基于振动拉曼散射的差分水Ring效应系数卷积计算模型

利用被动差分吸收光谱算法反演水体上方尤其是海洋上方的大气痕量气体浓度时, 水体的振动拉曼散射导致对太阳光谱中夫琅禾费线的填充.若不考虑这种类似大气Ring效应的水Ring效应, 会直接影响反演精度. 参考OMI传感器对大气Ring效应校正的卷积算法, 针对痕量气体OClO的反演, 利用经过大气消光计算后的太阳 360–400 nm入射光谱和对应波段的水体后向振动拉曼散射系数,通过卷积差分计算,得到了差分水 Ring效应系数. 与Vasilkov模型计算得到的结果比较,二者的相关系数R 达到0.9665. 关键词： 水Ring效应 振动拉曼散射 卷积 被动差分吸收光谱算法     

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.     

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。     

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．     

被动差分吸收光谱技术测量电厂烟羽中CS2的研究

CS2气体对人类健康和大气循环有重要影响作用,最近有研究表明:工业燃煤可能是城市大气中CS2的另一个重要来源.提出一种以太阳散射光作为光源的被动差分吸收光谱(passive DOAS)对点源排放气体进行遥测的方法;介绍了其基本原理和测量系统;讨论了CS2的光谱分析方法,包括参考光谱的选择问题,及降低Ring效应对光谱反演影响的方法等;并利用该技术埘电厂烟羽中CS2进行扫描测量,成功反演出烟羽中CS2的柱浓度;证实了燃煤可产生一定的CS2,为城市大气中CS2污染源的研究提供直接、有利的依据.     

多轴差分吸收光谱技术测量对流层SO2垂直廓线及柱浓度

针对被动多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)反演痕量气体SO_2中吸收强度弱以及易受反演波段和大气气溶胶状态影响的问题,研究了基于地基MAX-DOAS的对流层SO_2垂直廓线及垂直柱浓度的反演方法。通过反演误差对比确定了SO_2的最佳反演波段(307～330 nm),并精确获取了差分斜柱浓度。鉴于大气中气溶胶状态是影响SO_2等痕量气体反演的重要因素,反演中采用两步反演方法:第一步通过测量O_4气体的差分斜柱浓度来反演气溶胶廓线;第二步将气溶胶廓线输入到辐射传输模型中,利用痕量气体浓度垂直反演算法获取对流层(0～4 km)中SO_2的垂直分布廓线和垂直柱浓度。将SO_2廓线在0～100 m的反演结果和地面点式仪器数据进行对比,结果发现两者的一致性较高。研究表明,基于MAX-DOAS反演对流层中SO_2的垂直分布及垂直柱浓度是一种有效的手段。     

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     

基于MAX-DOAS观测大气Ring效应的气溶胶消光廓线反演

Ring效应指大气中O2和N2分子对太阳光的转动拉曼散射导致太阳夫朗禾费线变浅(被填充)的现象。气溶胶能够改变光子在大气中的光程和大气散射性质,进而影响散射次数和转动拉曼散射几率,所以可以通过观测Ring效应强度获取气溶胶信息。研究了一种利用地基多轴差分吸收光谱(MAX-DOAS)仪器观测反演气溶胶信息的新方法,基于MAX-DOAS仪器在晴朗天气下对大气Ring效应进行观测,结合Mc Artim大气辐射传输模型可以获取气溶胶消光廓线。将MAX-DOAS反演气溶胶光学厚度结果和太阳光度计观测结果进行了对比,一致性较好。研究结果表明,基于地基MAX-DOAS观测大气Ring效应反演气溶胶消光廓线是可行的。     

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.     

MAX-DOAS仪器观测大气Ring效应及对气溶胶参数的敏感性研究

Ring效应是指大气中O₂和N₂分子对太阳光的转动拉曼散射致使太阳夫琅禾费结构变浅(被填充)的现象。大气气溶胶能够改变光子在大气中的光程和大气散射性质,进而影响到光子发生转动拉曼散射的几率(RSP),最终影响填充效应。通过观测RSP在不同气溶胶状态下的变化,可以反演得到气溶胶参量信息。采用地基多轴差分吸收光谱(multi-axis differential optical absorption spectroscopy, MAX-DOAS)方法在晴朗无云天气下对Ring效应进行了观测,并把测量值和模型值进行了对比,两者一致性较好;选取大气辐射传输模型McArtim研究了在不同大气条件下Ring效应对气溶胶参数等的灵敏度,结果表明在大多数测量情况下,气溶胶光学厚度和边界层高度对RSP影响较大,在90°仰角时,AOD从0.1增加到1,RSP减少了24.6%,边界层高度从1 km增加到3 km,RSP增加了4.4%。研究表明,Ring效应对气溶胶光学厚度和边界层高度较为敏感,这为反演气溶胶的垂直分布提供了一种新方法。     

Lunar eclipse theory revisited: Scattered sunlight in both the quiescent and the volcanically perturbed atmosphere

The residual brightness of the shadowed Moon during a lunar eclipse is attributed to unscattered sunlight rays refracted in the Earth's atmosphere. The classical theory of lunar eclipses is built on the premise that the sunlight scattered by the gases and particles in the atmosphere contributes negligibly to the brightness of the eclipsed Moon. The current work revisits the lunar eclipse theory, extending it to accommodate spectrally resolved observations and addressing the role of scattered sunlight. Predictions of both direct and diffuse sunlight are produced by integrating the radiative transfer equations over the Earth's disk. The investigation contemplates scenarios of normal aerosol loading as well as conditions representative of the months and years following a major volcanic eruption. It is shown that omitting scattered sunlight is an acceptable approximation for low and moderate aerosol loadings at visible and longer wavelengths. However, towards the ultraviolet, or at times when the atmosphere contains elevated aerosol amounts, the relative significance of direct and diffuse sunlight may reverse. Spectra of the sunlight that reaches the shadowed Moon during the eclipse are presented to illustrate the distinct contributions from both components. It is also shown that lunar eclipse spectra obtained up to 4-5 years after a major volcanic eruption, such as Mt. Pinatubo's in 1991, will reveal that the stratosphere remains perturbed above background aerosol levels.     

差分吸收光谱中光源的光谱结构去除研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy,DOAS)利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量,现已被广泛应用于测量大气环境中痕量污染气体的浓度,如SO2,NO2,O3,HCHO等。测量得到的大气差分吸收谱在测量波段内(300～700nm)由于存有光源(氙灯或者氘灯)光谱结构,会影响大气环境中痕量气体浓度的准确反演;在光谱数据反演时,为了避开光源光谱结构的影响,国内外对其处理通常采用分段方式反演和弥补方式反演并介绍一种新的数据处理方法:采用平移窗口均值平滑方法(moving-window average smoothing method)获得大气光谱的慢变化,然后求取氙灯光谱结构。并将获得光源光谱结构对实际测量光谱进行拟合分析,取得了较好的效果,残差为2.995×10-4,避免了选择波段过窄和对新物质探测不利的缺点。     

基于稳健回归M估计的差分吸收光谱反演方法(英文)

基于最小二乘回归,差分吸收光谱技术(DOAS)可以获得痕量气体的大气浓度.鉴于在复杂大气环境下,测量结果可能出现异常值以及误差的非正态分布,导致最小二乘回归估计偏差较大.针对这一情况,本文研究了利用稳健回归M估计来反演DOAS测量光谱数据的方法,讨论了估计过程和效果,并对正常谱和异常谱进行两者回归方法比较.研究结果表明基于稳健回归M估计方法收到了良好的效果,提高了回归可靠性.     

超光谱成像差分吸收光谱技术研究

基于散射光的被动差分吸收(DOAS)技术利用气体的特性吸收谱线可实现对不同大气污染气体的定量测量,介绍了一种基于成像光谱仪的光学遥感系统,该系统运用被动DOAS原理实现了对大气污染气体的二维成像测量,并报道了该系统对实验室样品池一维测量与城市道路上方NO₂组分的成像测量实验. 基于成像光谱仪的被动DOAS系统利用太阳散射光可获取垂直方向一维的光谱信息,结合扫描装置,便可实现对污染气体的二维成像解析. 关键词： 被动差分吸收光谱 成像光谱仪 污染气体 二维成像     

DOAS tomography for the retrieval of trace gas profiles from satellite-based UV-Vis limb spectra

A new method is employed for retrieving the profiles of trace gas number densities from satellite-based ultraviolet-visible (UV-Vis) spectra of scattered sunlight, which are recorded from the limb atmosphere over a range of tangent heights. The slant column abundances of trace gas along the lines of sight (LOSs) are obtained by differential optical absorption spectroscopy (DOAS), and the tomographic technique is applied to such column abundances to retrieve two-dimensional (2D) concentration profiles. For validation of the tomographic technique, the slant column abundances are simulated by a tested 2D NO2 profile set with latitudes from 90°S to 90°N between altitudes of 0 and 100 km, and the retrieval of number density profiles on 1-km grids is performed. The results suggest that between ±80°, the retrieved structure is almost the same as the test data. According to the comparison of the selected cross sections of the vertical profiles between retrieved and true concentrations, the NO2 number densities have been retrieved with an accuracy of 15% or better and 5% for altitudes between 25 and 40 km. The validation of the retrieved data shows good agreement between the retrieved and true profiles.     

被动差分吸收光谱法测量烟羽速度的方法研究

差分吸收光谱技术(differential optical absorption spectroscopy, DOAS)是利用气体分子在紫外-可见光谱范围的特征吸收来测量其浓度含量。被动DOAS以天顶太阳散射光为光源通过对污染源排放烟羽进行扫描测量能获取污染气体(如SO₂,NO₂)柱浓度的连续分部,再结合风场信息后可以估算出污染源污染气体的排放总量。在实际测量中由于无法准确获取烟羽速度这一重要参数使得排放总量的计算变得比较困难,并且这也成为估算总量中的主要误差来源。文章研究了被动DOAS测量污染源排放烟羽速度的原理和方法,两套系统以固定夹角在烟羽下方获取烟羽通过一定距离的时间差从而得到烟羽运动速度。通过两套被动DOAS系统对某电厂排放烟羽进行测量得到了两个时刻的烟羽速度3.6和5.4 m·s-1,并与单经纬仪测风法获取当时烟羽高度上的风速结果进行对比表明,这种基于被动DOAS光学遥测方法能够满足烟羽速度的测量。     

Bemerkungen zur Theorie des Himmelsblaus

Remarks on the Theory of the Blue of the Sky As is well known the blue color of the skylight and its brightnes are due to the scattering of sunlight (according to Lord Rayleigh) by the molecules of the atmospheric gases or (according to M. v. Smoluchowski and A. Einstein) by the thermal-statistical fluctuations of the density of the air in volumelements of dimensions much smaller than the wavelength. But concerning the relations between the two scattering processes in the resultant skylight different opinions can be found in the literature. In the following, we point out that - above all in the case of dilute gases - only by using both scattering processes we have a convenient way to sum up the scattered waves from the individual molecules to get the total intensity, which finally is the same for both ways of reasoning. A certain contribution to the incoherence of the light scattered by different molecules which is essential to Lord Rayleighs point of view, is given by the Doppler effect due to the thermal motion of the scattering centers as well as by the incoherence of the primary “white” sunlight.     

痕量气体激光检测系统波长锁定技术研究

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)对痕量气体进行检测时,环境温度变化以及激光器控制电路的噪声常常使得激光器输出波长发生漂移,影响了气体浓度测量的准确性。以开放光路的激光吸收光谱氨气检测系统为例,在分析激光器扫描中心波长随电流变化规律的基础上,提出了基于电流控制的自适应锁定扫描中心波长的方法。研究了基于参考校准光谱的光谱数据对准算法,实现了开放大气中氨气浓度的实时监测。结果表明,波长锁定大大提高了痕量气体浓度反演的准确性和稳定性。氨气浓度具有日变化周期:上下班时段浓度上升,中午达到最大值,夜间浓度降低,系统检测限为3.8mg.m-3.m。     

Measurements of NO2 mixing ratios with topographic target light scattering-differential optical absorption spectroscopy system and comparisons to point monitoring technique

A topographic target light scattering-differential optical absorption spectroscopy(ToTaL-DOAS) system is developed for measuring average concentrations along a known optical path and studying surface-near distributions of atmospheric trace gases.The telescope of the ToTaL-DOAS system points to targets which are located at known distances from the measurement device and illuminated by sunlight.Average concentrations with high spatial resolution can be retrieved by receiving sunlight reflected from the targets.A filed measurement of NO2 concentration is performed with the ToTaL-DOAS system in Shijiazhuang in the autumn of 2011.The measurement data are compared with concentrations measured by the point monitoring technique at the same site.The results show that the ToTaL-DOAS system is sensitive to the variation of NO2 concentrations along the optical path.     

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。