全球变暖背景下温室效应的光谱能量分布分析

利用一维辐射传递方程及LBLRTM逐线积分模式建立计算模型,对工业革命前与目前大气构成情况下温室效应的能量分布及其光谱吸收机理进行分析,在保持温室气体浓度为当前水平的基础上,研究温室效应能量分布与地表温度之间的相互耦合机理.结果表明:工业革命前地球的温暖环境主要来自于大气温室气体的(100~370)cm^-1、(640~710)cm^-1以及(1370~2000)cm^-1三个强吸收带对于地球长波辐射的吸收,而地球当前的变暖则源自于大气的(370~640)cm^-1和(710~1370)cm^-1两个弱吸收带的作用,其对工业革命以来所额外增加的温室效应贡献分别达到了25%和55%;地表温度升高,温室效应在全波段范围内也会随之增强,但不同谱带处的温室效应贡献以地球平均温度所对应的辐射峰值波数为界线,峰值波数右侧的温室效应贡献将会增加,在其左侧的贡献比例则会减小.     

新型车载式拉曼激光雷达测量对流层水汽

水汽体积比仅仅占整个空气的0.1%~3%,但它却是大气中时空变化最为活跃的气体。拉曼激光雷达由于其测量精度高、探测范围广以及自动化程度高,成为现今测量大气水汽含量的新型工具。介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所于2004年10月自行研制的国内首台车载式拉曼激光雷达的总体结构和主要技术参量,给出其相应激光雷达数据的反演方法,该激光雷达在合肥地区进行了实际测量和对比实验。测量结果显示:该激光雷达夜晚探测水汽的高度范围可以从近地面到达对流层中部8 km左右。同时,该激光雷达还尝试进行了白天水汽探测实验,并首次得出突变层内的水汽混合比垂直廓线。     

大气温室效应的一维辐射传热分析

大气中温室气体对地面长波热辐射的吸收和再发射导致了温室效应.计算了大气不同高度200～50000 cm-1(0.2～50 μm)光谱吸收系数,采用一维大气介质模型和射线踪迹-节点分析法(RTNAM)的多层模型对大气中二氧化碳及水蒸气不同浓度情况下的大气温度进行了计算.结果表明标准大气CO2浓度增加1倍,对流层的温度上升...     

国外差分吸收激光雷达探测大气水汽廓线的研究进展

水汽含量是大气最基本的物理参量之一,大气水汽垂直分布结构对于大气过程的研究十分有意义。差分吸收激光雷达可以昼夜获取高精度、高距离分辨率的大气水汽垂直分布廓线,是最有潜力的探测手段。国际上已经发展出几种类型的差分吸收激光雷达,对它们的发展路径做一梳理,理清发展脉络,具有有益的参考价值。其中,稍早时期水汽差分吸收激光雷达工作在4ν振动吸收带720～730 nm频域,以Alexandrite为主流的激光器或者Nd∶YAG/ruby固体激光器泵浦的染料激光器作为发射光源,光电倍增管仍然可以在这个波段担任探测器,代表性的仪器是法国的机载LEANDRE Ⅱ。此后发展的820 nm波段的水汽差分吸收激光雷达,以钛宝石激光器或钛宝石光放大器为发射机,以硅的雪崩二极管作为探测器,紧跟前置放大和数据的AD采集器,如德国Hohenheim大学的车载扫描激光雷达,可以获得对流层300～4 000 m之间水汽两维或三维分布结构;德国Institutfür Meteorologie und Klimaforschung所建立的差分吸收激光雷达可以探测3～12 km高度之间大气的水汽垂直分布。720和820 nm波段水汽吸收截面较小,更适合于地基或车载的对流层水汽廓线探测。而水汽3ν振动谱935 nm区域吸收截面较大,是为了空间探测大气对流层上、平流层下相对干燥区域的水汽分布而准备的,且可以安排多个探测波长,和一个参考波长,它们对水汽的吸收截面大小呈梯度分布,以应对空间对地观测时不同高度大气水汽浓度的差别。基于种子注入的光参量振荡器或Nd∶YGG全固态激光器的935 nm差分吸收激光雷达,以德国Deutsches Zentrumfür Luft- und Raumfahrt的研究最为成功,推动了欧洲空间局立项发展空间水汽差分吸收激光雷达WALES（Water Vapour Lidar Experiment in Space）,测量从地球表面到平流层下、高垂直分辨率和高精度水汽浓度分布。机载多波长水汽差分吸收激光雷达1999年建立起来,担当空间WALES任务的模拟器,2006年完成了机载飞行试验。以823～830 nm分布布拉格反射半导体激光器和半导体光放大器为核心、采用雪崩二极管盖格光子计数技术的微脉冲差分吸收激光雷达,是差分吸收激光雷达面向商业化、可普及的方向迈出的重要一步,目前已经发展到第四代产品。发射机激光工作波长的长期稳定十分重要而棘手,以窄带连续波种子激光注入脉冲激光器的谐振腔锁定其的腔长,种子激光的波长以水汽的多通道光吸收池为参照标准,或以高精度波长计为误差获取手段,通过负反馈进行主动稳频;其次,需要仔细考虑大气对激光的后向散射光谱线型,显然Rayleigh后向散射光的多普勒展宽与水汽吸收光谱线宽度可以比拟,所以其吸收截面σ_on和σ_off必需加以修正;水汽的空间垂直分布梯度大,因此差分吸收激光雷达应该实行分通道探测。     

大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统设计与性能仿真

为持续获得对流层低层高精度、高时空分辨率的水汽浓度分布数据,提出了一套改进的大气水汽探测地基差分吸收激光雷达系统方案.详细描述了系统主要组成部分,对主要误差进行了分析与估计,并提出了一种差分吸收截面实时测量装置用于补偿发射激光器带来的测量误差.针对该系统,并结合上海地区不同季节的水汽浓度状况,对935 nm水汽吸收带中四个水汽吸收峰的差分光学厚度、雪崩二极管的倍增系数M与回波信噪比的关系、水汽浓度随机测量误差等进行了详细的仿真与分析.仿真结果表明,根据不同的季节和天气状况,可以选择不同的吸收峰以达到最佳探测效果;在300—5000 m高度范围内,最大可以达到300 m的垂直分辨率与5 min的时间分辨率,水汽浓度随机测量误差不超过18%.     

太空育种中药材防风的FTIR分析与表征

采用傅里叶变换红外光谱法（FTIR）对第四代太空防风与地面组防风和对照品防风进行了对比分析。三种防风主要吸收峰的峰形峰位相近,说明太空防风的主要化学成分和基本结构并未发生明显变化, 但1 640 cm-1处酮的CO吸收峰明显增强,表明色原酮类含量明显增加;2 927和2 856 cm-1处亚甲基的CH吸收峰和1 054 cm-1处C—O吸收峰明显增强,表 明色原酮苷类、多糖类含量明显增加;1 743 cm-1处内酯的CO吸收峰强于地面组,低于对照品,说明香豆素类含量较地面组增加,少于对照品。整体来看,太空防风成分得到优化,其有效 成分含量明显提升。     

20世纪后30年中国西北西部降水年代际变化机理分析

在全球气候变暖背景下1980年代中期中国西北西部气候发生了年代际突变,降水明显增加且主要是极端降水的贡献. 本文用欧洲中期预报中心再分析资料ERA-40计算了瞬变涡动、环流、水汽输送及其散度等的年代际变化并进行了分解分析. 结果表明, 1987年后大气环流年代际变化形成"东高西低"环流背景场,西风带向该区的水汽输送增加, 水汽辐合增强,其中主要是定常波水汽输送的贡献, 其结果是造成该区及周边空气水汽含量上升, 有利于降水或极端降水的增加. 夏季该区瞬变涡动增强且造成水汽辐合, 增加了降水天气出现的频率; 冬季瞬变涡动减弱, 天气过程减少, 说明降雪增加的原因应该是空气水汽含量增加, 导致降雪强度增加. 因此该区降水的增加即有中高纬度大气变暖变湿的贡献,也有瞬变涡动的动力作用. 未来西北西部降水的趋势主要取决于瞬变涡动与大气水汽含量变化的竞争．     

激光掩星探测大气水汽混合比的数值模拟

在低轨道空间站和伴飞卫星上分别安置激光发射机和接收机,同时发射和接收935nm短波红外水汽探测激光束脉冲对和765nm(位于氧气的A吸收带)近红外激光束脉冲对。935nm波段激光脉冲的一个探测波长对水汽的吸收较强,另一个参考波长对水汽的吸收相对较弱;765nm波段激光脉冲的一个波长对氧气的吸收较强和另一个波长对氧气的吸收较弱。光连线全程的双波长差分光学厚度和连线切点处的差分消光系数之间存在Abel变换关系。基于Abel积分变换,利用理想气体状态定律和大气准静态方程,用大气模式作为初值条件,进行数值计算。765nm波长对用来反演大气的压强和温度,935nm波长对用来反演大气水汽的密度。获得的水汽廓线分布的仿真结果以及误差分布表明,激光掩星具有探测对流层上-平流层下这一高度(5～14km)的水汽含量的潜力。     

第4代太空板蓝根的FTIR分析研究

从整体上测定我国首次选育的第4代航天育种板蓝根和地面组板蓝根的FTIR谱,对主要组分进行对比分析,为深入研究其内在品质的变化积累数据,探索评价航天诱变育种板蓝根质量的方法。结果表明太空组板蓝根中主要吸收峰的强度在波数1 047,1 630以及1 412 cm-1处吸收比地面组均有不同的增强,提示太空板蓝根中多糖类、甾体、三萜类及黄酮类化合物成分含量有不同程度的增加,尤其是具有抗病毒功效的多糖类含量明显增加。而在波数1 745 cm-1处太空组板蓝根吸收峰强度比地面组板蓝根减弱,表明苷类和有机酸有所减少。由此可得出结论：太空组板蓝根的多种活性成分含量均有提高,航天诱变育种可以选育出多种活性成分含量增加的板蓝根新品种。     

温室效应对温室气体浓度变化的敏感性分析

工业革命以来人类活动排放到大气中的主要温室气体有CO₂、CH₄、N₂O等,其在大气中的含量增加引起吸收地表辐射能量的增加,改变了地表-大气辐射平衡,造成了地表温度升高。本文研究了温室气体含量增加同其吸收地表辐射能量的关系;比较了不同温室气体含量引起的吸收地表辐射能量变化的差异,提出了温室效应对不同温室气体浓度变化的敏感性的概念。通过对敏感性的分析,得出了不同温室气体含量的变化对温室效应影响的强弱关系。     

南极DomeA冰盖的科研价值

 DomeA冰盖,是南极冰盖的最高处,海拔4100～4300m,是承载着地球历史的信息库,也是各国科学家南极考察的一个研究热点。为什么DomeA冰盖中能反映丰富的历史信息呢?它又是如何形成的呢?DomeA冰盖研究具有哪些科学价值呢?大气壳层结构是形成大气环流的物质基础我们知道地球大气层自下而上可以分为5个壳层,即对流层、平流层、中间层、热成层、与散逸层。其中对流层和平流层对DomeA冰盖中丰富信息形成起着决定性的作用。对流层在温带地区高度约10～12km;赤道处约16～18km;两极约8～9km。     

双台风条件下水汽的中尺度输送特征与收支诊断

应用WRF(v3.4)模式输出资料,揭示双台风条件下水汽的输送与收支特征及其对台风强度的影响.分析表明,"菲特"台风与副热带高压、中高纬地区槽脊、西面大陆高压及其东南面尾随台风"丹娜丝"存在周边系统相互作用,这种相互作用使得"菲特"台风背景风场改变,从而影响其水汽输送通道的调整.水汽输送特征分析表明,周边系统相互作用,特别是尾随"丹娜丝"台风作为水汽"收集-输送"站的作用,对"菲特"台风在近海强度的维持及后期偏北强降水有重要影响.水汽通量辐合带的分布和演变与台风强对流带的分布和演变具有一致性,即水汽的输送对台风内核区强对流带的强度和结构具有重要影响.水汽收支诊断分析表明,水汽输送对两类台风强度的变化具有重要影响,即总的水汽通量与台风强度随时间的变化均具有较好的一致性.东边界是台风的主要水汽输送来源,南、北边界次之,西边界为负贡献;各边界水汽输送主要分布在对流层底层,西边界的对流层中低层为负贡献.水汽的垂直输送对台风内部水汽的再分配起着重要作用,同时水汽垂直输送大值带的持续时间与台风研究区域内强对流大值带的持续时间一致,说明水汽的垂直输送对"U"型和"V"型台风区域的强对流也具有重要的影响.     

迭代最小二乘法气体光谱自动水汽差减算法

傅里叶红外光谱法具有测量速度快、信噪比高、检测范围广等优势,在针对污染源废气排放的快速检测及长时间在线监测中具有巨大的发展潜力。水汽是红外光谱污染气体检测中的主要干扰物,影响NO_X,SO₂等重要污染物的检测,差减水汽背景谱消除光谱中水汽干扰可提高这些污染物的检测精度,具有重要意义。气体光谱中水汽吸收峰由于受到水分子团簇、仪器线型函数等影响,通过数值方法对其计算的误差较大;为此,水汽背景谱一般需采用同一台光谱仪实测获得。主要有两种方法： 第一种是通过反复调节水汽/氮气混合气中的水汽浓度,使水汽背景谱中的水汽吸收峰与污染气体光谱中水汽吸收峰相同,此方法耗时较长,且受环境条件制约很难在现场检测中使用;第二种方法是预先测量不同浓度的水汽光谱,在检测污染气体时选取两幅与污染气体光谱中水汽吸收峰最为接近且将其夹在中间的水汽光谱作为参考谱,使用这两幅参考谱线性拟合与污染气体光谱中水汽吸收峰相同的水汽背景谱,此方法可获得高度近似的水汽背景谱,但当前缺乏相关自动算法妨碍了其在快速自动消除水汽干扰方面的应用。为此,提出一种选取水汽参考谱及拟合水汽背景谱的自动算法,用于自动差减消除水汽干扰。在参考谱选取中,使用污染气体光谱依次减去浓度由低至高的水汽光谱,依据差减后光谱中水汽吸收峰所在波数的吸光度正负性来选取参考谱。在水汽背景谱计算中,基于迭代最小二乘法逐步剔除光谱中受污染物吸收峰干扰的波数,采用剩余波数上的数据拟合水汽背景谱,使其与污染气体光谱中水汽吸收峰相一致。使用水汽背景谱对污染气体光谱进行差减即可消除污染气体光谱中的水汽干扰。对含有NO₂的污染气体光谱进行了差减消除水汽干扰实验,结果表明所提出的自动算法可快速准确消除水汽干扰;NO₂在消除水汽干扰后可由其位于1 629 cm-1的强吸收峰检测,相比消除水汽干扰前使用不受水汽干扰的位于2 917 cm-1的弱吸收峰检测,其检出限得到了大幅提高。     

温室效应和TEWI值

1前言当前一个重要的环境变化就是全球变暖，其直接原因是大气中CO_2和其它温室气体浓度的增加。毫无疑问，增加的CO_2来自大量燃烧化石燃料、砍伐森林和绿地的减少，其它温室气体大多亦是人造气体，。总之是人为破坏环境的结果。本文以当今人们最为关心的全球变暖问题为背景，对制冷工质和系统的温室效应问题进行深入的研究和分析。2地球CO_2浓度变化的历史随着年代的变迁，CO_2的浓度在地球历史上一直在变化。分析南极冰层中气泡成份可得到16万年以来CO_2浓度变化数据，在冰川期为180PPmv，在温暖期为280PPmv。CO_2的浓度变化直接…     

太空育种射干的FTIR分析

对我国首创的第4代太空育种射干与地面组射干的非晶成分从整体上进行了测定和对比分析,以期为更全面地了解太空射干品质的变化和深入研究积累资料,探索建立太空射干质量标准。结果表明两组样品的FTIR谱的主要吸收峰的峰位、峰形大致相同,但峰的强度却有明显差异。与地面组相比,太空射干在1 642 cm-1处酮类的CO伸缩振动峰增强,表明太空射干中的主要活性成分异黄酮类化合物含量明显增加,在1 318 cm-1处一水草酸钙吸收峰增加,在1 541,1 456 cm-1处分子中苯环的环伸缩振动峰、1 417 cm-1处亚甲基的C—H键弯曲振动峰以及1 051 cm-1处伯醇的C—O的伸缩振动峰都明显减弱。太空诱变育种有利于筛选出活性成分含量提高的射干新品种。预期太空射干的药效比地面组的有所增强,有待于深入研究来证实。     

激光雷达测量大气温度的傅里叶分析方法

 在对流层(小于12km），由于大气中气溶胶的存在，传统的利用大气中瑞利散射光谱测量大气温度的方法具有一定的局限性。借助傅里叶分析方法对不同高度的大气后向散射光谱通过碘吸收池所产生的不同透过率曲线进行处理，同时考虑了对流层中气溶胶的影响，可得到对流层中不同高度、不同大气后向散射比条件下的温度轮廓线。     

温室效应的物理基础

2009年12月18日在哥本哈根举行的全球气候会议中心议题是二氧化碳减排,提倡低碳经济,以缓解全球气候变暖.全球气候为什么会变暖呢?人所共知这是温室效应所闯的祸.下面从物理的角度对温室效应加以分析.     

可调谐半导体激光吸收光谱法监测二氧化碳的通量

含碳温室气体浓度增加所加剧的温室效应是气候变化的重要原因,大面积范围内二氧化碳气体通量的测量对于评价各类陆地生态系统对大气中主要温室气体浓度的贡献具有重要的意义。可调谐半导体激光吸收(TDLAS)光谱技术具有高分辨率、高灵敏度以及快速响应等特点,是痕量气体高灵敏快速监测的新方法。文章以可调谐分布反馈半导体激光器作为光源,通过波长调制方法对1.573μm附近二氧化碳气体某一吸收线的二次谐波信号测量,结合激光分束技术,实现对不同高度层面700多米光程范围内二氧化碳气体浓度的快速在线检测。结合大口径闪烁仪测量出来的莫宁-奥布霍夫长度和特征速度,通过公式计算得到一天内二氧化碳气体的通量在-1.5～2.5mg·(m2·s)-1范围内的波动,突破了目前对近地面痕量气体通量的监测只能提供局地结果的状况,使大面积范围内痕量气体通量的测量成为可能。     

2019年—2020年秋、冬季淮南市灰霾过程拉曼-米气溶胶雷达观测研究

拉曼-米气溶胶激光雷达因无需假设雷达比,而在准确测量气溶胶消光系数方面较传统米散射雷达更具优势。在合肥市的外场探空比对实验结果表明,2.5 km以下拉曼-米激光雷达反演的消光系数更为准确,相差可达0.04 km-1,且获取的水汽混合比廓线与探空数据一致性良好。利用该技术获得了2019年—2020年秋、冬季期间淮南市的气溶胶消光系数廓线和边界层高度等数据,进而对空气质量污染期间的污染类型（本地污染排放、传输型污染、传输型污染叠加本地污染累积）和颗粒物的时空演变特征进行了统计分析。结果显示该市在此期间受到20次细颗粒传输和8次沙尘传输影响。其中沙尘传输主要来自西北方向,由高空沉降至近地面（厚度达2 km以上）,平均大气边界层高度达1.23 km以上。在典型细颗粒传输过程中,边界层高度基本维持在1.1~1.2 km左右,近地面风向以西北风为主,少量东南风主导。在细颗粒传输叠加本地累积的复合污染过程中,边界层高度略低（平均高度在1.0 km左右）,近地面风向以偏北风为主,污染气团自低空出现后,其下沿高度持续降低并最终与近地面污染耦合。在细颗粒导致的重污染过程中,近地面水汽混合比及相对湿度数据与PM_2.5的浓度变化趋势一致性良好,说明颗粒物的吸湿性增长和气态污染物二次转化过程可能助推了PM_2.5的生成,加重污染形势。对边界层的统计结果表明,其高度变化对污染气团的沉降和近地面污染累积有十分明显的正相关性。秋冬季期间,该市的小时边界层高度大部分分布在1.6 km以下,平均为1.0 km左右,小时空气质量达重度污染期间,边界层高度普遍不足0.6 km。从气团后向轨迹模拟结果来看,该市空气质量为中度及以上污染期间的气流主要来自偏北方向,少量来自东南沿线,因而污染期间需要加强市区偏北方向污染源的管控,防止叠加影响。     

马尾松木材褐腐降解的红外光谱研究

用傅立叶变换红外光谱(FTIR)研究了马尾松木材被茯苓褐腐菌降解过程中化学成分的变化。测量了木质素和综纤维素的相关红外吸收峰的峰高比值,用湿化学方法测定了未褐腐和不同褐腐时间木材的Klason木质素含量和综纤维素含量,分析了红外吸收峰峰高比值与Klason木质素含量和综纤维素含量的相关性。褐腐15周内,1736和1372cm-1处归属于综纤维素的吸收峰强度逐渐减弱,1510和1225cm-1处归属于木质素的吸收峰强度逐渐增强;但褐腐15周后,1736和1372cm-1处的吸收强度却开始略微增强,1510和1225cm-1处吸收强度略微下降。I1510/I1736,I1510/I1372,I1225/I1736和I1225/I1372与Klason木质素和综纤维素含量之间均存在非常好的线性相关,R2为0.96～0.99。I1736/I1510和I1372/I1510与综纤维素含量之间存在高度线性相关,R2=0.96。结果说明用红外光谱技术可以对木材褐腐过程中的综纤维素含量和Klason木质素含量进行准确分析。