“好运北京”奥运限车期间与OMI卫星的对比实验一致得出限车期间NO2有约20％的下降,证实了本方法的可行性．     

多轴差分吸收光谱技术测量NO2对流层垂直分布及垂直柱浓度

研究了多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)的对流层NO₂垂直廓线及垂直柱浓度反演方法. 该方法采用了先反演气溶胶廓线, 然后在此基础上反演痕量气体垂直分布的两步反演方法. 其中痕量气体廓线反演时采用了非线性最优估算法, 使反演更少地依赖于先验信息, 更有利于自动获取痕量气体廓线. 首先研究了应用非线性最优估算法的痕量气体垂直廓线反演算法中权重函数、 先验廓线及其协方差矩阵的计算方法, 设计了适合于痕量气体垂直分布变化剧烈地区的迭代方案. 通过计算机仿真, 研究了算法重建盒子型和抬高型NO₂廓线的效果, 研究表明两种典型分布下算法都可以较好地重建2 km以下的NO₂分布, 在近地面的反演精度达到0.6%. 然后在低气溶胶、高气溶胶和抬高型气溶胶三种典型条件下, 研究了算法重建同一NO₂廓线的效果, 研究表明不同气溶胶条件下反演算法都可以得到相似的结果. 分析了错误的气溶胶状态对于NO₂廓线反演的影响以及反演算法的误差来源. 在合肥地区开展连续观测实验, 并将观测的NO₂垂直柱浓度与卫星对比, 相关性系数达到了0.85. 将MAX-DOAS反演的近地面NO₂ 浓度与长程DOAS 结果对比, 相关性系数达到0.76. 此外简化的MAX-DOAS痕量气体垂直柱浓度反演方法中常采用固定典型的气溶胶状态, 将两步法结果与简化方法结果进行对比, 两者的最大相对偏差为112%. 因此准确获取气溶胶状态, 尤其是气溶胶光学厚度, 对准确反演对流层NO₂垂直柱浓度十分必要. 关键词： 多轴差分吸收光谱 2垂直廓线')" href="#">对流层NO₂垂直廓线 2垂直柱浓度')" href="#">对流层NO₂垂直柱浓度 最优估算法     

被动多轴DOAS技术污染气体垂直柱浓度反演方法研究

介绍了基于太阳散射光的多轴被动差分吸收光谱技术与系统及其在大气污染气体垂直柱浓度监测中的应用.实验中利用夫琅和费光谱作为参考光谱,同时将Ring光谱作为一种吸收结构参与拟合去除太阳光谱中的夫琅和费结构和Ring效应对测量结果的影响,并结合辐射传输模型将污染气体斜柱浓度转换为垂直柱浓度,通过“好运北京”奥运限车期间与OMI卫星的对比实验一致得出限车期间NO2有约20％的下降,证实了本方法的可行性.     

北京边界层大气中HONO和NO2垂直廓线的测量与分析

基于扫描长程差分吸收光谱(DOAS)系统于2007年8月27日～9月4日期间对北京市郊区进行了大气污染物HONO和NO2等垂直廓线的连续监测,详细探讨了HONO,NO2和HONO/NO2比值的垂直分布特征,重点研究了HONO的形成途径.结果显示HONO和NO2浓度随着高度的增加而降低,而HONO浓度梯度下降的更加剧烈;...