太阳光谱对高分辨吸收光谱反演大气CO2浓度影响的研究

以太阳光为辐射源的近红外波段高分辨率吸收光谱广泛应用于大气参数遥测.以CO2浓度反演为例,研究了太阳光谱分辨率的影响.利用美国AER公司编制的太阳光谱计算程序得到大气上界的理论计算太阳光谱作为辐射源,结合自行编制的高分辨率大气透过率模拟软件HRATS对大气中CO2平均浓度进行模拟反演.数值模拟计算结果表明,太阳光谱的准确度对浓度反演非常重要,特别是在超分辨光谱反演中异常重要,虽然反演浓度的偏差与观测分辨率没有明显的线性变化规律,但有趋势:观测分辨率的降低对太阳光谱分辨率的要求也降低,为了精确反演大气中CO2浓度,因此需要充分利用大气层顶的高分辨太阳辐射光谱数据.     

空间目标探测与识别的波段选择

介绍了根据目标的反射率实验测量和大气光谱特征对大气层外目标进行探测的波段选择方法.测量出样品及标准板的反射光强度,计算出样品的光谱反射率,在考虑空间目标自身的辐射强度、光谱反射率、背景大气的辐射亮度、目标-背景对比度、不同波段斜程透过率等诸多因素后进行波段选择.利用MODTRAN大气传输模型计算了目标亮度、背景大气的辐射亮度、对比度以及不同波段斜程透过率的典型光谱特征、并进行光谱特征分析,综合考虑目标的视亮度以及对比度,结果表明0.76～0.90 μm是包覆黄色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段,0.52～0.60 μm是包覆银色镀铝聚酯薄膜的目标最佳探测波段.     

沿海和内陆地区多波长光谱气溶胶标高的比较分析

大气气溶胶的光学特性是大气环境、大气辐射、激光大气传输和进行空中目标识别的重要影响因子之一,而光谱气溶胶标高(spectral aerosol scale height, 简称SASH)是反映气溶胶高度分布特征的关键参量;在考虑无云状态下可见和红外波长范围的太阳辐射情况时,不仅仅要考虑总的气溶胶消光的组成,而且还要估计不同空间间隔范围内的有效高度。文章基于大气气溶胶浓度随高度指数衰减的原理,利用前向散射能见度仪和连续光谱的太阳辐射计,并辅以必要的温湿探测设备,同时测量了典型地区大气柱光学特性以及近地面层的大气水平光谱消光系数,建立多波长SASH的计算方法,获得了可见光波段(波长400,440,532,550和690 nm)的大气SASH的变化特征：无论是沿海还是内陆地区,随着波长值的增加,SASH减小;对于东南沿海某地,一般地,冬季SASH要大于夏季的SASH;而对于内陆合肥地区,冬季SASH要小于夏季的SASH。     

太阳直射光谱和天空光谱的测量与分析

在海拔9600m高空测量并获得了大气上界直射太阳光谱和天空光谱，测量了成都、丽江和玉龙雪山地表直射太阳光谱和天空光谱.结果表明：(西昌段)大气上界直射太阳光谱能量最大峰值对应的波长位于482.1nm，天空光谱能量分布相对于直射太阳光谱能量分布明显紫移，0.41—0.42μm波段成为天空光谱能量第一主峰区；地表晴天天空光谱中的能量分布与直射太阳光谱的能量分布区别很大，而有云时天空光谱中的能量分布和直射太阳光谱能量分布的差别比较小；玉龙雪山山峰积雪雪面在可见光波段对不同波长有不同的反照率. 关键词： 太阳直射光谱 天空光谱 大气上界     

大气模式与气溶胶模型对辐射传输计算的影响

大气模式与气溶胶模型选择是影响定量遥感应用的辐射传输计算的重要因素。人们一般凭感性认识去进行选择,有一定随意性,对其带来的影响程度关注甚少。以太阳辐射计测量为依据,对大气模式与气溶胶模型选择方法作了研究,并利用经辐射定标过的光谱辐射计地面测量对辐射传输计算精度进行了验证。在昆明进行的试验表明,在0.50~0.68μm范围内,选择中纬度冬季大气模式和大陆型气溶胶,经辐射传输计算后得到的光谱辐射亮度与光谱辐射计测量结果一致性很好,差别在3.3%以内;变换大气模式对辐射传输计算产生明显影响,差别达10%左右;选择不同的气溶胶模型对辐射传输计算影响也很大,差别达11%左右。基于辐射计测量的大气模式与气溶胶模型选择避免了主观选择的不可靠性,有益于减少辐射传输计算或卫星遥感大气订正的误差。     

地基消光测量确定大气气溶胶模型

 分别取大陆型、海洋型、城市型和Junge谱分布气溶胶模型，用6S辐射传输算法计算出对应于太阳光度计测量时的各波段大气气溶胶光学厚度。将模式计算值与测量值进行比较，确定测量地区的大气气溶胶模型。将该方法用于2004年在北京地区测量的太阳光度计数据，结果显示该地区当日实际大气在几种气溶胶模型中较为符合城市型气溶胶模型。     

FY-3A气象卫星紫外臭氧垂直探测仪

研制成FY-3A气象卫星紫外臭氧垂直探测仪,于2008年5月发射.它是一台小型化、高精度、紫外-真卒紫外光谱辐射计,用于测量大气太阳后向散射光谱辐亮度和太阳光谱辐照度,通过数据反演得剑大气臭氧总量的垂直分布.在轨道高度830 km处获得160～400 nm太阳连续光谱和250～340 nm间12个特征波长的太阳分立光谱及太阳后向散射谱,在轨测试结果表明:FY-3A气象卫星紫外臭氧年直探测仪全部功能正常,性能稳定.     

高光谱地基CO_2太阳辐射计的定标

介绍了一种用于大气CO2太阳吸收光谱地基观测的高光谱太阳辐射计,包括仪器的设计结果及相对光谱辐射亮度的测量原理。以可调谐红外激光器加积分球作为定标光源,详细介绍了波长、仪器线型函数的定标过程和方法。定标结果表明,在仪器有效工作波段(1560~1575nm)内,光谱分辨能力为0.097nm,杂散光水平在0.5%左右。定性比较了仪器的大气CO2太阳吸收光谱测量结果与LBLRTN软件的理论计算结果,两者在吸收峰的强度、位置、形状等方面都具有较好的吻合度。     

应用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪

报道了一套适用于激光外差辐射计的高精度太阳跟踪仪,为激光外差辐射计提供用以反演大气成分的柱浓度和垂直廓线的太阳光。太阳跟踪系统采用太阳运行轨迹跟踪与光电跟踪相结合的跟踪方式,具有精度高、全时空特点。测量了该太阳跟踪仪的跟踪精度,X和Y轴方向跟踪精度分别达到0.068°和0.06°,能够满足激光外差辐射计在大气和天文领域中对太阳光收集的要求。进而把太阳跟踪仪与实验室研制的激光外差辐射计集合起来,测量了3.5 μm附近的太阳光谱,得到了CH₄在整层大气中的吸收情况,为下一步反演整层大气中CH₄的柱浓度和垂直廓线奠定了基础。     

可见光到远红外波段气溶胶衰减计算模式

 建立了一种根据实测的气溶胶尺度谱分布(Junge指数)、地面能见度、相对湿度和气溶胶衰减廓线计算空间任意两点的气溶胶衰减计算模式,光谱波段范围覆盖了从可见光到远红外(1~25 000 cm^-1)。利用该气溶胶模式及国际上流行软件MODTRAN中的气溶胶模式同时和光栅太阳辐射计(pgs100)实测气溶胶衰减进行了对比,这种模式与MODTRAN相比,因考虑了气溶胶的实际尺度谱分布和高度分布,计算结果更接近实测值。利用所建立的气溶胶模式还分析了气溶胶衰减受各参数的影响,结果表明：气溶胶衰减受各参数影响较大,说明实测气溶胶参数在计算气溶胶衰减中起重要作用。将此气溶胶模式嵌入到我们自己研制的通用大气辐射传输软件CART中进行大气透过率和大气辐射传输的计算,有助于提高计算精度和增强功能。     

Near-infrared radiative transfer modelling with different CH4 spectroscopic databases to retrieve atmospheric methane total amount

Atmospheric methane content can be retrieved from measurements of solar radiation attenuated by the atmosphere in the near infrared spectral region where the space-borne and ground-based spectrometers carry out regular measurements. It is shown, in the present work, that the different spectroscopic databases can give significantly different results for both forward simulations of the atmospheric transmittance and the inverse problem solution to retrieve the CH₄ total content in the atmosphere using spectra measured by ground-based FTIR spectrometer in the near infrared spectral region. These discrepancies and the problem of the reduction of their influence on the atmospheric radiation transfer calculations are discussed. A comparison of atmospheric ground-based measured and simulated spectra, modelled with different CH₄ databases, is presented.     

基于光谱波段优化选择的FTIR测量与分析

在主动式红外遥感测量中,大气中痕量气体的红外吸收与不同红外波段的透过率光谱有关。在很多情况下,透过率光谱在光谱定量分析中起到重要的作用,因此,对测量和仿真的透过率光谱的波段进行优化选择是定量分析的关键。文章对最佳透过率测量范围进行了理论分析, 得到了对应于待测气体浓度反演相对误差最小的理论最佳透过率值;基于谱线的洛伦兹线型通过计算得到了待测气体分子的吸收截面, 同时给出了透过率光谱的校准训练集;确定了单组分CO₂光谱测量分析的波段,优化了多组分CO, CO₂和N₂O光谱同时测量分析的波段并成功地应用于开放光路光谱仪系统。光谱拟合分析结果表明,测量光谱与参考光谱得到了很好的拟合,拟合均方根误差小于1%。     

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     

基于FTIR光谱辐射测量分析大气透过率

提出了一种利用FTIR光谱仪进行大气透过率测量的方法。通过黑体对系统的光谱响应进行标定,由两点温度校准得到测量光谱的辐射亮度谱。在一定的距离内实测并分析计算出了CO2红外吸收波段的大气透过率谱。采用非线性最小二乘方法将测量的CO2透过率谱与HITRAN数据库中的光谱拟合得到了干洁大气中的CO2浓度值。实验结果表明,该方法是测量大气透过率和定量分析气体组分的可行性方法。     

多功能太阳辐射计

太阳辐射计是测量太阳直接辐射光谱特性的仪器,本仪器的设计特点是不仅能测量太阳直接辐射的光谱特性,还能测量太阳角散射(日晕)辐射特性。仪器在PC微机控制下,能自动对准和跟踪太阳,完成转换滤光片、调整增益、定时采集和存储数据等全部测量工作。现场实验表明所得大气光学厚度数据有较高的精度,甚至可以得到其变化情况。     

Ground-based remote sensing of atmospheric total column CO_2 and CH_4 by direct sunlight in Hefei

Fourier transform spectrometry has played an important role in the three-dimensional greenhouse gas monitoring as the focus of attention on global warming in the past few years. In this paper, a ground-based low-resolution remote sensing system measuring the total columns of CO2 and CH4 is developed, which tracks the sun automatically and records the spectra in real-time and has the advantages of portability and low cost. A spectral inversion algorithm based on nonlinear least squares spectral fitting procedure for determining the column concentrations of these species is described. Atmospheric transmittance spectra are computed line-by-line in the forward model and observed on-line by direct solar radiation. Also, the wavelength shifts are introduced and the influence of spectral resolution is discussed. Based on this system and algorithm, the vertical columns of O2, CO2, and CH4 are calculated from total atmospheric observation transmittance spectra in Hefei, and the results show that the column averaged dry-air mole fractions of CO2 and CH4 are measured with accuracies of 3.7% and 5%, respectively. Finally, the H2O columns are compared with the results observed by solar radiometer at the same site and the calculated correlation coefficient is 0.92, which proves that this system is suitable for field campaigns and used to monitor the local greenhouse gas sources under the condition of higher accuracy, indirectly.     

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。     

海洋水色水温扫描仪精确大气漫射透射比计算

海洋水色水温扫描仪(COCTS)是中国海洋水色系列卫星上的主遥感器,主要用于探测我国及全球部分海域的海洋水色和水温环境信息.大气漫射透射比计算是COCTS大气校正的必需过程,直接影响COCTS大气校正和水色信息反演的精度.提出了基于加倍法解大气-海洋耦合矢量辐射传输方程的大气漫射透射比精确计算方法,通过与SeaWiFS精确大气漫射透射比查找表计算结果的比较,结果表明计算相对误差小于1.5%,而当观测天顶角小于60°时,计算相对误差小于0.5%,可以用来生成COCTS的精确大气漫射透射比查找表.在此基础上,生成了专门针对COCTS的精确大气漫射透射比查找表.