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基于sciatran大气辐射传输模式反演NO2垂直分布

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基于SCIATRAN大气辐射传输模式反演NO2垂直分布

作者：苟方园西安理工大学

学位级别：硕士

随着人类活动排放了大量化学有害物质,不可避免的对大气环境产生了危害,光化学烟雾、酸雨等大气环境问题频频出现。目前,大气环境污染已成为现今研究的热点问题,方便、快捷、准确的获取大气污染信息是研究及防控污染的前提条件,实现大... 详细信息

随着人类活动排放了大量化学有害物质,不可避免的对大气环境产生了危害,光化学烟雾、酸雨等大气环境问题频频出现。目前,大气环境污染已成为现今研究的热点问题,方便、快捷、准确的获取大气污染信息是研究及防控污染的前提条件,实现大气污染物浓度和垂直分布的监测对于大气环境监测与防治具有重要科学研究意义和应用价值。多轴差分吸收光谱技术(MAX-DOAS)作为目前主流的被动探测手段,可实现对大气污染物气体的监测和研究。本文以污染物二氧化氮(NO)为主要研究对象,以西安理工大学激光雷达遥感研究中心的一套地基MAX-DOAS测量系统为实验系统,以sciatran大气辐射传输模式作为反演主要工具,开展对NO浓度和垂直分布廓线的反演研究工作。首先,论文基于MAX-DOAD测量原理,开展了基于QDOAS的差分斜柱浓度反演,对QDOAS软件所需的波段、气体吸收截面、参考光谱等进行了配置,结合实测太阳光谱反演得到NO和氧气二聚体(O)的差分斜柱浓度。利用sciatran大气辐射传输模式进行了OAMF的模拟分析,分析表明观测几何因素和气溶胶光学厚度等参数对模拟结果的重要影响。进而,为了实现从NO差分斜柱浓度到垂直廓线的反演,论文开展了基于查算表方法的大气气溶胶消光系数垂直廓线反演和研究。鉴于气溶胶在垂直方向的分布规律,采用比例分数F、边界层高度H和气溶胶光学厚度τ等参数对气溶胶消光系数廓线进行参数化,最终获得了 3696条大气气溶胶消光系数廓线,代表了不同的气溶胶载荷情况。结合sciatran辐射传输模型模式计算得到了 OAMF,建立ODAMF(AMF(α)-AMF(90°))与气溶胶参数对应的查算表。最后,根据太阳光谱实验曲线计算O DAMF测量值,利用查算表法可反演得到大气气溶胶消光系数垂直廓线和气溶胶光学厚度等信息。通过与水平能见度仪数据的对比,趋势表明基于查算表法得到的气溶胶消光系数廓线可用于对流层NO垂直分布廓线的反演。最后,采用Rodgers提出的最优估算法(OEM)对NO垂直分布廓线进行反演和分析。将已反演得到的大气气溶胶消光系数廓线,输入到sciatran模式中,计算出OEM所需的加权矩阵。利用NO差分斜柱浓度中包含的分布信息及先验廓线,结合sciatran模式得到的加权矩阵,对算法进行输入,最终获得NO垂直分布。主要对3km以下NO的垂直分布廓线进行了分析,结果表明:NO气体主要集中在1.5 km以内,NO浓度最高可达141.8 μg/m,最小值为8.4 μg/m。通过与监测站点式仪器的对比,两者相关系数R-square达到了 0.86,具有较好的一致性。并将得到的NO廓线进行了分层讨论,各层趋势较为一致。证明了反演结果的可靠性,验证了最优估算法可以用于西安地区NO垂直分布的反演。

关键词： MAX-DOAS技术 sciatran 查算表法最优估算法 NO2垂直分布

温度对sciatran辐射传输模式近红外正演光谱影响的研究

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温度对SCIATRAN辐射传输模式近红外正演光谱影响的研究

中高层OH自由基在紫外波段的临边散射辐射正演模拟与敏感性分析（英文）

2015年（第七届）西部光子学学术会议

作者：刘冬冬张淳民西安交通大学理学院

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的温度的全球分布数据,基于sciatran辐射传输模式,对O2-A Band（757nm-772nm）和CO2（1570nm-1618nm）近红外吸收波段进行正演模拟研究,获取不同纬度观测点的模拟光谱,对光谱的空间分布特性进行了研... 详细信息

利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的温度的全球分布数据,基于sciatran辐射传输模式,对O2-A Band（757nm-772nm）和CO2（1570nm-1618nm）近红外吸收波段进行正演模拟研究,获取不同纬度观测点的模拟光谱,对光谱的空间分布特性进行了研究和分析。结果表明,温度和模拟光谱在O2-A Band和CO2近红外波段均显示出典型的随纬度变化的空间分布特性。相较低纬度地区而言,在中高纬度区域,光谱辐射强度对纬度变化更为敏感。

关键词： ECMWF 温度 sciatran 正演光谱

来源： cnki会议评论

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光谱学与光谱分析 2018年第10期38卷 3278-3285页

作者：方雪静熊伟施海亮罗海燕陈迪虎中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031 中国科学技术大学安徽合肥230026 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室安徽合肥230031

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂,决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化,甚至气候变化。为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演,需要构造正演模型,模拟得到仪器接收到的大气中的A2Σ+-X2Π(0,0)309nm波段的太阳共振荧光... 详细信息

OH自由基是中高层大气中重要的氧化剂,决定着臭氧以及其他温室气体的浓度变化,甚至气候变化。为了实现中高层大气OH自由基的精细探测与精确反演,需要构造正演模型,模拟得到仪器接收到的大气中的A2Σ+-X2Π(0,0)309nm波段的太阳共振荧光发射信号。本文基于分子光谱能级跃迁理论计算得到OH(0,0)振动能级上的荧光发射率因子g,结合辐射传输模型sciatran模拟出的太阳辐照度和观测视线路径上的OH柱量,模拟出OH荧光发射光谱,叠加上大气背景光谱并卷积仪器函数,最终模拟得到仪器接收的包含OH浓度信息的光谱。模拟结果与国外在轨仪器MAHRSI(Middle Atmosphere High-Resolution Spectrograph Investigation),SHIMMER(Spatial Heterodyne Imager for Mesospheric Radicals)的在轨实测结果一致性较好。还分析了影响模拟结果的因素,在之后的正演过程中加以修正,使正演模型更接近实际辐射传输过程。

关键词： OH自由基正演模型荧光发射率因子 sciatran 敏感性分析

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地表UV-B辐照度时空变化及其敏感性分析

地表UV-B辐照度时空变化及其敏感性分析

作者：赵莹吉林大学

学位级别：硕士

近几十年来，由于人类活动所导致的臭氧减少而使到达地表的紫外辐射量增加己被许多研究成果所证实。全球紫外辐射情况和长期变化趋势引起了科学界和国际社会的广泛关注。鉴于动植物对UV-B波段辐射最为敏感，UV-B辐照度对人体及生物的危... 详细信息

近几十年来，由于人类活动所导致的臭氧减少而使到达地表的紫外辐射量增加己被许多研究成果所证实。全球紫外辐射情况和长期变化趋势引起了科学界和国际社会的广泛关注。鉴于动植物对UV-B波段辐射最为敏感，UV-B辐照度对人体及生物的危害较大，本文着重分析了全球UV-B辐照度的分布特点和时空变化规律，及其对重要影响因子的敏感性。论文利用世界臭氧与紫外线辐射数据中心提供的地面测量数据分别对TOMS/Nimbus-7(1979.1.1--1993.4.30)、TOMS/Earth Probe(1996.8.1--2005.12.31)以及OMI/EOS-Aura(2005.1.1--2008.12.31)每日正午地表UV-B辐照度数据进行标定，使卫星观测数据更接近地表真实辐照度值。进而利用标定后的卫星数据更准确地分析近三十年全球UV-B辐照度的时空变化规律。目前国内外涉及到大气紫外辐射波长的传感器主要采用天底和临边两种观测模式。较为成熟的辐射传输模型sciatran能提供这两种观测模式的模拟和更细致和系统的参数输入体系。因此论文选用sciatran模型对影响地表紫外辐射的因素进行UV-B辐照度敏感性分析以及模拟不同地面类型的地表UV-B辐射。研究主要关注了公认的五种影响地表紫外辐射因素：观测几何条件、臭氧总量、云厚度、气溶胶厚度、地表反照率。全球紫外UV-B辐照度分布表现出较明显的纬向分布规律，即随纬度的升高而逐渐降低。同纬度海洋的紫外辐照强度要高于陆地。同时，全球UV-B紫外辐照度月平均大致呈现正弦曲线变化特征。三月（春分）和九月（秋分）表现出峰值的特点，六月（夏至）和十二月（冬至）表现出谷值的特点，这是由于南北半球季节性差异造成的。并且一年之中南半球地表接收的太阳UV-B辐射要高于北半球。近三十年全球紫外辐射整体上升约3%，臭氧损耗现象在南极上空较为严重，并有向中纬度地区上空扩展的趋势。通过EOF分析得到UV-B辐照度变化趋势基本具有全球一致的特性，并且在海洋处表现出高值增强区，说明近三十年海洋处的紫外辐射变化较大。整体上看，1979年至2008年紫外辐射强度存在一定的周期性变化。利用Morlet小波分析发现，尺度因子为0.8,1.8和5.1时全球UV-B辐照度存在变化周期，其对应的时间尺度为6、13和127个月，即半年、一年和十一年（太阳活动周期）。 UV-B辐照度在两种观测模式下都随太阳天顶角的增加而减少，临边模式敏感性较弱。方位角在天底模式下不是影响UV-B辐照度的主要因素，而在临边模式时，紫外辐照度随方位角增加略有升高。在小于302nm的波长处，UV-B辐照度与天底观测角和临边切线高度成正比关系，而在大于302nm的波长处成反比。当臭氧含量比正常值多时，两种观测模式UV-B辐照度都下降较少;而当臭氧含量比正常值减少时，辐照度会产生大量的增加。云光学厚度对两种观测模式影响基本一致，当云较薄时，就有较强减弱UV-B辐照度的作用，随后削弱能力逐渐减弱。气溶胶光学厚度倍数在天底模式时对UV-B辐照度的衰减主要作用于305nm之后，其规律与云光学厚度相类似，而临边模式下其对辐照度基本无影响。天底模式UV-B辐照度随地表反照率升高增加得较明显，对临边模式下辐照度的影响很微弱。利用sciatran对地表UV-B辐照度模拟也与实际观测值较接近，差异在±10%左右。

关键词： UV-B辐照度时空变化 sciatran 敏感性分析

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大气Limb辐射亮度模拟及其敏感性分析

大气Limb辐射亮度模拟及其敏感性分析

作者：金丽华吉林大学

学位级别：硕士

在国家“863”计划项目支持下,通过大气辐射传输模型模拟Limb观测方式的大气辐射亮度,分析Limb观测模式获取的辐射亮度的影响因素及其影响效果。基于对目前大气化学卫星探测技术和大气辐射传输模拟模型发展现状的了解,选用sciatran2.2.... 详细信息

在国家“863”计划项目支持下,通过大气辐射传输模型模拟Limb观测方式的大气辐射亮度,分析Limb观测模式获取的辐射亮度的影响因素及其影响效果。基于对目前大气化学卫星探测技术和大气辐射传输模拟模型发展现状的了解,选用sciatran2.2.2模型模拟Limb模式辐射亮度。分析研究sciatran2.2.2模型结构后,结合大气辐射观测理论,选择其中的观测几何、云、气溶胶、地表特性和痕量气体五类参数作为研究参数。根据星载Limb散射观测技术中观测几何关系和Odin/OSIRIS传感器的卫星仪器数据,设定辐射亮度模拟环境。在此基础上,根据研究目标,兼顾客观事实和模型自身限制,选定五类研究参数的取值范围。拟定模拟方案,进行辐射亮度模拟并分析模拟结果正确性。最后根据模拟结果,分析Limb模式辐射亮度对观测几何、云、气溶胶、地表特性和痕量气体参数的敏感性。结果显示,研究条件下,选定的27个研究参数中除二氧化碳和甲烷气体外,均为Limb辐射亮度敏感因素。因素的影响各异,并随波段和切点高度不同而不同。

关键词： Limb散射辐射亮度模拟模型 sciatran 敏感因素

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卷云大气的辐射传输模拟计算和研究

卷云大气的辐射传输模拟计算和研究

作者：李姗姗成都信息工程大学

学位级别：硕士

大气中二氧化碳浓度的增加影响着全球的气候的变化,卷云在全球的覆盖率、物理光学特性对大气辐射的收支平衡的影响引起关注,本文主要研究卷云大气条件下的二氧化碳的反演。首先,本文采用sciatran大气辐射传输模式对GOSAT卫星TANSOTS的1.... 详细信息

大气中二氧化碳浓度的增加影响着全球的气候的变化,卷云在全球的覆盖率、物理光学特性对大气辐射的收支平衡的影响引起关注,本文主要研究卷云大气条件下的二氧化碳的反演。首先,本文采用sciatran大气辐射传输模式对GOSAT卫星TANSOTS的1.6微米短波红外波段,进行了辐射传输模拟计算,得到1320组晴空大气辐射光谱数据和7920组卷云大气条件下的辐射光谱数据,并进行敏感性测验,结果表明:(1)考虑GOSAT卫星的仪器线性函数及模式选用双向反射类型为prosailrectophile时模拟的辐射光谱与实际产品最为接近。(2)随着地表反照率的增大,辐射值也在增大;辐射值在随太阳天顶角的增大而减小;辐射光谱值随着卷云光学厚度的增大而逐渐减小。然后采用PCA主成分分析的方法对辐射光谱数据进行降维、去噪及去相关处理,并采用BP神经网络算法对晴空大气和卷云大气的辐射光谱数据进行反演实验,分为三种情况:(1)用晴空大气下的辐射模拟数据进行神经网络训练,形成晴空反演模式,得到晴空大气条件下的二氧化碳反演结果。(2)卷云条件下的模拟辐射数据放入晴空模式来反演,得到反演结果。(3)用卷云条件下的数据进行神经网络训练,形成卷云大气条件下的反演模式,并对卷云光学厚度的添加与否做反演结果的比较。通过的反演实验对比,得到晴空大气条件下的反演模式不适用于有卷云时候的二氧化碳反演,卷云光学厚度的考虑会提高二氧化碳反演的精度,使均方误差小于0.0546ppm。

关键词：大气辐射 sciatran 敏感性测验卷云二氧化碳反演

碳卫星高光谱数据CO_2柱浓度反演初步研究

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三峡生态环境监测 2018年第4期3卷 74-81页

作者：王鼎益刘冬冬纽布朗什维克大学物理系西安交通大学理学院西安710049

大气温室效应引起的全球气候变化威胁着人类的生存和发展,已成为世界各国关注的焦点问题。国际上开展了大气温室气体探测的研究,中国也先后发射了世界上第三、第四颗专门用于大气温室气体监测的碳卫星(TanSat)和高分5号卫星(GF-5)。本... 详细信息

大气温室效应引起的全球气候变化威胁着人类的生存和发展,已成为世界各国关注的焦点问题。国际上开展了大气温室气体探测的研究,中国也先后发射了世界上第三、第四颗专门用于大气温室气体监测的碳卫星(TanSat)和高分5号卫星(GF-5)。本文以碳卫星三种观测模式(天底、耀斑和目标模式)获得的陆地(北京)、海洋(印度洋)和冰川(南极大陆)的高光谱数据为研究对象,基于sciatran辐射传输模式和最优化算法,反演大气二氧化碳平均干空气柱浓度摩尔分数(XCO_2)。研究结果为碳卫星的高光谱观测数据处理和验证提供了可行方案,为对温室气体CO_2浓度变化的全方位、高精度监测提供了技术支持。

关键词： sciatran XCO2 高光谱反演

三峡库区CO_2平均柱浓度的卫星和地面观测研究

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三峡生态环境监测 2016年第3期1卷 8-17页

作者：荣飘张淳民刘冬冬栗彦芬西安交通大学空间光学研究所陕西西安710049 西安交通大学理学院陕西西安710049

大型水库会对CO_2释放和吸收产生影响。研究三峡水库的CO_2源汇效应是近年来的一个热点问题。重庆涪陵是三峡库区的腹心区域。在这一区域进行CO_2测量具有科学研究价值和环境保护应用意义。本文分析比较卫星和地面高光谱观察CO_2平均柱... 详细信息

大型水库会对CO_2释放和吸收产生影响。研究三峡水库的CO_2源汇效应是近年来的一个热点问题。重庆涪陵是三峡库区的腹心区域。在这一区域进行CO_2测量具有科学研究价值和环境保护应用意义。本文分析比较卫星和地面高光谱观察CO_2平均柱浓度(XCO_2)的方法及其结果。对拟在重庆涪陵站点设置的地面高光谱仪器采用改进的sciatran大气辐射传输模型进行天顶观察模式模拟,得到模拟光谱和反演的XCO_2,并与日本GOSAT卫星观察的XCO_2数据进行比较。结果表明,两者的误差为1.22 ppm(parts per million,×10^(-6)),满足碳源汇研究的精度要求。这一结果为卫星观察资料应用于三峡库区CO_2探测和碳源汇效应研究提供了技术支撑。

关键词：地面观测模拟 CO2 sciatran