用于星载太赫兹波被动遥感卷云参数的通道辐射特性及反演影响因素研究

太赫兹波是理论上遥感卷云微物理参数的最佳波段,但星载太赫兹波被动遥感的结果易受到非卷云因素(地表反射率、大气廓线、中低层水云等)的影响.利用辐射传输模式分别模拟计算了地表反射率、大气廓线、中低层水云对大气层顶太赫兹辐射光谱的影响,并基于多重查找表法定量分析了这些因素的变化所造成的反演误差.结果表明:地表反射率对太赫兹辐射光谱的影响主要集中在300 GHz以下,对反演所选取的波段没有影响;实际大气廓线中水汽廓线和温度廓线的改变对反演结果产生影响,当温度廓线的变化在±2 K范围以内,或水汽廓线变化±20%时,对于粒子尺度大于50μm、冰水路径大于10 g/m2的卷云,反演误差均保持在±20%以内;低云(云底高小于2 km)对所选通道的辐射没有影响,中云所产生的误差随着光学厚度和云底高度的增加而增大.     

差分吸收激光雷达探测大气CO_2精度分析

为减小距离差分吸收激光雷达探测大气CO2浓度的探测误差,理论分析了探测精度,对差分吸收探测系统误差进行了数值分析,对基于1.6 μm光纤激光器相干探测CO2系统进行了仿真计算.结果表明:差分吸收截面越大,空间分辨率越低,回波信噪比越高,气体浓度的探测误差越小.当大气CO2的差分吸收光学厚度т为0.55时,相干探测系统具有最小误差变化百分比,此时探测精度最高.随着探测高度增大, 1.6 μm光纤激光相干探测系统精度逐渐降低,在1 km高度以内可以探测到34 ppm的大气CO2变化.     

基于短波红外波段吸收的CO2垂直柱浓度地基遥测反演方法研究

温室气体引起的全球变暖、气候变化等问题已成为国际关注的热点,其中CO2是重要的温室气体之一,CO2的监测与控制已经成为各国关注的重点。结合CO2在1.6 μm处的光谱吸收结构,利用加权函数修正的差分吸收光谱技术（weighted function modified difference absorption spectroscopy, WFM-DOAS）研究大气中CO2垂直柱浓度的反演方法。利用大气辐射传输模型仿真研究了不同参数对加权函数（weighted function, WF）计算灵敏度的影响,分别对观测高度、太阳天顶角、太阳方位角、地表反照率、光谱分辨率等参数对CO2 WF系数的影响进行了详细的计算分析。并以一整天测量的太阳光为例,对仪器的性能、CO2的垂直柱浓度及干扰气体CH4及H2O的垂直柱浓度进行了分析,初步分析得到的反演误差优于1%。     

基于拉曼激光雷达的南京上空大气温度廓线观测

介绍了综合使用瑞利、拉曼、米散射三种技术的激光雷达的基本结构与拉曼散射温度反演原理。对其中的拉曼回波信号进行了背景噪声扣除、滑动平均和小波变换降噪,在此基础上分析了气溶胶对拉曼激光雷达温度廓线反演的影响。利用上述激光雷达信号处理方法对南京上空的温度廓线进行观测,反演了2010年11月19日18时53分至19时35分连续观测的数据。反演的温度廓线表明,观测开始至观测结束,5.5 km处的温度变化为2 K的波动变化;对2010年11月整月的观测数据进行分析处理,得到11月份上中下三旬的平均温度廓线。在10 km高度处,下旬温度比上旬温度低4 K,随着入冬的进程,低空段的大气温度递减率有明显增大的趋势;11月的月平均温度在5~10 km处低于模式值4 K左右,并且两者几乎平行,说明11月份5~10 km各高度温度比模式均低4 K左右。     

高分五号卫星GMI大气CO2反演方法

二氧化碳(CO2)是大气中重要的温室气体,准确掌握大气CO2的含量及变化可为气候变化预测及环境决策提供支持.为满足气候研究的需求,卫星观测大气CO2柱平均干空气混合比(XCO2)的反演精度需优于1％.搭载于高分五号卫星上的大气主要温室气体监测仪GMI(Greenhouse gases monitoring instru...     

基于FY-3C/MWHTS资料的海洋晴空大气温湿廓线反演方法研究

针对搭载于风云三号C星(FY-3C)上的微波湿温探测仪(Microwave Humidity and Temperature Sounder, MWHTS), 建立了海洋晴空大气条件下温湿廓线同时反演的一维变分反演系统.通过对影响反演精度的各个因素进行分析, 确立了该系统的输入参数.对于FY-3C/MWHTS观测亮温与快速辐射传输(Radiative Transfer Model for TOVS, RTTOV)模型的模拟亮温之间的偏差和角度依赖性, 采用逐像元统计回归校正方法进行校正.选择西北太平洋海域晴空条件下的校正亮温数据进行温湿廓线的反演, 并利用欧洲中期天气预报中心再分析数据集对反演结果进行验证, 结果表明:反演的温度廓线和相对湿度廓线的最大平均偏差分别为1.09 K和5.4%, 最大均方根误差分别为1.48 K和22.69%, 与未校正亮温的反演结果相比, 温度廓线的均方根误差最大可减小1.56 K, 湿度廓线的均方根误差最大可减小14.71%.反演温湿廓线与背景廓线的精度对比表明:反演的温度廓线在10~70 hPa、300~350 hPa和700~850 hPa内的精度高于背景廓线的精度, 而反演湿度廓线的精度除了825~875 hPa, 其他范围均高于背景廓线的精度, 因此FY-3C/MWHTS观测亮温的反演结果可进一步提高预报廓线精度.     

温度对CO光谱线吸收的影响分析

为了研究温度变化对CO吸收光谱线的影响,首先从吸收光谱原理出发,采用理论分析的方法,并利用高分辨率分子透射吸收数据库得出与温度有关的CO吸收光谱线谱线强度、综合加宽线型函数和吸收系数,然后通过MAT-LAB数值仿真出温度与CO吸收光谱线的谱线强度、综合加宽线型函数和吸收系数的变化关系曲线,并分析讨论温度与它们的关系。结果表明,温度对CO吸收光谱线的影响,特别是对综合加宽线型函数的影响是复杂的,并且不同激光频率还会影响线型函数和吸收系数随温度的变化关系,这对于实际应用中CO的吸收与测量具有重要的参考价值。     

机载激光雷达测量二氧化碳浓度误差分析

差分吸收激光雷达是高精度测量大范围二氧化碳浓度的有效手段。研究了机载路径积分差分吸收激光雷达测量二氧化碳柱线浓度的主要误差项,分析了这些误差项导致的二氧化碳柱线浓度反演误差。介绍了机载差分吸收激光雷达基本工作原理,并理论分析了大气温度、压强和水汽不确定性误差,激光频率稳定性和飞机姿态速度测量不确定性等系统误差,以及不同地表反射率产生的随机误差。分析结果表明:在二氧化碳浓度380 ppm(1 ppm=10-6)时,机载激光雷达二氧化碳柱线浓度综合测量误差约为0.71 ppm,满足1 ppm的二氧化碳柱线浓度高精度测量需求。     

CO2高温光谱参数测量系统设计与实验

CO_2和CO被称为燃烧效率指示性气体,燃烧流场中CO_2的精确测量对工业燃烧过程的节能减排和发动机燃烧状态诊断等都具有重要意义.研究CO_2气体的高温光谱参数,包括:线强、自加宽系数、温度系数,可提高燃烧过程中CO_2浓度的测量精度和可靠性.为了获得可用于燃烧诊断的CO_2吸收线的高温光谱参数,基于可调谐半导体激光吸收光谱技术设计了一套最高温度可达2 073 K的精确控温控压气体光谱参数测量系统.采用该系统开展了CO_2R(50e)吸收线(中心频率为5 007. 787 cm-1)的高温光谱测量实验,获得了温度范围1212～1873 K内多个压强下的纯CO_2气体的大量高温吸收光谱,经热辐射背景扣除、基线拟合、时频转换、多线组合非线性最小二乘法拟合等数据处理过程,得到温度范围1 212～1 873 K内CO_2R(50e)吸收线的线强、自加宽系数及温度系数,其中线强不确定度1. 5%,自加宽系数不确定度小于4. 5%.这些参数是对现有数据库的补充和完善,对燃烧诊断中的CO_2浓度检测有很大帮助,能够满足燃烧过程中CO_2浓度精确反演的需求.     

利用 IASI资料反演平流层大气温度

红外大气探测干涉分光仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, IASI)能够获取平流层的大气温度廓线,而且由其 提取的大气温度扰动信息可用于平流层的重力波特征分析。基于神经网络方法,利用典型 大气廓线库和大气辐射传输模式建立了由IASI反演25～60 km高度范围内的平流层大气温度廓 线的算式,并结合再分析资料对反演结果进行了检验。模拟试验结果表明,平流层大气 温度反演的偏差主要在0 K附近且不超过1 K,均方根误差处在2～6 K之间,且50～5 hPa之间的均方 根误差在3 K以内。对比验证结果表明,本文的平流层大气温度反演与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)的再分析资料在总体上具有可比性,而且反演速度更快,覆盖的区域更完整。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱技术对开放式长光程大气CO2的测量

CO2是地球大气中第三大含量的痕量气体,对温室效应影响最大,主要来源于人类的日常活动,测量大气CO2浓度对了解地区CO2的周期性变化与气候变化的内在规律有重要意义。基于可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS）技术,系统选择CO2在2004 nm附近的吸收线,采用直接吸收光谱处理方法,对开放式长光程大气下的CO2进行了连续测量。通过与手持CO2测量仪的对比测量,二者的相关系数达到0.8371,二者的标准偏差为7.204 ppm,测量结果的变化趋势符合较好,证明了实验系统的可行性,为国内激光遥测CO2提供了一种重要的思路与方法。     

拉曼激光雷达测量大气二氧化碳不确定性分析

中科院安徽光机所研制了一台ARL-1二氧化碳拉曼激光雷达,本文结合实际大气条件,利用拉曼激光雷达的观测例子和分析仪观测结果,分析拉曼激光雷达测量大气二氧化碳的不确定性。分析结果表明,拉曼激光雷达在对流层低层具有良好的稳定性和较高的测量精度,在较好的天气条件下,1km高度范围内,ARL-1拉曼激光雷达的测量不确定性可控制在1.2ppm内,在2km高度范围内可控制在2.5ppm内。     

使CO2浓度测量误差减小的星载激光雷达波长优化

研究了星载积分路径差分吸收（IPDA）激光雷达系统工作波长与大气CO2 分子柱线浓度测量误差之间的关系,并优化波长以降低测量误差。首先介绍CO2 分子柱线浓度测量原理,理论分析并模拟仿真了系统随机误差、温度不确定性误差、频率不稳定性误差和水蒸汽干扰误差随激光雷达工作波长变化关系,优化工作波长使浓度测量总误差达到最小值。最终选定激光雷达on-line波长为6361.2250cm-1,off-line 波长为6 360.99 cm-1,并仿真计算得到温度不确定性为1 K、频率不稳定度为0.6 MHz 时,共导致的CO2 柱线浓度测量误差为0.58710-6,达到CO2 浓度测量精度110-6 的要求,为星载IPDA 激光雷达系统实现高精度CO2 柱线浓度探测优化系统参数提供了参考。     

Placing atmospheric CO2 in perspective

Atmospheric carbon dioxide, which amounts to 320 parts per million (ppm) by volume, rather than being a pollutant, is essentially a thread of life woven through the globe on which we live. In the past century alone, the amount of CO2 in the atmosphere has increased by 40 ppm, with levels increasing at a current rate of about 0.75 × 1010 tonnes per year. Fortunately, man can tolerate CO2 levels many times present concentrations, and plant life actually grows better at increased CO2 levels. What does cause concern is the effect that atmospheric CO2 has on the earth's climate. It appears that the 40-ppm increase over the last century may have contributed to a global temperature increase of the order of 0.2 K. Since 1940, however, the global atmospheric temperature has been decreasing?an indication that other factors (such as atmospheric dust) are of much greater importance in determining the overall heat balance of the world.     

基于可调谐半导体激光吸收光谱对CO2浓度的测量

CO₂作为大气中主要的温室气体,其全球变暖影响比例因素为60%,对全球生态系统和社会发展带来严重影响,因此开展CO₂的监测非常必要。基于可调谐半导体激光吸收光谱原理,在室温下通过扫描DFB激光器波长,得到CO₂位于2004 nm的直接吸收光谱,根据Beer-Lambert定律,反演出CO₂浓度。为了验证实验的精度,同时与基于非分散红外原理的生态通量的标准仪器作对比,结果显示两者的测量精确度相当,可以达到0.2 ppm。这些研究为今后的仪器小型化和外场CO₂长时间监测提供了基础。     

小型化大气二氧化碳垂直廓线测量系统标定

通过Li-7500分析仪对小型化大气CO2探测系统进行标定和误差分析。首先,依据4天的测量数据标定CO2体积比浓度,系统采集的吸收度与Li-7500 CO2分析仪测量的CO2体积比浓度满足线性关系,得到的CO2体积比浓度标定系数一致性较好;其次,利用平均后的数据对系统标定,反演得到的CO2体积比浓度相对误差绝对值小于2.0%,与Li-7500 CO2分析仪数据相关性系数大于0.9,充分表明了系统的稳定性和可靠性;最后,根据温度变化对大气传输效应的影响,分析了合肥市科学岛近地面CO2的昼夜变化特征,结果表明近地面CO2体积比浓度变化与温度变化有较强的负相关性。综上证明了标定结果的准确性,为后续测量CO2垂直分布廓线提供了数据支持。     

基于分布反馈激光器在2.0 μm波段对CO2气体温度的测量

利用输出波长在2.0 μm处的分布反馈激光器对CO2气体的两条特征谱线进行扫描以实现气体温度的测量。介绍了利用可调谐激光吸收光谱方法进行温度测量的基本原理,提出了用多线组合非线性最小二乘法拟合高温吸收光谱的吸光度方法。常压下在静态高温炉中进行了实验,设定温度为900 K～1200 K时,经实验得到的温度值与热电偶测量值的温差在8%以内,计算得到CO2的5007.7874 cm-1吸收线强与理论计算值相对误差小于14%。为今后的气体温度测量及多参数同时测量提供了借鉴。     

Bestimmung von parts per billion sauerstoff in silizium durch eichung der IR-absorption bei 77°K

For the i.r.-absorption of oxygen in silicon new calibration curves at room temperature and 77°K are determined by means of the vacuum fusion method. The experimental techniques are reported and their sources of error are discussed. The new values for the calculation of the oxygen concentration from the absorption coefficient measured are: 4·9 ± 0·2 ppm A/cm^?1 and 1·9 ± 0·1 ppm A/cm^?1 at room temperature and 77°K, respectively. These values are lower by a maximum factor of 2·5 than those published in the literature. Thus the minimum detection level for the IR-absorption method at 77°K is lowered to 20 ppb A, so most of the oxygen concentration observed in silicon crystals can be determined.