利用红外高光谱资料CrIS反演大气温湿廓线的模拟研究

大气温湿廓线是数值预报中最基本的气象参数,高光谱红外卫星可以观测到较高垂直分辨率的大气信息,为了准确获取廓线信息,利用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)红外高光谱观测资料,讨论了通道选取方法,采用特征向量统计法反演法得到初始大气廓线,利用非线性牛顿迭代法进一步提高反演精度。将反演结果和全球数据同化系统GDAS(global data assimilation system)模式分析数据以及配对的无线探空值进行比较,发现反演结果与真值趋势一致,较之初始廓线有显著提高,在100～700 hPa之间,温度廓线反演精度最高,均方差小于1 K,在300～900 hPa之间,湿度廓线反演精度最高,均方差小于20%,与所选取通道的雅各比峰值区间一致。     

基于长光程的土壤氧化亚氮排放规律的FTIR光谱法研究

氧化亚氮（N₂O）的过量排放会对臭氧层造成破坏,合理施肥和采取减排措施对减缓温室效应具有重要的现实意义。本文利用FTIR光谱法研究了施肥和水分对白菜地土壤排放N₂O的影响。为了提高系统的灵敏度,我们利用多个反射镜加长了光程。通过比对施肥前后N₂O红外光谱和NIST谱库N₂O红外光谱,最终选取2 160～2 225 cm-1作为定量计算N₂O的特征波段。研究发现,施肥和水分能促进白菜地土壤N₂O气体排放,这为农田N₂O的减排和减缓温室效应提供了理论依据。最后,还研究了施肥后土壤N₂O的昼夜排放规律,结果表明,N₂O白天的排放量高于晚上,通过和前人研究结果对比,验证了此方法的可行性。本文研究证实,基于长光程的FTIR光谱法是一种测量土壤排放N₂O气体规律的快速有效方法,它可以对施肥后的白菜地土壤N₂O气体排放进行测量,相对其他传统测量方法具有高速、简便等优势。     

中国地区氧化亚氮浓度时空变化特征分析

氧化亚氮是一种重要的温室气体和臭氧损耗物。利用热红外反演大气温湿廓线,由于大气氧化亚氮含量较少且变化幅度不大,一般都当作常量处理。但是在反演氧化亚氮时,由于大气温湿廓线和地表温度等参数相对氧化亚氮变化较大,可能很小的扰动就会覆盖掉氧化亚氮的吸收信号。因此有必要在上千个通道中,选取信噪比最高的通道,反演分析氧化亚氮浓度的时空变化特征,进而掌握我国氧化亚氮浓度的变化规律,为研究我国氧化亚氮排放对气候变化的贡献,制定合理的氧化亚氮减排政策等,提供可靠数据支撑。采取一种优化后的最优敏感廓线通道选取法,利用AIRS数据,基于最优估计法反演氧化亚氮浓度,与TCOON观测网中加拿大站点进行比对,结果显示卫星遥感与地面观测结果一致性较好,相关系数r为0.73,该算法可以推广到IASI和CrIS等热红外高光谱数据,使对氧化亚氮的观测数据增加到20多年,这种长时间序列的产品是对目前地面观测的有效补充。在氧化亚氮反演验证的基础上分析了我国氧化亚氮的年均值变化和月均值变化情况,以及它的空间分布特征。时空变化结果显示,我国氧化亚氮浓度在低纬度地区浓度相对较高,每年在华南地区的夏季达到峰值,月度间变化幅度较大,相比于月度变化,年度之间的变化幅度相对较小。监测结果同时显示,印度、巴基斯坦等国在紧邻我国地区,夏季氧化亚氮浓度较高,因此我国氧化亚氮浓度的时空变化特征除本地排放贡献外,也有一定的外部区域传输影响。     

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。     

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     

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。     

基于GOSAT卫星数据的大气甲烷反演误差分析及校正

大气甲烷(CH₄)高精度反演受到多种因素的影响,其中地表特征和大气状态的不确定性是重要的影响因素,如地表反射率、温度、湿度和压力廓线。地表反射率受到诸多因素的影响,难以获得精确的数据,会给反演结果带来较大误差。温度、湿度和压力廓线的不确定性亦是反演误差的重要来源,由此产生的系统误差难以避免,单独利用CH₄吸收带进行反演难以消除此种误差。针对各种参数不确定性的影响,本文提出比值光谱法和CO₂吸收带校正法进行校正。比值光谱法通过将绝对辐亮度谱转化为比值光谱,抑制地表反射率在反演过程中的作用。CO₂吸收带校正法利用CO₂ 1.61 μm吸收带,将CH₄柱含量转化为CH₄体积混合比,校正温度、湿度和压力廓线不确定性引起的系统误差。通过将两种校正方法结合,可同时抑制地表反射率和温度、湿度、压力廓线不确定性产生的影响,减小反演误差。利用温室气体观测卫星(GOSAT)的观测数据进行大气CH₄反演,采用比值光谱法和CO₂吸收带校正上述误差,结果显示校正后的CH₄体积混合比与GOSAT-Level2产品相当接近,反演精度可达-0.24%,反演结果较为稳健可靠。研究表明,比值光谱法和CO₂吸收带校正法可有效校正地表特征和大气状态参数不确定性引起的误差,提高大气CH₄反演精度。     

大气二氧化碳反演中系统误差的分析与校正

二氧化碳（CO2）高精度反演中易受多种因素的影响,其中一部分是系统误差,如温度廓线、压力廓线、水汽以及大气分层等精度不足所带来的影响,仅利用CO2吸收带的光谱信息很难克服由此带来的误差。这种系统误差的波长依赖性小,可以考虑其他波段进行校正。模拟研究表明,上述系统误差对CO2反演的影响经O2校正后有较大程度地减小。利用大兴安岭地区的温室气体观测卫星（GOSAT）观测数据进行CO2反演,采用氧气（O2）A吸收带校正上述系统误差,结果显示反演精度得到明显提高。     

AIRS红外高光谱卫星数据反演卷云光学厚度和云顶高度

基于大气红外探测器L1B红外高光谱辐射观测资料,结合中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)云产品数据,利用通用大气辐射传输模式(combined atmospheric radiative transfer model,CART),根据模式模拟和AIRS实际观测亮温的亮温差,研究从AIRS红外波段1 070～1 135 cm-1高光谱数据反演卷云的光学厚度和云顶高度。将反演的卷云光学厚度与云顶高度作为输入参数模拟计算650～1 150 cm-1波段卷云大气顶的辐射亮温谱,并将模拟值与AIRS观测亮温谱进行了对比分析。将反演的卷云光学厚度和云顶高度和AIRS的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温以及MODIS卷云反射率进行了对比分析。最后将反演的卷云云顶高度和MODIS云顶高度进行了对比分析。研究结果表明：反演所使用的650～1 150 cm-1波段模式模拟和观测亮温谱吻合得很好,说明CART可以较好的模拟AIRS亮温谱。反演的卷云参数与AIRS在大气窗口区的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温的分布满足低亮温对应较大的卷云光学厚度和高云顶高度。反演的卷云参数和MODIS卷云的反射率分布满足高卷云光学厚度和云顶高度对应高卷云反射率。反演的卷云云顶高度和MODIS的卷云云顶高度之间线性相关系数相对较高,且都在8.5～11.5 km的概率较高,两者的概率分布趋势一致。说明CART可以用于反演卷云的性质,反演结果具有一定的可靠性。     

基于地基高分辨率太阳吸收光谱观测大气中硝酸的时空分布

利用高分辨率傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术探测合肥地区大气硝酸(HNO_3)的浓度,基于最优估算法由中红外太阳吸收光谱反演出HNO_3的垂直廓线和柱总量。获得了2017年大气HNO_3的垂直廓线和柱总量的时间序列,分析了HNO_3的季节变化、浓度探测敏感性高度、反演平均核和自由度等特征。不同季节大气HNO_3的垂直廓线表明,HNO_3在20～30km的大气平流层浓度较高,在对流层浓度较低。HNO_3的柱浓度显示出明显的季节变化,春季出现最大值,冬季出现最小值,季节变化幅值为9.82×10~(15) molecule/cm~2。为了对地基FTIR的观测进行比对,选取Aura MLS卫星数据产品与地基测量数据进行比对。比对结果表明,地基遥感观测与卫星数据显示出的季节变化一致;尽管卫星偏柱量整体小于地基遥感的柱总量,但两者的相关系数为0.83,表明两者具有较好的一致性。地基观测结果验证了地基FTIR技术观测大气中HNO_3时空分布的可靠性和准确性。     

Gate dielectrics prepared by double nitridation in NO and N2O

Oxynitrides prepared by double nitridation in nitric oxide (NO) and nitrous oxide (N₂O) are compared to the one with a single NO nitridation. Based on various hot-carrier stresses, harder oxide/Si interface, less charge trapping and generation of electron/hole traps in oxide, and larger charge-to-breakdown are observed for the doubly-nitrided gate dielectrics than the singly-nitrided one. By analyzing the nitrogen profiles in these oxynitrides, it is revealed that the involved mechanisms lie in the smaller distance of peak nitrogen concentration from the oxide/Si interface and the higher nitrogen content near the oxide/Si interface in the doubly-nitrided oxynitrides.     

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.     

Critical conditions for nitrous oxide ignition

The minimum energies of ignition of gaseous nitrous oxide are measured at pressures up to 3 MPa. The minimum pressure at which nitrous oxide burnt out in the reactor completely was 0.5 MPa. It is shown that this pressure depends on the length of the vertically installed cylindrical reactor. At the optimal length, the minimum pressure was as low as 0.3 MPa. The effect of organic lubricants on the ignition energy is discovered. Liquid nitrous oxide failed to be ignited by a flame torch.     

Sevoflurane and nitrous oxide increase regional cerebral blood flow (rCBF) and regional cerebral blood volume (rCBV) in a drug-specific manner in human volunteers

Anesthesia for diagnostic procedures, e.g., MRI measurements, has increasingly used sevoflurane and nitrous oxide in recent years. Sevoflurane and nitrous oxide are known cerebrovasodilatators, however, which potentially interferes with MRI examination of cerebral hemodynamics. To compare the effects of relevant equianesthetic concentrations (0.4 MAC) of both drugs on regional cerebral blood flow (rCBF) and regional cerebral blood volume (rCBV) we used contrast-enhanced magnetic resonance imaging (MRI) perfusion measurement, which has the advantage of providing regional anatomic resolution.

Sevoflurane increased rCBF more than did nitrous oxide in all regions except in parietal and frontal gray matter. Nitrous oxide, by contrast, increased rCBV in most of the gray matter regions more than did sevoflurane. In summary we show that, in contrast to nitrous oxide, sevoflurane supratentorially reversed the anterior-posterior gradient in rCBF and typically redistributed rCBF to infratentorial gray matter. In contrast, nitrous oxide increased rCBV more than did sevoflurane. Both inhalational anesthetics had a drug-specific influence on cerebral hemodynamics, which is of importance when interpreting MRI studies of cerebral hemodynamics in anesthetized patients.     

The potential energy function of the nitrous oxide molecule using pure vibrational data

Using a very large and partly new set of vibrational data, a preliminary determination of the potential energy function of the nitrous oxide molecule has been undertaken and the results are presented in this paper. These results are discussed.     

超光谱红外卫星资料同步反演不同地表类型的大气廓线、地表温度和地表发射率

大气温度、水汽、地表温度和地表发射率是大气和地表的本征信息量。利用卫星红外资料精确反演大气温湿廓线有利于准确预报天气和研究气候变化,同时地表温度和地表发射率光谱的反演为研究植物生长与作物产量、地表水分蒸发与循环、能量平衡、地表成分及物理性质、气候变迁与全球环境提供重要参数指标。把大气和地面作为一个整体系统来考虑,建立一种能同步反演大气温度廓线、大气水汽廓线、地表温度和地表发射率的反演方法,利用超光谱红外卫星资料(atmospheric infrared sounder, AIRS),针对我国新疆地区沙漠和雪地两种典型发射率地表同步反演大气温度廓线、水汽廓线、地表温度和地表发射率。反演方法首先线性化地球-大气系统红外辐射传输方程, 提出通过经验正交函数构建大气廓线和地表发射率光谱,有效减少反演变量数,建立同步物理反演模式,然后以美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)的预报结果(初始大气温度、水汽廓线以及地表参数)作为初始值,最后通过牛顿迭代得到最优化解。反演观测区域覆盖我国新疆塔克拉玛干沙漠和准噶尔盆地,分别选择位于塔克拉玛干沙漠腹地的塔中探测站(纬度38.98°, 经度83.64°)和准噶尔盆地的阜康荒漠生态系统国家野外科学观测研究站(纬度44.2°, 经度87.9° )为反演地面验证点。反演结果表明,塔克拉玛干沙漠地表温度明显高于准噶尔盆地地表温度,与实际情况相一致;根据反演的8.6和13.4 μm处的地表发射率分布情况,可以看出在8.6 μm处沙漠地表发射率明显低于雪地发射率,在6～15 μm范围内,反演的沙漠地区(塔中站)地表发射率和雪地地区(阜康站)地表发射率与美国喷气推进实验室测量的沙漠发射率光谱和雪地发射率光谱相一致。研究表明,把大气和地面作为一个整体系统来考虑,把地表发射率加入到反演中,通过比较和分析沙漠地区(塔中)和雪地地区(阜康)的大气廓线反演结果与当地气象探空值和传统反演方法反演值,改进了大气温度廓线和水汽廓线反演精度,特别是边界层温度和水汽改进尤为明显;同时分析表明在发射率光谱变化较大的沙漠地区, 大气廓线反演精度的改进比雪地要高,这是由于地表发射率光谱在沙漠、戈壁地区变化较大,而雪地的发射率光谱变化不大。用该方法针对地表发射率光谱变化较大的地区(沙漠)同步反演大气廓线、地表温度和地表发射率,可以更有效的提高大气温度廓线、水汽廓线的反演精度。该研究结果可以为数值天气预报和我国未来超光谱红外卫星应用提供服务和有力支持, 具有十分重要的意义。     

Validation of the community radiative transfer model

To validate the Community Radiative Transfer Model (CRTM) developed by the U.S. Joint Center for Satellite Data Assimilation (JCSDA), the discrete ordinate radiative transfer (DISORT) model and the line-by-line radiative transfer model (LBLRTM) are combined in order to provide a reference benchmark. Compared with the benchmark, the CRTM appears quite accurate for both clear sky and ice cloud radiance simulations with RMS errors below 0.2 K, except for clouds with small ice particles. In a computer CPU run time comparison, the CRTM is faster than DISORT by approximately two orders of magnitude. Using the operational MODIS cloud products and the European Center for Medium-range Weather Forecasting (ECMWF) atmospheric profiles as an input, the CRTM is employed to simulate the Atmospheric Infrared Sounder (AIRS) radiances. The CRTM simulations are shown to be in reasonably close agreement with the AIRS measurements (the discrepancies are within 2 K in terms of brightness temperature difference). Furthermore, the impact of uncertainties in the input cloud properties and atmospheric profiles on the CRTM simulations has been assessed. The CRTM-based brightness temperatures (BTs) at the top of the atmosphere (TOA), for both thin (τ<5) and thick (τ>30) clouds, are highly sensitive to uncertainties in atmospheric temperature and cloud top pressure. However, for an optically thick cloud, the CRTM-based BTs are not sensitive to the uncertainties of cloud optical thickness, effective particle size, and atmospheric humidity profiles. On the contrary, the uncertainties of the CRTM-based TOA BTs resulting from effective particle size and optical thickness are not negligible in an optically thin cloud.     

The thermal conductivity of three polyatomic gases and air at 27.5°C and pressures up to 36 MPa

The paper reports accurate measurements of the thermal conductivity of ethane, ethylene, nitrous oxide, air and argon-free air as a function of density at a temperature of 27.5°C. In the case of ethane the experimental data extend over the pressure range 0.6–3.4 MPa, for ethylene over the range 0.6–5 MPa and for nitrous oxide over the range 0.6–4.5 MPa. The measurements on the two samples of air cover the range 0.8–36 MPa. All the measurements have been carried out in a transient hot-wire instrument and have an estimated uncertainty of ±0.2%.For air the few experimental data that exist deviate by up to 5% from the present results which are to be preferred owing to their higher accuracy. In the case of the pure gases the experimental data are combined with accurate viscosities and employed to estimate collision numbers for rotational relaxation in the gases.