大气CO2卫星遥感中植物叶绿素荧光影响的校正

大气CO₂卫星遥感监测的关键在于高精度,而植物叶绿素荧光存在与大气散射相似的光谱特征,干扰大气散射相关参数的反演结果,从而影响CO₂的反演精度。因植物叶绿素荧光强度微弱且影响特征与大气散射高度相关而难以准确校正。鉴于现有大气CO₂卫星遥感精度不足,以及植物叶绿素荧光对大气CO₂反演存在不可忽视的影响程度和复杂性,设计了O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带协同的参数化校正方法。首先通过对大气散射采取基于光子路径长度概率密度函数（PPDF）的参数化建模,降低叶绿素荧光与大气散射参数的光谱相关性;其次,针对叶绿素荧光强度弱,难以准确反演的问题,基于轨道碳观测器（OCO-2）的叶绿素荧光产品构建了5km分辨率的全球叶绿素荧光先验信息库,增强CO₂与叶绿素荧光同步反演中对叶绿素荧光的先验约束,提高叶绿素荧光的反演精度。通过O₂-A、1.6和2.06 μm CO₂三个光谱带的协同同时反演大气散射、叶绿素荧光和大气CO₂,并结合叶绿素荧光丰富的先验信息,能够较准确剥离大气散射和叶绿素荧光而提高大气CO₂的反演精度。选择叶绿素荧光强度明显较高的柱总碳观测网络（TCCON）中的Park Falls（45.945°N,90.273°W）站点开展验证,对该站点近4年每年8月份的温室气体观测卫星（GOSAT）数据进行反演,发现植被叶绿素荧光导致GOSAT XCO₂反演结果系统偏低2×10-6(ppm)左右,通过本文的方法进行校正,反演结果的低估程度有明显改善,最大低估由2.58 ppm降低到1.49 ppm,且离散程度也有一定程度的改善,明显控制了CO₂反演中叶绿素荧光的影响,对于实现1%（~4 ppm）的CO₂反演精度来说,提供了有力支撑。     

基于MAX-DOAS测定大气紫外波段水汽的吸收及其对DOAS反演影响的评估

大气水汽的吸收强度从微波区域到可见蓝光区域逐渐降低,然而在紫外波段的吸收却经常被人忽略。多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术是一种被动光学遥感技术,可以同时反演气溶胶、多种痕量气体（如NO₂,SO₂,HCHO,HONO等）以及水汽,常用于区域大气立体分布及输送监测,具有成本低、时间分辨率高、稳定、可实时监测等特点。水汽是一种重要的温室气体,在紫外波段反演一些痕量气体时水汽的吸收经常不被考虑,可能对紫外波段痕量气体的反演造成影响,从而产生系统误差。介绍了基于MAX-DOAS对紫外波段大气水汽的反演,于2020年6月1日—9月24日在西安乾县进行观测,通过选取最优反演波段,并将反演结果与可见蓝光波段的水汽进行对比,证实了紫外波段存在水汽吸收,评估了紫外水汽的吸收对同波段痕量气体反演的影响。首先,根据不同拟合波段反演的水汽均方根误差（RMS）以及水汽和O₄的吸收截面情况,选取紫外和可见蓝光波段水汽的最优反演波段分别为351～370和434～455 nm。其次,通过DOAS拟合得到紫外和可见蓝光波段O₄和H₂O的对流层差分斜柱浓度（DSCD）, 分别将紫外和可见波段的O₄ DSCD和H₂O DSCD做相关性分析,两个波段O₄ DSCD的相关系数r=0.85,H₂O DSCD的相关系数r=0.80。为消除不同波段的辐射传输差异,将同波段的H₂O DSCD和O₄DSCD作比值,两个波段H₂O DSCD/O₄DSCD的相关系数r=0.89。紫外和可见蓝光波段H₂O DSCD/O₄DSCD的高相关系数表明,即使在相对沿海城市水汽浓度较低的西安市,在363 nm附近的紫外波段同样存在水汽吸收,这将会对采用DOAS技术在紫外波段反演其他痕量气体造成影响。最后,分别对可能受紫外波段水汽吸收影响的气体（O₄,HONO和HCHO）进行DOAS反演误差评估,紫外波段水汽的吸收将使O₄ DSCD,HONO DSCD以及HCHO DSCD在DOAS拟合过程中增加,分别对应于+1.16％,+8.55％和+9.04％的变化。     

植物叶绿素荧光对CO2反演精度的影响

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了大气CO₂卫星测量的反演精度。氧气在大气中含量稳定,大气CO₂反演方法中常利用氧气的这一特性进行散射校正,其中典型的有光子概率密度函数(PPDF)方法。然而,O₂ A吸收带的光辐射中存在的植物叶绿素荧光会在不同程度上影响PPDF因子的反演,进而限制了CO₂反演精度。由于植被荧光信号较弱,在以往CO₂反演中没有引起足够重视。在调研全球植被荧光分布的基础上,模拟分析了荧光对大气CO₂柱含量(XCO₂)的影响。模拟计算无气溶胶条件下,以及气溶胶和地表反照率两者综合条件下荧光的影响,结果显示,当不考虑气溶胶的影响,荧光强度从0.1增加到1.8(mW·m-2·sr-1·nm-1),会给CO₂的反演结果造成0.1~2 (10-6)的偏差;考虑气溶胶与地表反射率的影响时,会给CO₂的反演结果造成(0.1~3)×10-6的偏差。此研究表明,对于具有高精度需求的CO₂反演,植物叶绿素荧光是一个不可忽略的影响因素。     

基于三光谱带的大气散射效应校正方法

大气散射效应作为CO₂反演的主要误差源,严重影响了全球大气CO₂卫星产品的应用研究。气溶胶作用以及气溶胶与地表综合作用是大气散射的重要来源。基于O₂-A,CO₂ 1.6和2.06 μm三个光谱带中的强、弱吸收峰和连续谱,从大气气溶胶光学厚度和地表反照率的角度,分析三光谱带具有的相关信息,提出改进的全物理反演方法,对相关性很强的气溶胶光学厚度和地表反照率这两个散射相关参数进行同步反演,实现大气CO₂反演中的散射效应校正。模拟计算气溶胶影响、气溶胶和地表反照率两者综合影响导致的CO₂反演误差,并进行校正,极端情况下导致的8% CO₂反演误差可校正到1% 内,气溶胶类型差异导致最高达10%的散射影响可校正到2%内,显示了方法的有效性,同时通过对校正效果的评估,表明该方法应用于卫星数据高精度反演的潜力,也指出了实际应用时需要关注的问题。     

深紫外波段苯的差分光学吸收光谱DOAS定量方法研究

取代基通过取代苯环上的H原子形成不同苯系物（苯、甲苯、二甲苯等）,其共有结构苯环上的不固定π键电子受到激发,使得苯系物在紫外波段240～280 nm具有明显的特征吸收结构,鉴于此大气中的苯及相关的苯系物可以通过差分光学吸收光谱（DOAS）方法来进行定量,但采用该波段测量需要考虑以下问题：首先是氧气（O₂）的吸收干扰问题,苯(C₆H₆)在该波段的吸收截面与O₂在243～287 nm Herzzberg带相互重叠,且O₂的特征光谱结构随O₂的浓度不同而变化, 导致O₂的吸收光学密度与O₂的浓度不成线性关系。其次,苯系物结构上的相似性使其在紫外波段的特征吸收结构差别较小并且相互重叠,从而对C₆H₆的拟合产生干扰。此外,除了O₂和苯系物以外,还有臭氧（O₃）、二氧化硫（SO₂）等干扰。C₆H₆在195～208 nm的深紫外波段具有较大的吸收截面（2.417×10-17 cm2·molecule-1）,为240～260 nm处截面大小（2.6×10-18 cm2·molecule-1）的9倍左右,针对C₆H₆在深紫外195～208 nm波段的吸收特征,开展便携式DOAS定量方法研究,采用该波段进行C₆H₆的光谱定量分析并应用到实际的外场观测。通过建立C₆H₆与干扰气体SO₂,氨(NH₃),二硫化碳(CS₂)和一氧化氮(NO)的差分吸收截面的二维相关性矩阵,获取C₆H₆光谱定量的最优反演波段。通过开展实验室条件下C₆H₆,SO₂和NH₃不同浓度配比的混气实验对195～208 nm波段反演C₆H₆的效果进行评估。实验结果显示,采用195～208 nm波段进行光谱反演的探测限为17.6 μg·m-3,光谱反演浓度与理论浓度的相对测量误差均小于5%且RSD（相对标准偏差）小于3%,同时与240～260 nm波段反演结果进行对比,相对误差小于5%。在外场实际情况下,利用便携式DOAS系统获取190~300 nm的大气测量光谱,通过DOAS方法解析并结合GPS信息,获得了某化工园区C₆H₆的污染浓度分布,实验结果表明采用195～208 nm深紫外波段同样能适用于对C₆H₆的光谱定量,与240～260 nm波段反演结果进行对比,二者的相关性达到了0.98且相对误差小于10%。     

多轴差分吸收光谱仪反演大气NO2的比对试验

为了满足卫星遥感产品地基验证平台中不同仪器观测数据一致性的要求, 2011年9月, 将3台不同设计方案、不同操作方式的多轴差分吸收光谱仪(MAX-DOAS) 集中在中国科学院大气物理研究所香河大气探测综合试验站, 进行了近20天的同步观测测试. 并对所有仪器统一观测方位角, 分别采用相同的紫外、可见光波段的特征吸收带及吸收截面进行NO₂柱浓度的反演试验. 系统的比对分析表明: 3台MAX-DOAS的反演误差大都保持在6%以内, 说明仪器性能良好, 比较稳定; 紫外波段的反演结果略小于可见光波段, 尤其在阴天, 这是由于两波段对分子及气溶胶散射的敏感性不同造成的; 以可见光波段的反演结果为标准, 对紫外波段的反演结果进行系统订正, 订正后的各组数据一致性非常好, 满足卫星大气成分NO₂柱浓度遥感产品不同地基验证站点数据稳定、一致的要求. 关键词： MAX-DOAS 2')" href="#">NO₂ 斜柱浓度 比对试验     

利用便携式FTIR光谱仪研究环境大气中CO2浓度变化

高准确和高精度测量环境大气CO₂浓度,对于监测区域和城市温室气体的排放至关重要。基于傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术,利用便携式FTIR光谱仪采集近红外太阳吸收光谱,基于非线性最小二乘算法,反演获得了2016年9月至2020年5月期间合肥地区环境大气的CO₂柱浓度。观测结果表明,CO₂气体的柱浓度有着明显的季节变化,在春季出现最大值,夏季下降速度快,秋季达到最小值。柱平均干空气混合比浓度XCO₂的日均值位于(401.23±0.60)和(418.41±0.31) ppm之间,而2017年观测的月均值有着6.96 ppm的季节幅值。并且,观测期间XCO₂呈现逐年增长的趋势,年平均增长率为(2.71±0.66) ppm·yr-1。为了验证便携式FTIR光谱仪观测的准确性和可靠性,我们将其观测结果与高分辨率FTIR仪器同步测量结果进行比较,发现观测的XCO₂的偏差均值为1.32 ppm,二者的相关系数r为0.97,两个数据显示高度一致性。同时将观测结果与GOSAT卫星数据作了横向比较,两个数据的平均偏差为(0.63±1.76) ppm,二者的相关系数r为0.86,显示出地基数据与卫星数据有高相关性。最后,将合肥站点2020年秋季观测数据与上海站点同期观测数据进行了比较,发现上海站点与合肥站点的CO₂柱浓度变化基本一致,合肥观测点的XCO₂日均值位于(415.09±0.84)和(417.80±0.67) ppm之间,上海观测点的XCO₂日均值位于(411.87±1.07)和(416.63±1.70) ppm之间,表明同步观测期间合肥的CO₂柱浓度略高于上海市。地基FTIR光谱仪的观测结果可为追踪合肥地区温室气体的碳源与碳汇提供基础数据。     

低碳化学品火焰红外光谱辐射特性研究

低碳化学品火灾事故风险高、危害极大,探究低碳化学品火焰光谱特性对探测识别该类火灾危害污染意义重大,但目前国内外对大型低碳化学品火灾事故产生有毒、有害的硫化物（SO_X）和氮化物（NO_X）气体等相关研究较少。通过搭建1.2～12 μm红外波段火焰光谱测试实验平台,对二硫化碳、92#汽油和酒精进行5,14和20 cm三种不同燃烧尺度火焰光谱测试,探究火焰燃烧尺度对高温火焰分子辐射光谱的影响。随着燃烧尺度的增大,火焰辐射强度增强和特征波段出现增宽现象。分析5 cm 燃烧尺度下四种典型化学品中液化天然气（LNG）、丙烯腈、乙腈和95#汽油不同的火焰光谱特征。通过用傅里叶变换红外光谱仪测量高温黑体炉的不同温度,对火焰光谱信号进行辐射定标,得出准确的辐射定标系数,从而得到高温火焰分子发射的辐射亮度值。并且与HITRAN数据库模拟大气压1 atm、温度1 300 K单一的SO₂,H₂O,CO₂和NO₂分子辐射光谱进行对比分析。其中高温火焰分子光谱主要有7.3～7.6,8.7和4.0 μm SO₂波段、1.8～2.1和6.4 μm H₂O波段和4.2～4.6 μm CO₂波段,以及2.5～2.9 μm H₂O和CO₂共同波段。高温NO₂气体未达到红外光谱仪的检测限,通过HITRAN数据库模拟可知6.0～6.4,3.4和2.4 μm NO₂波段。为了进一步区分各种化学品火焰光谱,对定标后的火焰光谱信号进行归一化处理,用db2小波基函数进行6层分解得到高频部分近似系数和低频部分的细节系数,通过对比不同化学品高温火焰光谱的近似和细节系数的差异。结果表明,二硫化碳火焰光谱特征和小波分析的化学品火焰光谱特征,可作为区分低碳化学品与油料重要依据,并为后续遥感探测低碳化学品特征污染物、组分浓度反演以及识别评估其污染危害奠定重要基础。     

O4对利用天顶散射光法测量大气组分含量的影响研究

通过实验证明是否考虑O₄的存在对利用天顶散射光测量大气组分含量的结果存在影响.介绍了天顶散射光的观测原理、实验仪器、测量方法、光谱处理以及浓度反演过程.用具体的实验数据说明考虑O₄在实验波段内的吸收能提高NO₂和O₃浓度反演结果的准确性.同时将观测得到的臭氧垂直柱密度与美国TOMS观测数据进行了对比. 关键词： 4')" href="#">O₄ 臭氧 天顶散射光 DOAS     

基于O2-O2吸收的非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法研究

针对传统非相干宽带腔增强吸收光谱浓度反演方法的定量结果易受镜片反射率标定误差的影响问题, 提出了一种基于测量大气O₂-O₂吸收的浓度反演方法. 该方法是将非相干宽带腔增强吸收光谱技术的光学增强腔等效成吸收光程不随波长变化的多次反射池, 首先根据测得的宽带腔增强大气吸收谱和参考谱计算出光学厚度, 并应用差分光学吸收光谱算法拟合修正后的气体吸收截面到光学厚度, 反演得到大气中O₂-O₂以及被测气体的柱浓度, 然后根据O₂-O₂在大气中的含量已知且相对稳定这一特性, 确定出等效多次反射池的吸收光程, 最后从被测气体的柱浓度中扣除吸收光程信息得到被测气体的浓度值. 以监测大气中NO₂实验为例, 应用该方法在454-487 nm波段反演得到了大气NO₂的浓度(1-30 ppbv范围内), 并将反演结果与传统浓度反演方法的结果进行了对比, 发现两者的不一致性在7%以内. 实验结果表明, 非相干宽带腔增强吸收光谱技术可以利用大气O₂-O₂的吸收来定量其他被测气体的浓度, 而且定量结果对镜片反射率的标定误差不敏感.     

地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH4浓度变化

CH₄在大气中的浓度较低(～1.8 ppmv)且混合较为均匀, 不同区域浓度差较小, 其在大气中微量变化的精确观测对反演技术提出了很高要求. 基于高分辨率(0.02 cm^-1)傅里叶变换直射太阳光谱, 研究一种高精度、大尺度的CH₄浓度反演方法, 高灵敏地观测CH₄在大气强背景下的浓度变化. 先利用先验参数实现测量光谱的准确建模, 再采用非线性最小二乘光谱拟合和非线性逐次迭代相结合的方法反演CH₄的垂直柱浓度(vertical column density, VCD), 并以7885 cm^-1 O₂ 吸收窗口为参考, 反演CH₄的柱平均干空气混合比浓度(column-averaged dry air mixing ratios) XCH₄. CH₄ VCD和XCH₄拟合误差均小于1%, 且绝大多数XCH₄反演值均位于Total Carbon Column Observing Network (TCCON)规定的<0.5%区间内. 基于典型的日观测值, 研究了CH₄浓度的日变化规律, CH₄ VCD随时间变化而减少, XCH₄的日变化量小于0.02 ppmv.     

融合SIF和反射光谱的小麦条锈病遥感监测

日光诱导叶绿素荧光(SIF)能够敏感反映作物病害胁迫信息,然而冠层几何结构等因素严重影响了SIF对植被光合功能变化及其受胁迫状况的捕捉能力。为此,将能够敏感反映作物群体生物量的归一化差值植被指数（NDVI）和MERIS陆地叶绿素指数(MTCI)与SIF_P相融合(SIF_P-NDVI,SIF_P-MTCI,SIF_P-NDVI*MTCI),对比分析融合前后SIF对小麦条锈病的遥感监测精度。结果表明：（1）融合反射率光谱指数的SIF_P-NDVI,SIF_P-MTCI和SIF_P-NDVI*MTCI较融合前的SIF_P与病情指数(DI)相关性均有不同程度的提高,其中O₂-B波段提高最为明显,分别提高了23.48%,33.61%和36.49%,O₂-A波段提高量最小,分别提高了2.39%,2.14%和1.51%;（2）以SIF_P-NDVI和SIF_P-MTCI为自变量,基于随机森林回归(RFR)算法构建的小麦条锈病遥感监测模型预测DI值和实测DI值间的R2较SIF_P分别平均提高了1.15%和4.02%,RMSE分别平均降低了2.7%和14.41%;（3）综合利用NDVI和MTCI处理后的SIF_P-NDVI*MTCI为自变量构建的小麦条锈病遥感监测模型精度最优,其预测DI值和实测DI值间的R2较SIF_P平均提高了5.74%,RMSE平均降低了22.52%。研究结果对提高小麦条锈病遥感监测精度具有重要意义,同时亦对其他作物的病害监测具有一定的参考价值。     

Effects of surface treatments and annealing on carbon-based molecular sieve membranes for gas separation

A new method in preparing carbon-based molecular sieve (CMS) membranes for gas separation has been proposed. Carbon-based films are deposited on porous Al₂O₃ disks using hexamethyldisiloxane (HMDSO) by remote inductively coupled plasma (ICP) chemical vapor deposition (CVD). After treating the film with ion bombardment and subsequent pyrolysis at a high temperature, carbon-based molecule sieve membranes can be obtained, exhibiting a very high H₂/N₂ selectivity around 100 and an extremely high permeance of H₂ around 1.5 × 10⁻⁶ mol m⁻² s⁻¹ Pa⁻¹ at 298 K. The O₂/N₂ selectivity could reach 5.4 with the O₂ permeance of 2 × 10⁻⁷ mol m⁻² s⁻¹ Pa⁻¹ at 423 K.

During surface treatments, HMDSO ions were found to be more effective than CH₄, Ar, O₂ and N₂ ions to improve the selectivity and permeance. Short and optimized surface treatment periods were required for high efficiency. Without pyrolysis, surface treatments alone greatly reduced the H₂ and N₂ permeances and had no effect on the selectivity. Besides, without any surface treatment, pyrolysis alone greatly increased the H₂ and N₂ permeances, but had no improvement on the selectivity, owing to the creation of large pores by desorption of carbon. A combination of surface treatment and pyrolysis is necessary for simultaneously enhancing the permeance and the selectivity of CMS membranes, very different from the conventional pore-plugging mechanism in typical CVD.     

点缺陷浓度对非化学计量比L12型结构的A13Sc弹性性能的影响

采用密度泛函理论与Wagner-Schottky热力学模型计算了金属间化合物L1₂-A1₃Sc中点缺陷浓度与温度、成分间的关系. 结果表明: 在考察的温度区间(T=300-1200 K), 理想化学计量比L1₂-A1₃Sc中的点缺陷主要为Al空位和Sc空位, 且缺陷浓度较低(在1200 K时仅约为10^-6). 当L1₂-A1₃Sc偏离化学计量比成分时, 富Al成分端的点缺陷主要为Al反位与Sc空位, 且两种缺陷的浓度相当; 富Sc成分端的点缺陷则主要为Sc反位. 利用超胞模型进一步计算了含点缺陷L1₂-A1₃Sc晶体的弹性常数, 并计算预测了点缺陷形式和浓度对其弹性性能的影响. 结果表明: 在理想化学计量比成分附近, 点缺陷的引入均会降低非化学计量比L1₂-Al₃Sc晶体的杨氏、剪切和体积弹性模量, 增加非化学计量比L1₂-Al₃Sc弹性性能的各向异性, 但是对其脆-韧性的影响不大.     

The effects of process gas type on the surface condition of high-power diode laser-treated ordinary Portland cement

This paper examines the effects of using O₂, Ar and He process gasses during the treatment of the ordinary Portland cement (OPC) surface of concrete with a high-power diode laser (HPDL). The study revealed that, depending on the shield gas used, distinct difference existed in the surface condition of the concrete after HPDL treatment. In particular, the use of O₂ as the shield gas was seen to result in glazes with far fewer microcracks and porosities than those generated with either Ar or He shield gases. Such differences were found to be due to the smaller O₂ gas molecules dissolving molecularly into the open structure of the HPDL-generated glaze on the OPC surface of concrete and react with the glass network to increase the fluidity of the melt. This in turn was also seen to affect the cooling rate and therefore the tendency to generate microcracks.     

Deposition of MgO films by pulsed mid-frequency magnetron sputtering

MgO films were deposited by pulsed mid-frequency magnetron sputtering from metallic targets in the mixture of Ar and O₂ gas. The surface morphology, crystalline structure, and optical properties were characterized by using atomic force microscopy (AFM), X-ray diffraction (XRD), and spectroscopic ellipsometry, respectively. The secondary electron emission coefficients of MgO films were measured by using a self-made apparatus in He gas. A pronounced hysteresis phenomenon of target voltage, current, and deposition rate with increasing and decreasing O₂ flow rate was observed. The structure of films deposited at a metallic mode changes from Mg phase to the mixed Mg and MgO phase, and the films have a very rough surface. All the films deposited at oxide mode have high transparency and smooth surface, and show (2 2 0) preferred orientation growth. The refractive index and extinction coefficient at a wavelength of 670 nm for MgO films deposited at oxide mode with a O₂ flow rate of 3 sccm are 1.698 and 1.16×10⁻⁴, respectively. The secondary emission coefficient at a E/p of 57.8 V/(cm Torr) for MgO films deposited at a O₂ flow rate of 3 sccm is 0.16, which is higher than that of MgO films deposited by e-beam evaporation.