發(fā)布時間：2020-11-07 19:24

　　 二氧化碳和甲烷是大氣中重要的溫室氣體,也是氣候變化的主要驅(qū)動因素。人類活動和人為排放是大氣溫室氣體含量增加的主要原因,盡管溫室氣體的建模和觀測能力取得了很大的進展,但大氣、陸地和海洋之間碳循環(huán)過程尚未得到充分的了解,對全球氣候變化的預測還存在著相當大的不確定性。近年來,監(jiān)控大氣溫室氣體垂直廓線分布的儀器主要為高分辨率傅里葉變換光譜儀,但其存在系統(tǒng)復雜、體積龐大、價格昂貴、維護成本過高,難以普遍使用等缺點。因此選擇具有體積小、光譜分辨率高、易集成等優(yōu)點的地基激光外差光譜輻射計(LHR)。該系統(tǒng)已用于多種氣體的遙感探測,滿足了廣泛需求。論文圍繞大氣溫室氣體柱濃度和垂直廓線反演算法及波長調(diào)制激光外差光譜技術(shù)開展研究。論文的主要工作及成果為:(1)編寫了一套基于高分辨率激光外差光譜溫室氣體CO2和CH4柱濃度及廓線反演算法,并建立了系統(tǒng)測量誤差的近似評估方法。通過近9個月的實驗觀測,測得XCH4的標準偏差為3～17ppb,XCO2的標準偏差為0.7～2.2ppm,對應的相對測量精度范圍分別為XCH4 0.15%～0.7%和XCO2 0.17%～0.5%,測量結(jié)果與同期GOSAT數(shù)據(jù)進行了對比,兩者變化趨勢一致。(2)開展了波長調(diào)制激光外差光譜和頻分復用波長調(diào)制激光外差光譜技術(shù)研究。與傳統(tǒng)LHR相比,WM-LHR系統(tǒng)中CH4(1.653 μm)的系統(tǒng)信噪比提高了 1.31倍。為了滿足多組分同時探測,將頻分復用技術(shù)應用于WM-LHR,利用單個探測通道實現(xiàn)了大氣CH4和CO2的同時探測。此外,還研究了不同調(diào)制頻率對外差信號的影響。(3)搭建了一套全數(shù)字化、全光纖化的近紅外免標定波長調(diào)制激光外差輻射計(CF-WM-LHR),用于測量大氣CH4柱濃度。該系統(tǒng)采用了基于LabVIEW設計的軟件信號發(fā)生器和軟件數(shù)字鎖相放大器。通過對比軟件數(shù)字鎖相的解調(diào)結(jié)果與SR830數(shù)字鎖相放大器的解調(diào)結(jié)果,驗證了軟件數(shù)字鎖相放大器的性能,并且利用該軟件數(shù)字鎖相放大器同時解調(diào),得到了 WM-LHR信號的1f、2f、2f/1f信號,驗證了 CF-WM-LHR系統(tǒng)的可行性,并給出了波長調(diào)制激光外差光譜技術(shù)的迭代反演方案。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：X831;TN249
【部分圖文】：

第一章引言??效應卻要比Ｃ〇２強３４倍［１３］，因此對Ｃ〇２和ＣＨ４這兩種溫室氣體濃度變化的??研宄具有非常重要的意義。??圖１．２為國家海洋和大氣管理局（ＮＯＡＡ）以及地球系統(tǒng)研宄實驗室的全球??監(jiān)測部門給出的全球二氧化碳［１４］和甲烷［１５］的月平均變化數(shù)據(jù)。圖１．２（ａ）??顯示了自１９８０年以來的探測數(shù)據(jù)，縱坐標為千空氣二氧化碳的混合比，其定義??為除去水蒸氣后，二氧化碳分子的數(shù)量除以空氣中所有分子的數(shù)量，單位為ｐｐｍ。??圖中帶紅色菱形的虛線表示為月平均值，黑色方形符號代表經(jīng)過修正后的季平均??結(jié)果。而１．２（ｂ）圖顯示了從海洋表層站點測得的全球月平均大氣甲烷濃度，圖??中紅色圓圈代表月平均值。該黑正方形顯示長期趨勢（滑動平均結(jié)果），甲烷濃??度也是干空氣甲烷的混合比，定義為除去水蒸氣后甲烷的分子數(shù)除以分子總數(shù)，??單位ｐｐｂ。從圖ａ、ｂ可以看出，二氧化碳及甲烷總體上均呈上升趨勢，但是每個??月也有明顯的周期性變化。上述觀測均為地表觀測，溫室氣體的柱濃度，受地氣??交換影響較小，與區(qū)域排放通量具有更直接的相關(guān)性。大氣Ｃ０２在８０?ｋｍ以下??近似為均勻分布，大氣ＣＨ４在１５?ｋｍ以下近似為均勻分布，但１５?ｋｍ以上呈現(xiàn)??為近似線性下降。因此，為了更好的理解人為溫室氣體排放，需要測量溫室氣體??的柱濃度以及大氣垂直分布信息。??ＧＬＯＢＡＬ?ＭＯＮＴＨＬＹ?ＭＥＡＮ?Ｃ０２?ｇｌｏｂａｌ?ｍｏｎｔｈｌｙ?ｍｅａｎ?ｃｈ＾??；｜?＾?Ａ１］?３??３２〇??????．?ｌ？?????????．?．??１Ｗ？ｅ〇?１９ＢＳ?１９９０?１９９５?２０００?２００Ｓ?２０１０?２０１５

第一章引言??１．２溫室氣體地基探測儀研究進展??溫室氣體柱濃度及垂直分布按觀測方式，可以分為機載觀測、星載觀測和地??基觀測等。機載和星載可以進行大范圍觀測，然而其需要耗費大量的財力、人力??和物力，且觀測密度有限。地基觀測雖然難以獲得大范圍的濃度信息，但具有精??度高、準確度高及可開展長時間序列觀測等優(yōu)點，可以很好的滿足區(qū)域溫室氣體??的高精度觀測需求。??關(guān)于溫室氣體大氣垂直廓線方面的研究，仍然缺乏可用于廓線反演的高光譜??分辨率觀測數(shù)據(jù)。圖１．３顯示了不同光譜分辨率下的模擬吸收結(jié)果，光譜分辨率??越高，包含的信息量越多。比如，當光譜分辨率為ｌｃｍ－１時（如圖１．３中藍色透??過率譜），信息缺失嚴重，且易受到附近其它分子吸收的干擾；當光譜分辨率為??０．０１?ｃｍ－１時，特征峰明顯。因此，光譜分辨率越高，測量結(jié)果對大氣高層低壓下??的分子吸收越敏感。綜上，建立高分辨率光譜、體積孝成本低的地基觀測光譜??儀，以及建立密集的地基觀測網(wǎng)絡，為實現(xiàn)高時空分辨率的溫室氣體觀測意義重??大。??Ｉ?：：ｒ￥°ｖ＾??｜?〇?４?１｜?Ｈ２。Ｓｆ：??０２＿?ｙ?ｅＬＪ??ｏ．ｏＪ?３１４，?，＿＿＿，???６０４６．５?６０４７．０?６０４７．５?６０４８．０?６０４８．５??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?ｎｕｍｂｅｒ?（ｃｍ＊?＾）??圖１．３分辨率分別為１、０．５、０．１和０．０１的透過率譜??目前，可用于大氣溫室氣體觀測的地基被動測量系統(tǒng)主要有：太陽光度計??［２４－３０］、空間外差光譜儀［３１－４４］、傅里葉變換光譜儀［４５－４８］、激光外差光譜儀??［４９－６５］等。太陽輻射計主要借助太陽光，在可見光

??著２００６年７月和２００６年９月，第二代系統(tǒng)計劃分別承載衛(wèi)星ＳＴＰＳａｔｌ和衛(wèi)星??ＡＩＭ升空［３９］。２００６年４月，加拿大研制的空間外差系統(tǒng)被應用于大氣中水汽??的探測［４０］。??自２００５年以來，中國科學院安徽光學精密機械研宄所也開展了空間外差光??譜技術(shù)的相應研宄工作［４１－４３］。繼實驗室空間外差光譜樣機和機載實驗成功之??后，將其應用于我國首顆高光譜分辨率的觀測衛(wèi)星ＧＦ＿５號，并對全球溫室氣體??如Ｃ〇２和ＣＨ４等氣體進行了探測，其光譜分辨率為０．０３３ｃｍ－１，圖１．４為ＧＦ－５號??觀測衛(wèi)星的載荷配置［４４］�？臻g外差光譜儀的優(yōu)點為無掃描部件、多路信號同??步采集、高分辨率光譜、光譜測量范圍大等；其缺點為依賴精密光柵和ＣＣＤ，探??測波段為可見和近紅外波段。??；?；?Ｈ??爾??大氣氣溶膠多角度＿贏??管探職也錄圓??圖１．４?ＧＦ－Ｓ號觀測衛(wèi)星的載荷配置??１．２．２傅里葉變換光譜儀??高光譜分辨率傅立葉變換光譜儀是當前地球大氣探測的重要手段，其探測波??段主要受探測器的影響，可以覆蓋紫外到紅外甚至太赫茲波段，利用采集得到的??高光譜分辨率數(shù)據(jù)可以反演得到多組分溫室氣體的柱總量和垂直分布。傅立葉變??４??
【參考文獻】

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2 魏敏;劉建國;闞瑞峰;王薇;姚路;許振宇;袁松;戴云海;賈良權(quán);;基于量子級聯(lián)激光器的溫室氣體測量方法研究[J];光學學報;2014年12期

3 胡志遠;閉建榮;黃建平;史晉森;劉玉芝;;一種利用天空輻射計反演大氣總水汽量的算法研究[J];高原氣象;2014年01期

4 張華;黃建平;;對IPCC第五次評估報告關(guān)于人為和自然輻射強迫的解讀[J];氣候變化研究進展;2014年01期

5 程巳陽;高閩光;徐亮;金嶺;李勝;童晶晶;劉建國;劉文清;;基于直射太陽光紅外吸收光譜技術(shù)的大氣中CH_4柱濃度遙測研究[J];量子電子學報;2014年01期

6 侯姍姍;雷莉萍;關(guān)賢華;;溫室氣體觀測衛(wèi)星GOSAT及產(chǎn)品[J];遙感技術(shù)與應用;2013年02期

7 戴聰明;魏合理;;地基微波輻射計和太陽光度計反演大氣水汽總量的對比研究[J];大氣與環(huán)境光學學報;2013年02期

8 李建玉;徐青山;詹杰;魏合理;;中國部分典型地區(qū)大氣可降水量特性遙感研究[J];紅外與激光工程;2012年11期

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10 李建玉;徐文清;伽麗麗;詹杰;高亦橋;魏合理;;便攜式全自動太陽光度計的研制及其應用[J];光學技術(shù);2012年01期

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4 黃晟;可見到近紅外太陽光譜輻射計的研制與相關(guān)數(shù)據(jù)分析[D];中國科學技術(shù)大學;2018年

5 劉英烈;不同氮肥水平集約化栽培模式雙季稻生態(tài)系統(tǒng)溫室氣體收支的田間觀測[D];南京農(nóng)業(yè)大學;2016年

本文編號：2874375