红外傅里叶光谱仪在轨光谱定标算法研究

风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的核心是一台红外傅里叶光谱仪,为了提高探测仪观测资料的定量化应用水平,必须对其进行精确的在轨光谱定标。对于傅里叶光谱仪来说,光谱位置由干涉图的采样点数和参考激光频率共同决定,因此光谱定标的关键是确保参考激光频率的稳定性。本研究利用逐线积分辐射传输模式得到参考大气吸收谱线,通过比较探测仪观测光谱与参考光谱的均方根误差来确定激光的有效采样频率,从而实现探测仪的在轨高精度光谱定标。该方法已应用于风云四号A星上搭载的干涉式大气垂直探测仪的在轨光谱定标中,具有较高的应用价值。     

温度对CrIS热红外卫星资料反演臭氧廓线的影响分析

臭氧是地球大气中一种重要的痕量气体,在光化学反应和气候变化中都扮演着非常重要的角色。高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气臭氧信息,但是由于热红外受大气温度影响较大,臭氧反演精度会有所下降。为此详细讨论和分析了温度对臭氧吸收光谱和权重函数的敏感性,以及对臭氧反演精度的影响。首先利用逐线积分辐射传输模型LBLRTM,分别模拟计算了六种不同标准大气模式下,1K的随机温度误差对大气透过率和辐射值的影响,发现1 K温度随机误差和臭氧浓度5%～6%的变化引起的辐射值变化量一致。接着利用CRTM辐射传输模型,针对搭载于美国对地观测卫星Suomi NPP(National Polar-orbiting Partnership)平台上的CrIS(Cross-track Infrared Sounder)红外高光谱观测数据,计算了1K的随机温度误差对大气臭氧权重函数的影响,并计算了由1K温度误差所导致的热红外高光谱资料大气臭氧廓线反演误差,结果显示CrIS对于臭氧的敏感区位于10～100 hPa之间,且1 K的温度误差和6%的臭氧浓度变化引起的权重函数变化量相当。最后以CrIS作为实验数据,在最优估计法框架下,通过特征向量统计法获取臭氧廓线的先验知识,并将大气温度廓线和大气臭氧廓线都作为未知量,进行同步迭代反演。将反演结果和配对的世界臭氧紫外数据中心WOUDC的站点数据进行比较,发现在反演中加入大气温度廓线进行同步迭代后,反演结果有显著提高,尤其在平流层与真值几乎一致,最大相对误差不超过20%,在对流层反演结果相对较差,最大相对误差不超过50%,优于欧洲中期天气预报中心ECMWF(European Center for Medium-range Weather Forecasting)臭氧模式数据集ERA-Interim。     

风云四号B星干涉式红外探测仪发射前辐射定标

干涉式红外探测仪（GIIRS）是我国地球静止轨道气象卫星风云四号B星的主要载荷，可观测大气上行红外高光谱辐射，因此可应用于大气温湿度廓线反演和数值天气预报模型同化。为了预测GIIRS在发射后的工作性能，于发射前在地面试验室热真空环境中采用黑体定标试验的方法，对仪器辐射性能进行了测试，测试的性能包括仪器灵敏度、辐射定标精度和动态观测范围。其中，长波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.5 mW/(m²·sr·cm^-1),中波红外通道的噪声等效辐射方差低于0.1 mW/(m²·sr·cm^-1),两者均达到灵敏度设计指标。在辐射定标方面，经过非线性校正，长波光谱的平均定标偏差从1 K减小到0.2 K,且在220～315 K观测范围内达到0.7 K的设计指标；仪器在中波通道观测低温目标时受噪声影响较大，但在260～315 K的动态范围内，定标偏差也能够达到0.7 K的指标要求。     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(I):基于Fizeau干涉仪的Mie通道大气风速反演研究

研究了星载激光多普勒测风雷达系统结构,构建了基于Fizeau干涉仪的鉴频仿真系统,仿真研究了Mie通道风速反演算法,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Mie通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.仿真和统计结果表明,基于Fizeau干涉仪的Mie通道可反演低对流层大气风速;低对流层HLOS风速误差和标准差分别小于1 m·s-1和2 m·s-1;气溶胶和云的分布影响星载激光多普勒雷达测风误差,可使风速最大偏差增大一倍.     

全光纤M-Z干涉仪的高灵敏度与大动态范围多普勒激光雷达风场探测技术

多普勒测风激光雷达是大气风场探测的重要手段之一。通过检测风速导致的大气后向散射谱的多普勒频移从而实现风速的探测。由于受鉴频器本身特性的影响,高灵敏度与大动态范围的探测一直是大气风场探测的难点。提出采用双光纤Mach-Zehnder干涉仪(FMZI)作为多普勒激光雷达的鉴频器件,设计两路不同动态范围及风速探测灵敏度的FMZI鉴频器同时对大气回波信号进行鉴频。采用小光程差(13.7 cm)、大动态范围(±100 m·s-1)鉴频光路FMZI-2对风速区间进行定位,大光程差(74.8 cm)、高探测灵敏度(2.62%/(m·s-1))的鉴频光路FMZI-1进行风速精细探测,从而实现大动态范围高灵敏度的风场探测。利用标准大气模型对不同参数条件下的系统灵敏度、系统探测的信噪比及风速误差进行仿真分析。结果表明,该系统可以实现±100 m·s-1大动态范围内风速误差小于1 m·s-1的大气风场探测,为大动态范围高灵敏度测风激光雷达的发展进行了有益的探索。     

星载激光多普勒测风雷达鉴频系统仿真(Ⅱ):基于Fabry-Perot标准具的Rayleigh通道大气风速反演研究

基于星载激光多普勒测风雷达工作原理,构建了基于连续双通道Fabry-Perot(F-P)标准具的鉴频仿真系统,仿真研究了Rayleigh通道大气风速反演算法,系统分析了Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号对Rayleigh通道反演大气视线(LOS)风速的影响,并利用无线电探空数据集仿真结果统计分析了Rayleigh通道大气水平视线(HLOS)风速反演误差.结果表明,基于连续双通道F-P标准具的Rayleigh通道可反演中高层大气风速;Rayleigh-Brillouin效应和Mie干扰信号影响Rayleigh通道LOS风速反演精度;Rayleigh通道风速反演对温度精度要求最高,在晴空条件下可忽略Mie干扰信号的影响;不考虑Brillouin效应时,高度2 km以下Rayleigh通道无法反演HLOS风速,高度2 km以上Rayleigh通道反演的HLOS风速误差小于0.4 m·s-1,风速标准差在1—4 m·s-1之间;同Mie通道一样,气溶胶和云的分布影响Rayleigh通道HLOS风速反演误差.研究结果对发展星载激光雷达测风技术具有重要参考意义.     

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.     

应用一维变分法反演GPS掩星大气温湿廓线

GPS掩星观测的折射率是大气温度、湿度状态的函数, 应用一维变分方法 (1DVAR) 可以从折射率资料中同时反演出大气温、湿度廓线, 利用COSMIC 2011年中国区域掩星观测数据对这一方法进行了测试, 背景场采用ECMWF大气廓线, 反演结果与相匹配的探空观测有较好一致性. 重点研究了一维变分反演方法中非理想气体效应 (non-ideal effect) 对温度、湿度反演误差的影响, 不同月份的比较结果表明, 非理想气体效应对掩星反演大气廓线是一种系统性影响, 考虑这一效应可对温度反演改进0.1 K的偏差 (bias), 对比湿可改进约0.5%偏差. 掩星资料作为数值天气预报资料同化中少数无需偏差改正的卫星遥感资料, 非理想气体效应改正是无疑是非常重要的, 此外, 考虑这一效应对掩星资料的气候应用也有重要价值. 关键词： 一维变分 掩星 非理想气体效应     

对流层顶高对拉萨地区温室气体柱浓度反演的影响

对流层顶作为对流层和平流层之间的过渡层,对大气痕量气体浓度反演有非常重要的影响.理论分析对流层顶高对大气分子含量垂直分布的影响,并结合2018年8月(6—16日)拉萨观测数据,定量分析对流层顶高的变化对气体柱-平均摩尔分数Xgas反演的影响.结果表明:对流层顶高的变化改变气体分子的垂直分布,XCO_2, XCH_4与对流层顶高度变化呈正相关,相关系数分别为0.998和0.780; XCO与对流层顶高度变化呈负相关,相关系数为0.994;而XH_2O与对流层顶高度变化的相关性非常小.对流层顶高变化3 km, XCO_2,XCH_4及XCO误差范围在8.640%, 0.035%及0.049%以内.观测期间, XH_2O, XCO_2, XCH_4及XCO日平均值分别在3432—4287, 406.1～408.2, 1.673—1.720及0.082—0.095 ppmv之间变化.观测数据显示,该地区CO_2, CH_4气体柱-平均摩尔分数日变化趋势相似, XCO_2与XCH_4的相关系数大部分高于0.5.观测结果可为我国研究高原温带地区温室气体浓度的时空分布及其变化规律提供参考和第一手的直接观测数据.     

AIRS与COSMIC反演大气温湿廓线比较

将福卫三号星系计划(COSMIC)气象、电离层及气候卫星探测系统、大气红外探测器(AIRS)反演的大气温度和湿度廓线与时间、空间匹配的欧洲中心中期天气预报(ECMWF)、美国环境预报中心(NCEP)分析值和无线电探空观测值进行比较, 结果表明, COSMIC具有垂直分辨率高、全天候的观测特点, 反演的大气温度和湿度廓线相对于AIRS而言与无线电探空观测值更接近, 能提供大气廓线的更精细结构, 但受掩星事件发生时所能探测最低高度的限制, 不能得到该高度以下的大气信息。AIRS在晴空时大气温湿廓线反演精度较高, 但受云天的限制, 在云层以下, 反演精度就大大降低。     

Mach-Zehnder干涉仪条纹成像多普勒激光雷达风速反演及视场展宽技术

相对于传统多普勒鉴频器Fabry-Perot干涉仪, Mach-Zehnder干涉仪(MZI)具有透过率高、直线条纹易于探测、可进行视场展宽等优点. 本文设计了基于条纹成像MZI的非相干多普勒测风激光雷达系统, 构建了风速反演的数学模型, 利用MZI视场展宽技术优化了激光雷达系统的性能. 数值仿真实现了MZI鉴频系统干涉条纹图样的理想输出, 采用SineSqr函数拟合法获取了高精度的多普勒频移前后干涉条纹的移动距离, 并通过视场补偿减小了入射角对MZI光程差的影响, 从而实现视场展宽. 结果表明: 采用SineSqr函数拟合法可获得在±100 m·s^-1的径向风速范围内<0.45 m·s^-1的风速误差, 克服了条纹重心法反演风速不稳定性的缺点; 视场展宽技术在不降低鉴频性能的情况下, 能最大补偿1°的视场角. MZI条纹成像多普勒激光雷达应用技术的探讨将为中高层大气风速激光雷达测量系统的实际开发奠定良好的基础. 关键词： 激光雷达 条纹成像Mach-Zehnder干涉仪 风速反演 视场补偿     

ITER气体注入系统含氚管道的等效漏率评估

氚的泄漏会对公众安全和环境造成危害,有必要对含氚管道的泄漏进行分析。对ITER气体注入系统的含氚管道进行分析,对触发系统氚报警阈值(3×10⁵Bq·m^-3/环境安全值,1×10⁸Bq·m^-3/系统安全值)时,氚送气管、离子源管以及中性化管泄漏的等效空气漏率进行了计算。结果表明,氚送气管泄漏的风险最高。虽然氚送气管的气体压力低于包容管的夹层压力,但由于管道的氚浓度高,漏率大于3.2×10^-8 Pa·m³·s^-1时会触发报警。而在离子源管中虽然氚浓度低,但管道的气体压力远高于包容管的夹层压力,漏率大于6.1×10^-6 Pa·m³·s^-1时会触发氚报警。气体注入系统含氚管道泄漏的氚危害不可忽视,必须进行实时监测和防护。     

First-principles investigation on diffusion behaviours of H isotopes: From W(110) surface into bulk and in bulk W

The diffusion behaviours of hydrogen (H), deuterium (D), and tritium (T) from W(110) surface into bulk and in bulk W are investigated using a first-principles calculations combined with simplified models. The diffusion energy barrier is shown to be 1.87 eV from W(110) surface to the subsurface, along with a much reduced barrier of 0.06 eV for the reverse diffusion process. After H enters into the bulk, its diffusion energy barrier with quantum correction is 0.19 eV. In terms of the diffusion theory presented by Wert and Zener, the diffusion pre-exponential factor of H is calculated to be 1.57×10^-7 m²·s^-1, and it is quantitatively in agreement with experimental value of 4.1×10^-7 m²·s^-1. Subsequently, according to mass dependence (√1/m ) of H isotope effect, the diffusion pre-exponential factors of D and T are estimated to be 1.11×10^-7 m²·s^-1 and 0.91×10^-7 m²·s^-1, respectively.     

管道连接装配型ITER增强热负荷第一壁的热工水力分析

对管道连接装配型ITER增强热负荷第一壁(EHF FW)的标准手指对、边缘手指对及中心梁(CB)开展了热工水力分析.分析结果显示流速分布合理,低于1m·s-1或高于10m·s-1的区域非常小;手指对间的流量分配较合理;整个第一壁的压降为0.351MPa,小于0.4MPa的限定值;在8个循环周期内CB最高温度为409.2...     

Analysis and model simulation of wind convergence over the Sea of Japan

In the winter, the wind system over the Sea of Japan strongly affects the weather of the Japan islands. In this paper, wind distributions over the Sea of Japan during cold-air outbreaks observed by the NASA scatterometer were analyzed. Strong northwesterly to westerly winds of 15 to 20 m/s were observed off Vladivostok and off the Korea Peninsula, respectively. A weak wind region, in which the wind speed is less than 9 m/s, is seen downwind of the mountains and extends more than 200 km. A strong wind convergence zone was formed in the further lee of the weak wind region. Numerical experiments using a three-dimensional mesoscale model are performed to compare the wind distribution observed by NSCAT. The results show that the simulated winds agree well with those observed by NSCAT except for the intensity of the convergence.     

淫羊藿苷与牛血清白蛋白相互作用

在模拟人体生理条件下,采用荧光光谱法及紫外-可见吸收光谱法研究了淫羊藿苷与牛血清白蛋白的相互作用。结果表明,淫羊藿苷对牛血清白蛋白有较强的猝灭作用,猝灭方式为静态猝灭。当温度为25℃和36℃时,淫羊藿苷对牛血清白蛋白的猝灭速率常数分别为4.37×10¹²mol·L^-1·s^-1和3.90×10¹²mol·L^-1·s^-1,结合常数K_A为3.55×10⁴L·mol^-1和3.97×10⁴L·mol^-1,结合位点数为1.12和1.04;根据Foerster非辐射能量转移理论,计算出淫羊藿苷与牛血清白蛋白之间的结合距离为2.08nm,热力学分析表明,淫羊藿苷与牛血清白蛋白之间以疏水作用力为主。     

弹丸消融速率的理论模型及数值计算

建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m•s^-1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×10²⁶s^-1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m•s^-1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

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建立了计算托卡马克加料中弹丸消融的物理模型,结合1维输运模型编制了1.5维弹丸消融计算机模拟代码。使用ITER-FEAT的相关参数,对半径为6mm,初速度为2000m·s?1,从低磁场侧注入弹丸的消融速率进行了模拟计算。结果显示,弹丸消融速率先随注入深度而逐渐增大,最大消融速率约6×1026s?1,然后由于弹丸半径的减小,消融速率迅速减小,穿透深度约0.45m。这一结果与中性气体屏蔽模型(NGS)的结果一致,证明计算代码正确有效。同时,从计算结果反映出,对ITER这样的堆级托卡马克,采用常规弹丸注入方式,尽管速度高达2000m·s?1,穿透深度也远未达到等离子体中心,因此应采取其他有效措施来提高等离子体加料效率。     

利用同位素掺杂与分形结构调控石墨烯热导率

本研究采用非平衡分子动力学方法对用Rectangle Carpet(RC)和Sierpinski Carpet(SC)分形结构布局的同位素掺杂石墨烯的热导率进行系统研究。研究表明,RC和SC结构的热导率均随分形数(m)的增加先减小后略微升高,且SC结构的热导率要低于RC结构的热导率。同时,我们通过计算声子谱、声子群速度、声子参与比和声子态密度来分析原始石墨烯、m=3的RC结构(RC3)和m=3的SC结构(SC3)结构中的声子行为。在全声子频率区域内,原始石墨烯、RC3和SC3结构的平均声子群速度和平均声子参与比分别为3.47 km·s^-1,0.98;2.77 km·s^-1,0.62和2.34km·s^-1,0.61。结果显示,与原始结构和RC结构相比,SC结构中有更多的声子模被局域化,导致更低的声子群速度和较强的声子散射,进而可以抑制声子的热输运。