利用恒星测量整层大气透过率

 介绍了利用恒星测量整层大气透过率的原理和Langley-plot定标方法。研制了整层大气透过率测量系统，系统由望远镜、增强CCD、图像采集卡等组成。利用透过率测量系统测量任意天区1~6等恒星在350~750 nm内分波段弱辐射，对仪器进行定标后计算出夜间整层大气光谱透过率。测量结果与MODTRAN模拟计算结果了比较，证明该大气透过率仪设计是合理的。     

大气下行长波辐射快速实验测量方法研究

采用辐射传输模式模拟了特殊角度随气溶胶光学厚度及大气温湿度的变化情况,结果显示晴空下该角度不受气溶胶影响,受大气温度影响小,但受大气水汽含量影响显著,因此晴空下热红外光谱仪测量下行辐射时特殊天顶角可只根据大气水汽含量确定。西部荒漠地区下行辐射测量实验结果表明,据大气水汽含量确定的特殊角度值与实验结果一致,且该角度处辐射作为积分辐射符合精度要求。特殊角度值可用研究区大气水汽含量确定,该快速测量法可广泛用于野外实验,方便快捷测量准确瞬时下行辐射。     

日盲紫外域拉曼激光雷达探测大气水汽技术研究

拉曼激光雷达通过探测与水汽浓度相关的大气水汽振动拉曼散射回波信号,可实现大气水汽混合比廓线的探测。然而由于振动拉曼信号非常微弱,在白天测量时振动拉曼散射光谱会淹没在太阳背景光中,多在夜间测量。为实现大气水汽的全天时测量,设计开发一套日盲紫外波段拉曼激光雷达系统。该系统选择Nd∶YAG脉冲激光器的四倍频输出-266.0 nm日盲紫外波段作为拉曼激光雷达系统的激励波长,采用镀高增益介质膜的牛顿式望远镜作为接收器,同时利用二向色镜和超窄带干涉滤光片设计高效率的高光谱分光系统,实现了大气氧气、氮气和水汽振动拉曼散射回波信号277.5,283.6和294.6 nm的精细提取。计算仿真结果表明,臭氧吸收对日盲紫外域拉曼激光雷达探测存在一定的影响,主要是探测距离的影响;氮气通道不受白天太阳背景光噪声的影响;水汽通道存在少量太阳背景光噪声,对系统探测距离略有影响。而系统信噪比计算结果表明,设计的日盲紫外域拉曼激光雷达系统可实现白天3.5 km大气水汽的探测。实际进行水汽探测时,可利用氮气和氧气通道反演出臭氧浓度廓线,修正臭氧对发射波长、各通道拉曼散射波长的吸收,进一步提升系统的探测能力和探测精度。     

一款新型高精度全自动多波段太阳光度计

研制一种高精度全自动可实时测量、远程控制覆盖可见-近红外多波长太阳光度计PSR-2, 可实现太阳直射辐照度、天空辐亮度(主平面、等天顶角)、气溶胶光学厚度、大气柱水汽含量和臭氧含量的实时测量和显示，具有各通道独立同时测量、精确的温度控制、精确的太阳跟踪等检测功能。PSR-2在本单位自研PSR-1的基础上进行改进，经受住长时间沙漠风沙和雨水侵蚀的测试，具有能够长时间有效稳定观测、更加小型化、数据处理更便捷和更高的性价比等特点。在敦煌给仪器进行了Langley法标定和仪器温控性能测试，结果显示PSR-2 Langley定标拟合直线相关性高于99%，恒温仓温度稳定在在(25±0.3)℃，与国外行业标准CE318的合肥、敦煌两地实际测量结果对比，PSR-2气溶胶光学厚度和大气柱水汽含量偏差分别在0.02和0.1以内，并进行了误差分析。     

大气中水汽柱浓度的直射太阳光红外吸收光谱遥测研究EI北大核心CSCD

研制了一种地基傅里叶变换红外光谱遥测系统,自动记录了晴天的太阳近红外吸收光谱,从该光谱中实时获得了整层大气透射率,进而采用最优化方法从该透射率中反演出了测量站点地区大气中2011年10月17日到2013年3月6日期间的整层水汽柱浓度含量。由该地基遥感技术获得的高时间分辨率整层水汽柱浓度与太阳辐射计的测量结果相比较,两者具有较好的一致性,相关系数达92%。测量站点地区的水汽柱浓度日变化很大并且没有明显周期性,日变化的复杂特征与多种因素有关。由于大气环流、季节温度变化等因素影响,测量站点地区水汽柱浓度呈现出明显季节周期特征,夏季明显高于冬季。这些结果对于水汽探测和分析方法的研究应用具有重要意义。     

基于太阳宽谱直接辐射测量获取激光大气透过率

随着激光技术在众多科学领域的应用,激光波段大气透过率的实时获取尤为重要。基于测量和模拟结果研究,提出基于太阳辐射计的宽谱直接辐射测量提取红外波段激光大气透过率的方法,该方法低成本、高时效、可同时获得多波段的激光大气透过率。对比研制的ISP型近红外太阳辐射计与POM02的实测结果可知:对应波段透过率和水汽总量误差都小于7%;由1.31μm与1.32μm分别提取到1.315μm波段的透过率,两者误差小于4%,提取的误差与水汽含量成正比,并由1.32μm反演得到水汽总量,与0.94μm反演得到的水汽总量结果对比,误差小于10%。因此,在无0.94μm波段测量时,可以考虑用1.32μm波段反演水汽总量。将该方法与激光传输评估软件根据实时测量的大气参数模拟计算得到的1.315μm激光大气透过率进行对比,误差小于6%。该方法对激光工程在实际大气中的应用具有参考价值。     

米散射激光雷达测量大气水平能见度

激光雷达作为一种新型的大气观测工具，可以通过直接探测激光与大气相互作用的光辐射信号来定量地反演大气水平能见度，从而成为测量大气水平能见度的主要手段．正在研制的一台基于532nm波长的车载式米散射激光雷达，用于大气能见度的测量；简单介绍了正在研制的激光雷达的技术参数，给出了测量数据的处理方法；利用雷达的技术参数进行了模拟计算，显示了该激光雷达探测大气水平能见度的可靠性，计算误差显示在大气能见度为10km时该激光雷达的测量误差小于16％．     

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。     

光腔衰荡光谱技术测定大气水汽稳定同位素校正方法研究

几乎所有小的气相分子（如H₂O,CO₂等）均具有独特的近红外吸收光谱,在负压条件下,每种微小的气相分子都拥有一对一的特征光谱线,基于这一原理人们开始使用激光光谱（IRIS）技术来准确分析气体样品中的同位素组成。该方法克服了传统同位素比质谱（isotope ratio mass spectrometry, IRMS）方法的局限性,已经成为公认的高精度、高灵敏度和高准确度的痕量气体检测方法。以大气水汽稳定同位素研究为例,大气水汽稳定同位素组成对水汽源区及其通道上的输送过程等水循环研究有着重要的指示意义。激光光谱技术使得大气水汽氢氧稳定同位素（δ18O和δD）野外原位连续高分辨率观测成为可能。但是,其观测精度和准确度受仪器运作特点、不同浓度大气水汽对特定光谱吸收性的敏感性差异等因素的影响,通常观测结果具有明显的非线性响应问题。因此,有必要对仪器观测过程中出现的各种偏差进行校正,但现阶段许多用户对新观测技术的国际校正方法尚不清楚。因此,基于波长扫描-光腔衰荡光谱（WS-CRDS）技术的大气水汽同位素观测系统（Picarro L2120-i）,通过可调谐二极管激光器（Tunable Diode Laser, TDL）发射可被待测气体分子所吸收的不同波长的激光,测量不同波长下的衰荡时间（即有样品吸收的衰荡时间）;TDL发射不能被待测气体吸收的不同波长的激光,测量每个波长下的衰荡时间（相当于无样品吸收的衰荡时间）。通过分析有无样品吸收的衰荡时间差,高精度计算待测气体的分子浓度,进而计算水汽稳定同位素组成。从记忆效应、漂移效应、浓度效应等方面,系统建立了一套准确可靠的大气水汽稳定同位素观测流程与校正方法,为正在使用或将要使用此类设备的研究人员提供参考,以获得高精度和高可靠性的大气水汽稳定同位素观测数据。     

提高大气吸收光谱测量分辩率的新方法

在仪器函数和吸收线型已知的情况下，提出了一种非线性拟合退卷积法，用于提高气体吸收测量的光谱分辨率。数值模拟和实际应用都表明：该方法用于室内气体吸收光谱的测量，在保持吸收线型不变的情况下，可以显著地提高测量的光谱分辩率，降低测量噪声。将该方法用于怀特池中模拟大气吸收光谱测量，减小了激光线宽对测量结果的影响，获得了比较理相的结果。     

The seasonal variation of column abundance of atmospheric CH4 and precipitable water derived from ground-based IR solar spectra

Infrared (IR) solar spectra on clear days were measured automatically by an IR solar spectrometer (ISS), capable of 0.4 cm⁻¹ resolution, developed by us. A line-by-line computation method was used to calculate theoretical atmospheric absorption. In the wavelength range of 3.410–3.438 μm, the absorption is mainly due to atmospheric methane and water vapor. Column atmospheric methane was retrieved from the recorded IR solar spectra. The seasonal variation of column atmospheric methane in Hefei was obtained from the measuremental data of nearly 18 months since April 1997, and the seasonal variation was found to be similar to that of background data. The cycles of precipitable water were also obtained simultaneously, and the observed precipitable water coincided with that of a radiosonde. The instruments, principles of measurement and some of the results are introduced, and the results are also discussed briefly in this paper.     

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。     

Measurements of Atmospheric Water Vapor Above Mauna Kea Using an Infrared Radiometer

This paper presents the first results from a prototype infrared radiometer which has been developed to measure variations in atmospheric water vapor column abundance from high altitude sites. The performance of the infrared radiometer is compared and contrasted with that of a water vapor monitor operating at radio frequencies. Analysis shows that the infrared radiometer can measure variations at the level of 1 m precipitable water vapor (pwv) in an integration time of 1 s when the total column abundance is 0.5 mm pwv. Since variations in atmospheric water vapor are the dominant source of phase noise in (sub)millimeter astronomical interferometry, an instrument capable of rapid and high sensitivity water vapor measurements has the potential to provide the necessary phase correction information for interferometric arrays.     

激光外差光谱仪的水汽柱浓度反演研究

水汽是地球大气的重要组成部分,也是平衡地气系统辐射收支的一个重要因素,对天气和气候变化有着重要的影响。常用的水汽柱浓度测量设备,如无线电探空仪、激光雷达、微波辐射计、太阳光度计、DOAS仪器以及傅里叶变换红外光谱仪等,难以兼顾高分辨率以及便携机动等应用需求。为此,基于一种高灵敏度、高分辨率光谱探测技术,围绕水汽柱浓度的探测开展了相关研究,取得的主要成果有：(1) 基于激光外差光谱技术,利用窄线宽带间级联激光器作为本振光源,与太阳跟踪仪结合,建立了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,光谱分辨率达到了0.002 cm-1。(2) 采用Langley-plot方法对高分辨率激光外差太阳光谱测量装置进行了现场定标,并于云南紫金山天文台观测站开展了外场测量,获得了2 831~2 833 cm-1波段太阳光谱的直接测量数据。对实测的太阳光谱进行归一化处理后,获得了高分辨率的整层大气透过率谱。(3) 利用逐线积分辐射传输模式（line by line radiative transfer model,LBLRTM）计算了整层大气透过率谱,并与实测的透过率谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了水汽柱浓度的反演。同时利用微波辐射计进行了水汽柱浓度的观测,将反演结果与实测结果进行了对比分析,两者的一致性相对较好,最小相对偏差为16.59%,最大相对偏差为21.69%。(4) 反演结果与实测结果的偏差主要由反演算法误差和装置测量误差所导致。反演算法误差包括辐射传输模式的计算误差、实际大气温度的测量误差、甲烷浓度不确定性引入的误差、HDO丰度与自然丰度的偏差,装置测量误差包括装置定标误差、波长标定误差、系统噪声影响、背景信号以及直流信号的微弱起伏引起的误差。(5) 文中选取的2 831~2 833 cm-1波段同时包含了水汽和甲烷的吸收,在反演水汽柱浓度的同时,同步进行了甲烷柱浓度的反演。以甲烷初始柱浓度作为参考值,发现反演后的甲烷柱浓度相对初始柱浓度的数值平均增加了14.41%。高分辨率激光外差太阳光谱测量装置结合反演算法是一种有效的整层大气透过率以及水汽、甲烷柱浓度探测的综合设备,在多组分气体浓度探测方面具有广泛的应用前景。     

Development of a compact CO2 sensor open to the atmosphere and based on near-infrared laser technology at 2.68 μm

We report the development of a field-deployable infrared laser spectrometer using new commercial diode laser technology at 2.68 μm. The instrument is designed to measure in situ CO₂ concentrations open to the atmosphere at ground level. Absorption lines were carefully selected around 2.68 μm to minimize interferences from neighboring water vapor transitions. We provide details of the instrument design and data processing. The long term stability of the instrument was evaluated using the Allan variance technique. A preliminary evaluation of the instrument performance was realized by in situ measurements of CO₂ concentration on the rooftop of our laboratory. PACS 07.57.Ty; 92.70.Cp     

基于同步光解的OH自由基标定方法

OH自由基是大气中最重要的氧化剂,准确测量对流层OH自由基的浓度是厘清我国二次污染形成机理的关键.本文介绍了一种基于同步光解的OH自由基便携式标定方法,使用汞灯的185 nm线辐射处于层流状态下的具有一定水汽浓度的合成空气,光解HO2和O2定量产生确定浓度的OH, HO2自由基和O3.开展了臭氧浓度及廓线分布因子P和氧气吸收截面等影响因素的准确测量,降低该标定方法的不确定度.进一步构建便携式标定装置,建立应用于实际外场标定的OH自由基浓度快速获取方法.开展基于激光诱导荧光技术OH自由基(LIF-OH)探测系统的准确标定测试,准确产生3×10^8-2.8×10^9 cm^-3浓度的OH自由基, LIF-OH探测系统的荧光信号与自由基浓度具有非常好的相关性.在综合外场观测(STORM)的应用中该标定装置的不确定度为13.0%,具有良好的稳定性和准确性,可以用于复杂外场环境下LIF-OH系统的快速标定.     

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明： 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。4 m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4 K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明： 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。     

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。     

宽带腔增强吸收光谱技术应用于大气NO3自由基的测量

NO3自由基是夜间大气化学中最重要的氧化剂,控制着多种痕量气体成分的氧化及去除,了解NO3自由基的化学过程对研究灰霾等大气污染过程意义重大.NO3自由基浓度低、活性强,实现大气NO3自由基的高灵敏度准确测量相对困难.本文介绍了大气NO3自由基的宽带腔增强吸收光谱定量方法,采用红光LED作为宽带腔增强吸收光谱系统光源,设计低损耗且适合国内高颗粒物环境的采样气路,并通过LED光源测试确定最佳工作电流和温度;通过采用白天的大气谱作为背景光谱参与NO3自由基的光谱拟合过程,减少水汽对NO3自由基光谱反演的干扰;通过对镜片反射率和有效腔长进行标定,对系统性能进行Allan方差分析,该宽带腔增强吸收光谱系统在光谱采集时间为10 s的情况下,NO3自由基极限探测灵敏度为0.75 pptv,总测量误差约为16%.在合肥开展了实际大气NO3自由基观测,观测期间NO3自由基的浓度范围从低于探测限到23.4 pptv,NO3自由基浓度呈现夜间高、白天低的特征,符合NO3变化规律,表明该宽带腔增强吸收光谱系统能够用于实际大气NO3自由基的高灵敏度测量.