基于地对空观测光谱的大气CO_2柱浓度反演分析（英文）

基于地对空高光谱观测获取大气CO2柱浓度(大气中CO2的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO2浓度的重要数据源之一,而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO2柱浓度反演研究的报告。利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测,基于高光谱观测数据反演了大气CO2柱浓度。在基于1.6μm大气CO2的光谱吸收特征进行CO2浓度反演过程中,评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO2柱浓度反演精度的影响。结果显示观测期间平均大气CO2柱浓度为390.9μg·mL-1。波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低;波长漂移从-0.012~0.042nm范围时,将会导致1μg·mL-1以上的偏差。同时,研究发现光谱透过率在6 357~6 358,6 360~6 361和6 363~6 364cm-1谱段敏感于气象参数的变化。对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现,非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11μg·mL-1,最大可达4μg·mL-1;本论文的分析结果对基于光谱反演CO2柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。     

激光外差光谱仪的水汽柱浓度反演研究

水汽是地球大气的重要组成部分,也是平衡地气系统辐射收支的一个重要因素,对天气和气候变化有着重要的影响。常用的水汽柱浓度测量设备,如无线电探空仪、激光雷达、微波辐射计、太阳光度计、DOAS仪器以及傅里叶变换红外光谱仪等,难以兼顾高分辨率以及便携机动等应用需求。为此,基于一种高灵敏度、高分辨率光谱探测技术,围绕水汽柱浓度的探测开展了相关研究,取得的主要成果有：(1) 基于激光外差光谱技术,利用窄线宽带间级联激光器作为本振光源,与太阳跟踪仪结合,建立了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,光谱分辨率达到了0.002 cm-1。(2) 采用Langley-plot方法对高分辨率激光外差太阳光谱测量装置进行了现场定标,并于云南紫金山天文台观测站开展了外场测量,获得了2 831~2 833 cm-1波段太阳光谱的直接测量数据。对实测的太阳光谱进行归一化处理后,获得了高分辨率的整层大气透过率谱。(3) 利用逐线积分辐射传输模式（line by line radiative transfer model,LBLRTM）计算了整层大气透过率谱,并与实测的透过率谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了水汽柱浓度的反演。同时利用微波辐射计进行了水汽柱浓度的观测,将反演结果与实测结果进行了对比分析,两者的一致性相对较好,最小相对偏差为16.59%,最大相对偏差为21.69%。(4) 反演结果与实测结果的偏差主要由反演算法误差和装置测量误差所导致。反演算法误差包括辐射传输模式的计算误差、实际大气温度的测量误差、甲烷浓度不确定性引入的误差、HDO丰度与自然丰度的偏差,装置测量误差包括装置定标误差、波长标定误差、系统噪声影响、背景信号以及直流信号的微弱起伏引起的误差。(5) 文中选取的2 831~2 833 cm-1波段同时包含了水汽和甲烷的吸收,在反演水汽柱浓度的同时,同步进行了甲烷柱浓度的反演。以甲烷初始柱浓度作为参考值,发现反演后的甲烷柱浓度相对初始柱浓度的数值平均增加了14.41%。高分辨率激光外差太阳光谱测量装置结合反演算法是一种有效的整层大气透过率以及水汽、甲烷柱浓度探测的综合设备,在多组分气体浓度探测方面具有广泛的应用前景。     

基于高分辨率地基FTS光谱的大气CO2反演方法研究

大气CO2是重要的温室气体,对大气CO2的全球监测有助于增进人类对气候变化的理解。相比于天基平台,地基观测数据通常具有更高的光谱分辨率、信噪比及其他已知参数,更容易实现较高的反演精度。地基反演方法可以作为天基算法的基础,并为天基观测结果提供必要的验证。本文针对地基观测的特点,建立了使用地基FTS数据反演大气CO2柱浓度的方法。模拟计算显示该方法在一定的系统误差条件下,具有获得较高反演精度的能力。对地基FTS实测数据进行的反演实验表明,该方法能够获得较精确的大气CO2浓度信息。     

大气Ring效应差分截面的计算

基于差分吸收光谱算法,使用卫星数据反演大气NO2和SO2等痕量气体柱浓度的时候,Ring效应是影响反演结果精度的一个重要因素。Ring效应是指:受太阳表面大气消光效应影响,产生称之为夫琅禾费线的暗线结构,而由于太阳光在地球大气中传输引起非弹性散射,导致观测到的夫琅禾费线变短,这个结果可以近似地认为是对夫琅禾费线的填充。研究表明,大气中的N2和O2分子的转动拉曼散射是导致Ring效应的主要原因。利用星载传感器OMI/AURA测量的太阳光谱和N2和O2分子的转动拉曼散射截面卷积,除以原始太阳光谱,再经过差分计算,可以获得Ring效应的差分截面,以用来反演痕量气体的浓度。计算的结果与利用辐射传输方程得到的结果比较,相关系数R2达到了0.9663,表明二者基本是一致的。     

CO_2反演中大气散射影响的光程校正方法

CO2作为影响气候变化最重要的温室气体,其反演精度达到1%是气候研究的基本要求。在反演中解决大气散射的影响,是提高CO2反演精度的关键问题之一。温室气体观测卫星为了实现高光谱分辨率,其光谱带宽通常较窄。高光谱分辨率对CO2浓度变化敏感,而窄带宽在采用传统差分吸收光谱(DOAS)法以快慢变分离的方式处理散射时难以保证反演精度。针对我国高光谱卫星CO2反演算法的开发需求,从光程的角度研究了散射对CO2反演的影响,并与传统DOAS方法在沙漠和草地两种区域进行了对比。结果显示相对于传统DOAS方法,该方法在沙漠和草地区域的应用均使CO2的反演精度得到提高,达到或接近1%的精度需求,反演结果的相关性和数据离散度也得到改善,这表明该方法能有效降低大气散射对CO2反演的影响。     

利用空间外差光谱技术进行紫外高分辨率大气散射信号探测

羟基OH对于人类理解中间层化学成分非常重要,它是大气光化学反应中重要的氧化剂,OH在308 nm波段受到太阳能量激发,发射出OH A2Σ＋-X２Π（0,0）荧光信号。为了探测中间层大气中OH自由基的紫外共振荧光发射信号,从复杂背景信号中分离目标信号,研制了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪,光谱范围为308.2～309.8 nm,光谱分辨率为0.008 25 nm。临边观测主要探测大气散射信号,能量来源为大气中的粒子,包括大气分子与气溶胶、云等对太阳能量的散射作用。中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪基于空间外差光谱技术,可以在设计的闪耀波长范围内获得极高的光谱分辨率,适用于大气成分的精细探测。通过在前置或后置光学系统中加入柱面镜,总视场内的场景被分成多个视场切片,每一个视场切片的干涉图分别成像到对应的探测器行上。利用空间外差光谱仪具有空间维分层成像功能,临边观测时可以同时获取不同高度层大气吸收光谱的散射辐射信号,无需像传统临边探测遥感器在不同高度层进行扫描来获取大气高度维的廓线信息。为了验证中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的临边散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,进行了地面临边观测实验,探测紫外308 nm波段大气散射信号。模拟临边观测几何,选取晴朗无云的一天,在空旷场地对大气散射信号进行观测。由于仪器基于空间外差光谱技术,需要对干涉数据进行干涉误差修正与光谱复原。对一段观测时间内间隔10分钟的干涉数据进行光谱复原并定标,得到最终临边观测光谱。由于散射信号的主要来源为大气分子对太阳光的散射作用,因此光谱中应包含太阳光谱高分辨率精细特征信息。从高分辨率太阳光谱中选取三个特征信息窗,分析观测光谱中对应波段,三个特征信息窗完全匹配,验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的超高分辨率光谱探测能力和光谱精细信息提取能力。将太阳辐射计实时测量获得的气溶胶光学厚度及根据观测时间计算的太阳天顶角与太阳方位角输入辐射传输模型SCIATRAN,结合对应日期与经纬度的大气廓线数据库,得到模拟光谱,将实测结果与辐射传输模型结果进行比对,两者残差较小。实测结果与模拟结果存在的残差,可能是由于大气环境参数并没有完全符合实测状态,后续可使用当地实时温湿压廓线对模拟数据库进行替换,使辐射传输模型更接近实际状态。与辐射传输模型对比的结果验证了中高层大气OH自由基超分辨空间外差光谱仪的散射信号探测能力与对观测几何的敏感性,验证了在轨探测多谱段、宽谱段大气散射光谱与OH目标信号的可行性,为在轨探测OH目标信号提供了理论与实验基础。     

空间外差光谱技术应用于大气二氧化碳探测的能力分析

论述了在大气二氧化碳(CO2)探测中使用高分辨率红外光谱的必要性,并通过模拟计算,分析了天基高精度大气CO2探测所需要的工作波段、光谱分辨率和信噪比(SNR)等参数.以此为基础,介绍了针对这些参数研制的空间外差CO2探测仪样机,并通过实验室Mg灯观测结果,对仪器样机的分辨率进行了验证.最后利用辐射传输软件LBLRTM,...     

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱反演环境大气中的CO2垂直柱浓度

采用加权函数修正的差分光学吸收光谱技术(weighting function modified differential optical absorption spectroscopy, WFM-DOAS)测量环境大气中的CO₂垂直柱浓度. 以直射太阳光测量光谱为例, 演示了WFM-DOAS算法的实现过程. 将环境大气分为50层, 借助辐射传输模拟软件SCIATRAN对各个测量光谱进行了模拟计算, 获得了最小二乘法拟合所需的目标气体CO₂及干扰气体H₂O、CH₄ 的柱权重函数和太阳归一化光谱常量. 采用WFM-DOAS方法对一整天的直射太阳光测量光谱进行了反演, 得到的反演误差均小于3%. 最后比较了两种不同DOAS算法对同一条测量光谱的反演结果, 验证了WFM-DOAS算法在红外被动气体遥感的优越性. 关键词： 环境污染监测 光学测量技术 红外光谱 温室气体     

基于地对空观测光谱的大气CO2柱浓度反演分析

基于地对空高光谱观测获取大气CO₂柱浓度(大气中CO₂的垂直总含量)数据是验证和改进卫星高光谱观测反演CO₂浓度的重要数据源之一,而目前在中国还没有基于地面光谱观测进行大气CO₂柱浓度反演研究的报告。利用光谱分析仪与太阳跟踪仪等构成的地面观测系统在中国内蒙古锡林郭勒草原进行了地对空高光谱观测,基于高光谱观测数据反演了大气CO₂柱浓度。在基于1.6 μm大气CO₂的光谱吸收特征进行CO₂浓度反演过程中,评价分析了观测光谱的波长漂移和气象参数对大气CO₂柱浓度反演精度的影响。结果显示观测期间平均大气CO₂柱浓度为390.9 μg·mL-1。波长的漂移将会导致反演浓度值整体偏低;波长漂移从-0.012～0.042 nm范围时,将会导致1 μg·mL-1以上的偏差。同时,研究发现光谱透过率在6 357～6 358,6 360～6 361和6 363～6 364 cm-1谱段敏感于气象参数的变化。对比利用与光谱观测同时和非同时观测的气象参数进行的浓度反演结果发现,非同时观测气象参数的利用引起的浓度偏差最小在0.11 μg·mL-1,最大可达4 μg·mL-1;本论文的分析结果对基于光谱反演CO₂柱浓度算法的改进有着一定的参考价值。     

基于太阳吸收光谱观测大气一氧化碳柱总量

基于地基高分辨率傅里叶变换红外光谱技术观测合肥地区一氧化碳(CO)垂直柱总量的变化,连续采集近红外太阳吸收光谱,获得2015年9月至2016年7月整层大气CO的垂直柱总量的时间序列。观测结果显示合肥地区大气中柱平均干空气混合比(XCO)有着明显的季节变化,在2015年10月有着较小值,然后逐渐增加,到2016年3月达到最大值,之后逐渐下降,在2016年7月底达到最小值,并分析了季节变化的原因。为了对地基近红外波段观测进行验证,采用MOPITT卫星数据和站点同一光谱仪采集的中红外光谱反演的CO柱总量与同期测量的数据进行比对。结果表明,MOPITT卫星数据与地基观测值的季节变化一致,而MOPITT观测值整体高于地基FTS观测值;近红外和中红外波段反演的CO柱总量季节变化范围一致。将地基观测和卫星观测数据进行日平均计算, 并进行相关性分析,得到的地基近红外和卫星观测、地基中红外的CO日平均柱总量的线型回归相关系数分别为0.85和0.91,显示出高的相关性,证明了地基近红外波段反演CO垂直柱总量数据的准确性。首次采用地基高分辨率傅里叶变换红外光谱技术观测合肥地区CO的垂直柱总量,并将得到的观测结果与卫星数据比对,得到准确的CO的垂直柱总量,为解大气CO的时空分布状况及其演变规律、追踪合肥地区CO的源汇分布提供理论依据。     

Spectral line finding program for atmospheric remote sensing using full radiation transfer

We have developed a line-by-line code to simulate atmospheric spectra in the infrared spectral region assuming a remote light source of selectable temperature. Selecting the source temperature allows simulation of, for example, solar absorption spectra, lunar absorption spectra or emission spectra. The code is applicable for different geometries, from the ground, balloon or from satellite, and allows a simple search for the most suitable lines for the retrieval of atmospheric trace gas concentrations for the different geometries. In addition, a first estimate of the optimized microwindow size and the most important interfering gases that need to be considered is calculated automatically. This approach is of importance in cases where it is necessary to analyze numerous lines simultaneously to get sufficient precision in the trace gas concentration retrievals. Examples for H₂O and CO are given.     

1.315 μm波长附近实际大气高分辨率吸收光谱

 用窄线宽、脉冲可调谐光参量振荡器（OPO）作光源，使用光程长达1 097m的怀特池，采用单探测器分时复用的探测方法，首次在吸收池中精确测量了实际大气中1.315 μm波长附近高分辨率吸收光谱，实验验证了实际大气中水汽是该波段的主要吸收气体；得到了实际大气中吸收分子在氧碘激光波长（7 603.14cm^-11）处的吸收截面为 (1.05±0.09)×10^-24 cm²(标准大气条件下）以及在该波段主要吸收谱线的参数，包括吸收线的位置、线强度、压力加宽半宽度等。利用实测的线参数计算了在氧碘激光波长附近大气分子的吸收截面，发现吸收最小的波长分别位于7 603.31和7 603.93cm^-1，其值约为(8.9±0.8)×10^-25 cm²，比氧碘激光波长处的吸收截面约小15%。     

基于Fizeau干涉仪的激光雷达测温方法研究

气温是描述大气状态的基本参数之一,温度的准确测量对天气预报、气候预测及其他气象参数的反演都至关重要。激光雷达作为一种遥感仪器,已经用于气象要素的探测中（风、温度、气溶胶的光学厚度等）。目前,测温激光雷达主要有拉曼激光雷达（振动和转动）、共振荧光激光雷达和Rayleigh散射激光雷达等,拉曼激光雷达需要大功率的激光器和复杂的背景滤波器;共振荧光激光雷达无法探测平流层内的温度;基于Rayleigh散射的测温激光雷达多应用于温度的相对测量,反演温度时需要建立响应函数和校准程序;基于固体腔扫描F-P干涉仪测量大气Rayleigh散射光谱来反演温度的方法,时间分辨率较低,并且该方法在测量过程中需要运动部件,所以不利于星载。在大气低层,分子的Rayleigh散射光谱会受到Brillouin散射的影响,两种散射信号叠加形成的Rayleigh-Brillouin散射光谱不再服从Gaussian分布,直接通过测量散射光谱的半高全宽来反演温度,会产生误差。基于回波能量的方法会受到气溶胶Mie散射信号的影响,所以在对流层中该方法并不适用。为了实现对流层内温度的高精度和高时间分辨率的测量,提出利用Fizeau干涉仪和PMT阵列对对流层内分子的Rayleigh-Brillouin散射光谱进行测量,并通过插值的方法来对回波信号中气溶胶Mie散射信号进行抑制,从而使Mie散射信号对温度反演的影响较小,最后将测量光谱和理论光谱进行全光谱匹配来实现温度的反演。除此之外,还对Fizeau干涉仪的自由光谱区、固体腔几何长度、腔体反射率、扫描间隔等参数进行了优化设计。为了验证本文提出方法的可行性,利用Matlab软件建立了一套仿真模型,通过模拟表明,在不考虑云、风和水汽含量的影响时,利用该方法测量对流层内的大气温度时,测量误差小于1 K。该测温方法可以对对流层内的大气温度廓线实现高精度、高时间分辨率的测量, 在测量过程中不需要使用运动部件,有较高的使用价值,并对同类高光谱激光雷达分光系统的研究具有借鉴意义, 为我国高光谱激光雷达陆基及星载应用提供了一套可行的技术方案和温度反演方法。     

高分辨率太阳吸收光谱二氧化碳反演中参数的敏感性分析

基于高分辨率傅里叶变换红外太阳吸收光谱可以准确测量大气中二氧化碳的柱总量。基于光谱反演算法中的前向模型,分析了改变前向模型中不同参数和不同天顶角情况下对反演结果的影响及其原因。选取具有代表性的两天的测量光谱,改变前向模型中连续体倾斜量值、内部视场角、零偏置和多普勒效应四个模型参数,观察不同先验模型参数的扰动对二氧化碳测量结果的影响。结果表明,不同模型参数的扰动引起反演的二氧化碳柱平均干空气混合比(XCO₂)相对偏差并不一样;不同的测量时间,相同参数扰动引起的二氧化碳含量相对偏差也不同。其中连续体倾斜量值的变化对反演结果的影响最大,其变化引起的相对偏差波动范围在0.1%～0.2%之间;内部视场角、零偏置和多普勒效应的变化对反演结果影响较小,引起的二氧化碳的相对偏差分别在-0.045%～0.02%,-0.045%～0.015%和-0.03%～0.04%之间。最后用二氧化碳反演平均核解释了反演误差来源。研究结果对光谱反演算法中模型参数的设定和提高测量的准确度提供了理论依据。     

夫琅禾费线对差分光学吸收光谱法测量大气污染气体影响的研究

使用差分光学吸收光谱仪进行大气环境测量，白天强烈的太阳散射光会叠加到测量光谱中，其中的夫琅禾费结构会对二氧化氮，甲醛，亚硝酸等的测量带来较大的影响.通过分析夫琅禾费结构，并且将其作为一种大气“成分”，数据反演时与其他大气成分一同拟合可以有效地影响降低其影响. 关键词： 太阳散射光 夫琅禾费结构 差分光学吸收光谱技术 大气污染     

Na-呋喃荷移络合物弱相互作用的密度泛函理论研究

在B3LYP／6－311＋G*水平上,对Na-呋喃体系可能存在的弱相互作用复合物进行了全自由度能量梯度优化,发现了Na-呋喃体系存在两个能量极小结构A、B,其中,结构A是Na原子的3s^1电子直接和呋喃杂环体系中的所有重原子的共轭大π 体系 相互偶合,形成一个具有Cs对称性的金属有机复合物;而结构B为Na 原子的3s^1电子主要通过杂原子O和杂环上原有的五中心六电子大π体系形成一个新的平面六中心七电子大π体系,具有C2V对称 性。结果B较结构 A 稳定3.40kJ/mol。结构A中的Na-O键长为0.38nm,<COC为106.9°,由于金属Na对呋喃杂环的作用使整个分子平面变形,C1、C2、C3、C4在同一个平面内,而05则稍微翘离平面且05原子距离由C1、C2、C3、C4 组成的平面的垂直距离约为0.035nm.结构B中Na-O键长为0.26nm,＜COC为106.8°。金属Na原子和杂环中所有的原子在同一个平面内。并在MP2和B3LYP水平下,用3－311＋G＊基组精确计算了最稳定结构B的结合能为△E＝4.5-5.1kJ/mol.