临近空间紫外辐射环境及影响因素研究

临近空间的紫外辐射对天体生物学、飞行器材料等产生重要影响,为加深对其的认知,基于OH与O₃的光化学关系改变紫外辐射强度的原理,利用戈达德地球观测系统—化学模型对中国区域临近空间OH与O₃浓度的时空变化特性进行分析。根据OH和O₃浓度的变化,利用对流层紫外和可见光辐射传输模型对紫外B波段辐射进行模拟计算,揭示了高度在22～42 km之间的辐照度在3.43～16.15 W·m^-2之间;华北区域、华中和华南区域以及南海区域等的辐照度呈现出双峰和振荡相结合的特征,辐照度极值出现的月份在各区域并不一致;受O₃吸收作用影响,辐照度的年较差最大值2.29 W·m^-2出现在华北区域的32 km高度处,最小值0.53 W·m^-2为南海区域的42 km高度处;辐照度变化最为剧烈的情况均出现在22 km高度处,可达2.42%～32.79%。结果表明在不同条件下紫外辐射对天体生物、飞行器材料等的影响与作用程度存在很大差异,在开展相关的研究时须具有针对性。     

叶绿素荧光对CO_2反演的影响及校正方法研究

针对植物叶绿素荧光(fluorescence)对CO_2反演精度影响重视不足的问题,调研了全球植被荧光分布,模拟分析了荧光对大气CO_2柱平均干空气体积混合比(XCO_2)的影响。模拟计算表明,当忽略荧光的影响时,在极端情况下XCO_2的反演误差可达15×10~(-6);但是在全物理反演方法中同步反演0.755μm处的荧光时,可把反演误差校正到0.5×10~(-6)以内。用TCCON (The Total Carbon Column Observing Network)站点Park Falls附近的GOSAT (Greenhouse Gases Observing Satellite)夏季的数据进行反演,发现同步反演荧光可以把误差从6×10~(-6)校正到2×10~(-6)以内。上述实验结果表明,在高精度需求情况下,植物叶绿素荧光是一个不可忽略的因素。     

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。     

温室气体监测仪星上光谱定标及不确定度分析

大气主要温室气体监测仪(greenhouse gases monitoring instrument, GMI)采用空间外差干涉技术,能有效探测759~2058 nm波段大气高分辨率吸收光谱信息。星上定标是GMI光谱图像数据定量化应用的基础,在阐述了GMI成像和光谱定标原理的基础上,探讨了星上光谱定标方法,确定了外部光源特征谱线法的星上光谱定标方案。通过对模拟数据的计算,进一步分析了定标不确定度,得出星上光谱定标不确定度为0.030 nm。定标结果显示定标不确定度主要受定标光源不确定度,以及回归不确定度影响,该方法满足仪器的定标要求,为大气主要温室气体的定量化反演提供了依据。     

超光谱空间外差干涉仪探测器响应误差校正

应用于大气CO2高精度探测的超光谱分辨率空间外差光谱仪,采用面阵探测器同时采集二维干涉数据。针对面阵探测器响应同时存在的非均匀性和非线性,分别分析了其对干涉数据及复原光谱的影响,指出在相同的探测器非均匀性噪声下,光谱分辨率越高复原光谱噪声越大;而非线性不但对有效光谱范围内光谱复原精度有影响,还会产生光谱截止频率外的非零值。阐述了一种多能量等级均匀辐射源的非线性及单一均匀辐射源非均匀性同时校正算法。开展了探测器响应校正实验。探测器数据校正后非均匀性从4.04%降至0.14%;干涉数据校正后复原的光谱平滑,大大降低了非均匀噪声,校正后光谱截止频率之外数据基本为零,去除了非线性影响。     

空间外差光谱仪实验室定标技术研究

针对空间外差光谱仪(SHS)超光谱分辨率、空间干涉形式及窄带光谱范围的特点,分析了定标原理及要求,确定了单色可调均匀面光源的光谱定标和积分球辐射定标系统的绝对辐射定标方法,搭建了定标系统,实现了对光谱仪的光谱定标和辐射定标,并对定标的不确定度进行了分析,得出空间外差光谱仪的光谱定标不确定度为0.015cm-1,辐射定标不确定度为4.02%,满足给定的技术指标要求。通过对大气中CO2吸收谱的实际测量对定标结果进行验证,结果表明实测谱与模拟谱吸收峰位置对应准确,辐射亮度吻合理想,为CO2的定量反演奠定了基础。