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地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH4浓度变化

田园 孙友文 谢品华 刘诚 刘文清 刘建国 李昂 胡仁志 王薇 曾议

地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH4浓度变化

田园, 孙友文, 谢品华, 刘诚, 刘文清, 刘建国, 李昂, 胡仁志, 王薇, 曾议
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  • CH4在大气中的浓度较低(~1.8 ppmv)且混合较为均匀, 不同区域浓度差较小, 其在大气中微量变化的精确观测对反演技术提出了很高要求. 基于高分辨率(0.02 cm-1)傅里叶变换直射太阳光谱, 研究一种高精度、大尺度的CH4浓度反演方法, 高灵敏地观测CH4在大气强背景下的浓度变化. 先利用先验参数实现测量光谱的准确建模, 再采用非线性最小二乘光谱拟合和非线性逐次迭代相结合的方法反演CH4的垂直柱浓度(vertical column density, VCD), 并以7885 cm-1 O2 吸收窗口为参考, 反演CH4的柱平均干空气混合比浓度(column-averaged dry air mixing ratios) XCH4. CH4 VCD和XCH4拟合误差均小于1%, 且绝大多数XCH4反演值均位于Total Carbon Column Observing Network (TCCON)规定的4浓度的日变化规律, CH4 VCD随时间变化而减少, XCH4的日变化量小于0.02 ppmv.
    • 基金项目: 国家高新技术863机载专项(批准号: 2014AA06A508, 2014AA06A511)、安徽省科技攻关项目(批准号: 1301022083)和安徽省自然科学基金(批准号: 1308085QF124)资助的课题.
    [1]

    Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) 2007 Climate Change 2007: the Physical Science Basis (Geneva: IPCC Secretariat) p2

    [2]

    Wunch D, Toon G C, Blavier J F L, Washenfelder R A, Notholt J, Connor B J, Griffith D W T, Sherlock V, Wennberg P O 2011 Physical and Engineering Sciences 369 1943

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    Macatangay R, Warneke T, Gerbig C, Körner S, Ahmadov R, Heimann M, Notholt J 2008 Atmos. Chem. Phys. 8 2555

    [4]

    Hartmann J M, Tran H, Toon G C 2009 Atmos. Chem. Phys. 9 7303

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    [6]

    Houweling S, Aben I, Breon F M, Chevallier F, Deutscher N M, Engelen R, Gerbig C, Griffith D W T, Hungershoefer K, Macatangay R, Marshall J, Notholt J, Peters W, Serrar S 2010 Atmos. Chem. Phys. 10 9981

    [7]

    Geibel M C, Gerbig C, Feist D G 2010 Atmos. Chem. Phys. 3 1363

    [8]

    Deutscher N M, Griffith D W T, Bryant G W, Wennberg P O, Toon G C, Washenfelder R A, Keppel-Aleks G, Wunch D, Yavin Y G, Allen N T, Blavier J F L, Jiménez R, Daube B C, Bright A V, Matross D M, Wofsy S C, Park S 2010 Atmos. Chem. Phys. 3 947

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    Krijger J M, Van W M, Aben I, Frey R 2007 Atmos. Chem. Phys. 7 2881

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    Denning A S, Randall D A, Collatz G J, Sellers P J 1996 Tellus B 48 543

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    Wunch D, Toon G C, Wennberg P O, Wofsy S C, Stephens B, Fisher M L, Uchino O, Abshire J B, Bernath P F, Biraud S C, Blavier J F L, Boone C D, Bowman K P, Browell E V, Campos T, Connor B J, Daube B C, Deutscher N M, Diao M, Elkins J W, Gerbig C, Gottlieb E, Griffith D W T, Hurst D F, Jiménez R, Keppel-Aleks G, Kort E A, Macatangay R, Machida T, Matsueda H, Moore F L, Morino I, Park S, Robinson J, Roehl C M, Sawa Y, Sherlock V, Sweeney C, Tanaka T, Zondlo M A 2010 Atmos. Meas. Tech. 3 1351

    [12]

    Keppel-Aleks G, Toon G C, Wennberg P O, Deutscher N M 2007 Appl. Opt. 46 4774

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    Messerschmidt J, Macatangay R, Notholt J, Warneke T, Weinzierl C 2010 Tellus B 62 749

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    [15]

    Saitoh N, Touno M, Hayashida S, Imasu R, Shiomi K, Yokota T, Yoshida Y, Machida T, Matsueda H, Sawa Y 2012 SOLA 8 145

    [16]

    Hamazaki T, Kaneko Y, Kuze A, Kondo K 2005 SPIE 5659 73

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    Sun Y W, Liu W Q, Xie P H, Chan K L, Zeng Y, Xu J, Li A, Si F Q, Li X X 2012 Acta Phys. Sin. 61 140705 (in Chinese) [孙友文, 刘文清, 谢品华, 陈嘉乐, 曾议, 徐晋, 李昂, 司福祺, 李先欣 2012 物理学报 61 140705]

    [21]

    Sun Y W, Liu W Q, Wang S M, Huang S H, Zeng Y, Xie P H, Chen J, Wang Y P, Si F Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 140704 (in Chinese) [孙友文, 刘文清, 汪世美, 黄书华, 曾议, 谢品华, 陈军, 王亚萍, 司福祺 2012 物理学报 61 140704]

  • [1]

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    [2]

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    [21]

    Sun Y W, Liu W Q, Wang S M, Huang S H, Zeng Y, Xie P H, Chen J, Wang Y P, Si F Q 2012 Acta Phys. Sin. 61 140704 (in Chinese) [孙友文, 刘文清, 汪世美, 黄书华, 曾议, 谢品华, 陈军, 王亚萍, 司福祺 2012 物理学报 61 140704]

  • [1] 孙友文, 谢品华, 徐晋, 周海金, 刘诚, 王杨, 刘文清, 司福祺, 曾议. 采用加权函数修正的差分光学吸收光谱反演环境大气中的CO2垂直柱浓度. 物理学报, 2013, 62(13): 130703. doi: 10.7498/aps.62.130703
    [2] 张伟鹏, 杨宏雷, 陈馨怡, 尉昊赟, 李岩. 光频链接的双光梳气体吸收光谱测量. 物理学报, 2018, 67(9): 090701. doi: 10.7498/aps.67.20180150
    [3] 李相贤, 徐亮, 高闽光, 童晶晶, 冯明春, 刘建国, 刘文清. 温室气体及碳同位素比值红外光谱反演精度的影响因素研究. 物理学报, 2015, 64(2): 024217. doi: 10.7498/aps.64.024217
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    [5] 才啟胜, 黄旻, 韩炜, 刘怡轩, 路向宁. 大孔径空间外差干涉光谱成像技术多谱段成像仿真. 物理学报, 2018, 67(23): 234205. doi: 10.7498/aps.67.20180943
    [6] 孙友文, 刘文清, 谢品华, 方武, 曾议, 司福祺, 李先欣, 詹锴. 差分吸收光谱技术在工业污染源烟气排放监测中的应用. 物理学报, 2013, 62(1): 010701. doi: 10.7498/aps.62.010701
    [7] 刘丹丹, 黄印博, 孙宇松, 卢兴吉, 曹振松. 对流层顶高对拉萨地区温室气体柱浓度反演的影响. 物理学报, 2020, 69(13): 130201. doi: 10.7498/aps.69.20191431
    [8] 孙友文, 刘文清, 汪世美, 黄书华, 曾议, 谢品华, 陈军, 王亚萍, 司福祺. 单组分双分析通道红外气体检测方法研究. 物理学报, 2012, 61(14): 140704. doi: 10.7498/aps.61.140704
    [9] 韩勇, 龙新平, 郭向利. 一种简化维里型状态方程预测高温甲烷PVT关系. 物理学报, 2014, 63(15): 150505. doi: 10.7498/aps.63.150505
    [10] 施春华, 郑 彬. 平流层中部垂直运动年循环异常的模拟研究. 物理学报, 2007, 56(7): 4277-4280. doi: 10.7498/aps.56.4277
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    [13] 于慧, 张瑞, 李克武, 薛锐, 王志斌. 双强度调制静态傅里叶变换偏振成像光谱系统测量原理及仿真. 物理学报, 2017, 66(5): 054201. doi: 10.7498/aps.66.054201
    [14] 李相贤, 高闽光, 徐亮, 童晶晶, 魏秀丽, 冯明春, 金岭, 王亚萍, 石建国. 基于傅里叶变换红外光谱法CO2气体碳同位素比检测研究. 物理学报, 2013, 62(3): 030202. doi: 10.7498/aps.62.030202
    [15] 陈成, 梁静秋, 梁中翥, 吕金光, 秦余欣, 田超, 王维彪. 准直系统热光学效应对静态傅里叶变换红外光谱仪光谱复原的影响研究. 物理学报, 2015, 64(13): 130703. doi: 10.7498/aps.64.130703
    [16] 阚瑞峰, 刘文清, 张玉钧, 刘建国, 董凤忠, 高山虎, 王 敏, 陈 军. 可调谐二极管激光吸收光谱法测量环境空气中的甲烷含量. 物理学报, 2005, 54(4): 1927-1930. doi: 10.7498/aps.54.1927
    [17] 冯明春, 徐亮, 刘文清, 刘建国, 高闽光, 魏秀丽. 基于MODTRAN模型使用被动傅里叶变换红外光谱技术对生物气溶胶的探测研究. 物理学报, 2016, 65(1): 014210. doi: 10.7498/aps.65.014210
    [18] 赵道木, 王绍民. 失调分数傅里叶变换及其光学作用. 物理学报, 2001, 50(10): 1935-1938. doi: 10.7498/aps.50.1935
    [19] 丁武文, 孙利群, 衣路英. 基于可调谐半导体激光器吸收光谱的高灵敏度甲烷浓度遥测技术. 物理学报, 2017, 66(10): 100702. doi: 10.7498/aps.66.100702
    [20] 徐建亮, 汪敏, 潘慧, 刘晓辉, 戚晓利, 许四祥. 倾斜式测量系统的傅里叶变换轮廓术研究. 物理学报, 2011, 60(7): 074210. doi: 10.7498/aps.60.074210
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出版历程
  • 收稿日期:  2014-12-09
  • 修回日期:  2015-01-13
  • 刊出日期:  2015-04-05

地基高分辨率傅里叶变换红外光谱反演环境大气中的CH4浓度变化

  • 1. 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点实验室, 合肥 230031;
  • 2. 中国科学技术大学环境光学学院, 合肥 230031
    基金项目: 

    国家高新技术863机载专项(批准号: 2014AA06A508, 2014AA06A511)、安徽省科技攻关项目(批准号: 1301022083)和安徽省自然科学基金(批准号: 1308085QF124)资助的课题.

摘要: CH4在大气中的浓度较低(~1.8 ppmv)且混合较为均匀, 不同区域浓度差较小, 其在大气中微量变化的精确观测对反演技术提出了很高要求. 基于高分辨率(0.02 cm-1)傅里叶变换直射太阳光谱, 研究一种高精度、大尺度的CH4浓度反演方法, 高灵敏地观测CH4在大气强背景下的浓度变化. 先利用先验参数实现测量光谱的准确建模, 再采用非线性最小二乘光谱拟合和非线性逐次迭代相结合的方法反演CH4的垂直柱浓度(vertical column density, VCD), 并以7885 cm-1 O2 吸收窗口为参考, 反演CH4的柱平均干空气混合比浓度(column-averaged dry air mixing ratios) XCH4. CH4 VCD和XCH4拟合误差均小于1%, 且绝大多数XCH4反演值均位于Total Carbon Column Observing Network (TCCON)规定的4浓度的日变化规律, CH4 VCD随时间变化而减少, XCH4的日变化量小于0.02 ppmv.

English Abstract

参考文献 (21)

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