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Effect of HITRAN Database Improvement on Retrievals of Atmospheric Carbon Dioxide from Reflected Sunlight Spectra in the 1.61-μm Spectral Window

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Advances in Atmospheric Sciences 2012年第2期29卷 227-235页

作者：戴铁石广玉张兴赢 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics Institute of Atmospheric Physics Chinese Academy of Sciences National Satellite Meteorological Center

A large number of experimental and theoretical investigations of carbon dioxide （CO 2 ） spectra have been conducted since the most recent update of the High-Resolution Transmission Molecular Absorption （hitran） database. To maintain optimal parameters, the hitran 2004 CO 2 line list has been completely replaced by hitran 2008 data in the near-infrared region from 4300 cm-1 to 7000 cm-1 . To examine the effect of this change on the retrieval of CO 2 vertical column data from reflected sunlight spectra in the 1.61-μm spectral window, synthetic measurements for a given atmospheric state and instrument setup were generated and compared using radiative transfer model with the line-transition parameters from the hitran 2004 and 2008 databases. Simulated retrievals were then performed based on the optimal estimation retrieval theory. The results show that large systematic errors in atmospheric CO 2 column retrievals were induced by the differences in the hitran laboratory line parameters in the 1.61-μm region. The retrieved CO 2 columns were underestimated by 10 ppm using the hitran 2004 data, and improvements resulting from the use of the improved HITRAN Database were more pronounced at a higher spectral resolution.

关键词： HITRAN Database retrieval of CO 2 reflected sunlight spectra

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Influence of HITRAN Database Updates on Retrievals of Atmospheric CO_2 from Near-Infrared Spectra

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Acta meteorologica Sinica 2012年第5期26卷 629-641页

作者：戴铁石广玉张兴赢徐娜 State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of Sciences National Satellite Meteorological Center

The line-transition parameters of the High Resolution Transmission （hitran） 2008 database have been updated relative to previous editions. The transmission spectra and sensitivity to changes in CO2 concentrations using line parameters from the hitran 2004 and hitran 2008 databases are compared to evaluate the effect of the database updates on retrievals of carbon dioxide vertical columns from nearinfrared reflected sunlight. This comparison is done in three spectral regions covering the 2.06-, 1.61-, and 1.58-μm CO2 bands used by the Greenhouse Gases Observatory Satellite （GOSAT） instrument and the planned successor to the Orbiting Carbon Observatory （OCO）. The updates to the HITRAN Database have the largest effects on the transmittance and the off-line to on-line transmittance ratio in the 2.06-μm region and the smallest effects on these parameters in the 1.58-μm region. The influence of the updates to the HITRAN Database on the off-line to on-line ratio calculation in the narrow spectral region 4855-4880 cm^-1 could be equivalent to a change in CO2 of more than 50 ppmv. Use of the hitran 2004 database will lead to an underestimate of the column CO2 abundance in the 2.06- and 1.61-pro spectral regions, whereas it will lead to an overestimate of the column CO2 abundance in the 1.58-μm spectral region.

关键词： HITRAN Database atmospheric CO2 concentration near-infrared

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基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制

基于反射光模型的红外甲烷传感器系统研制

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作者：王昱东太原理工大学

学位级别：硕士

煤炭资源是目前我国的主要基础能源,在开采过程中所产生的瓦斯气体其主要成分是甲烷。虽然国家对安全生产工作,常抓不懈,但是由于瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故,却从未中断。甲烷气体尽管不是大气的主要成分,它对温室效应造成的影响却远... 详细信息

煤炭资源是目前我国的主要基础能源,在开采过程中所产生的瓦斯气体其主要成分是甲烷。虽然国家对安全生产工作,常抓不懈,但是由于瓦斯爆炸造成的煤矿安全事故,却从未中断。甲烷气体尽管不是大气的主要成分,它对温室效应造成的影响却远比二氧化碳大得多。无论从环境保护角度,还是安全生产方面,对甲烷气体的实时精确检测都显得尤为重要。为了了解目前的研究动向及进展,对国内外红外检测技术进行了调研分析。自二十世纪七十年代末开始,欧洲就有学者利用光谱吸收法对大气污染进行监测。随后又有科研工作者从红外光谱理论、椭球形光学气室、光学热敏元件、优化探测器布局、信号调理、激光发射器等多方面进行了研究,而且取得了重大的进展,已经将实验室技术推广到了工业应用。国内红外检测技术,起步晚,发展迅猛,从光学吸收池、光路信号、检测系统、分子光谱理论等多角度进行了研究,取得了一定的进展,但距离工业应用还有一定的差距。从分子光谱理论角度,对红外检测甲烷气体进行了理论分析,在基础理论之上对空气中常见气体分子,使用HITRAN Database进行了红外光谱图的模拟,得出理论上红外技术检测甲烷气体的可行性。针对朗伯-比尔定律,提出吸收截面系数、光程长度、光的强度难以精确测量的三个检测问题,经过一系列理论推导、论证,建立了基于反射光模型的红外甲烷传感器模型。在模型基础上,借助已有的传感探头,设计了用以控制整个传感器的主控电路板,负责电源供给的电源电路,提供相关电压转换的电路,设计了传感探头接口电路,处理微弱信号的放大滤波电路,调试接口JTAG接口电路。在完成了电路板的焊接之后,对信号处理电路进行了性能分析比较。为了进行标定实验,搭建了标定实验平台,以1-Wire总线通信协议将标定实验数据写入、读出DS2431芯片,配合单片机进行了浓度计算模块的设计,并进行了实验测试。在排除其他干扰的实验测试基础上,得出温度对传感器精度的影响最大,基于传热学理论基础,对光学气室进行了导热、对流的热分析数值模拟,并提出了实用的温度补偿计算算法,经实验验证:该算法在0-4%浓度范围内,相比未补偿前,具有较高的精确度及稳定性。

关键词：红外甲烷传感器 HITRAN Database 放大滤波浓度计算标定实验温度补偿

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