为明确大气CO2浓度升高对大豆糖代谢和脂肪代谢的影响, 本研究以高油大豆品种“晋大70”为材料, 利用控制气室设置CK(CO2浓度为400?μmol/mol)和EC(CO2浓度为600 μmol/mol)两个处理, 大豆整个生育期均在控制气室内, 在大豆鼓粒期利用便携式气体交换系统LI-6400测定光合参数, 测定叶绿素含量、糖代谢和脂肪代谢相关指标, 并在收获期测定产量指标。结果表明: CO2浓度升高显著提高叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量, 使大豆净光合速率和水分利用效率显著提高59.7%和63.2%; 叶片中的蔗糖磷酸合成酶和异柠檬酸裂解酶活性在高CO2浓度下显著升高28.8%和215.0%, 琥珀酸脱氢酶活性、乙酰辅酶A羧化酶和二酰基甘油酰基转移酶活性显著降低; CO2浓度升高使籽粒中可溶性糖含量、蔗糖含量、蔗糖合成酶和异柠檬酸裂解酶活性显著下降, 但显著增加异柠檬酸脱氢酶(248.2%)、琥珀酸脱氢酶(75.0%)、乙酰辅酶A羧化酶活性(15.8%); 大豆的单株粒重、单株荚数和百粒重在CO2浓度升高条件下显著升高25.6%、23.4%和21.1%。研究表明, 在高CO2浓度下, 大豆鼓粒期叶片蔗糖代谢和磷酸戊糖途径代谢加强, 三羧酸循环和脂肪代谢减弱, 籽粒中蔗糖代谢减弱, 磷酸戊糖途径、三羧酸循环和脂肪代谢加强。本研究结果将有助于了解CO2浓度升高条件下对大豆糖代谢和脂代谢的影响, 为未来气候变化背景下大豆生产与管理提供理论依据。

利用2002年12月到2016年11月的大气红外探测仪(Atmospheric infrared sounder, AIRS)卫星观测资料,分析了全球 和东亚地区(70～140°E, 10～55°N)CO2浓度的时空变化和季节分布特征,并与地面观测 资料进行了对比。结果表明: 1) AIRS反演的CO2资料与地表观测资料相关系数均在0.9以上,且年均值相对误差均 在1%以内。2)全球CO2年平均浓度从2003年的375.16 ml/m3增加到2016年的401.24 ml/m3, 年平均增长率约2.01 ml/m3;同期,东亚地区CO2平均浓度从2003年的375.13 ml/m3增加 到2016年的402.22 ml/m3,年增长率约为2.08 ml/m3,高于全球的年平均增长率。 在2010～2016年,北半球大部分地区CO2浓度增长率低于2003～2009年的增长率。CO2增幅较明显 的区域位于北半球高纬度地区如中西伯利亚和格陵兰岛等地上空。3)CO2分布存在明显的区域性,高值区主要位于 北半球的中高纬度地区;低值区主要位于青藏高原上空。在南半球,CO2浓度的高值区主要位于南美洲中纬度地区; 低值区主要出现在低纬度(0～20°S, 50°W～5°E)的大西洋上空。在对流层中低层(4～6 km), AIRS反演的CO2浓度的季节变化特征准确性较高,特别在冬季,北半球大部分地区的CO2浓度随着时间 变化呈现先减小后增加的趋势。4)在东亚地区,CO2高值区位于中国北方地区,呈带状分布。

可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术测量CO2浓度时, 由于测量氛围温度变化的影响引起气体吸收谱线的线强和线型发生变化, 最终导致浓度测量存在较大误差。 为了克服温度变化对浓度测量的影响, 选用中心波长在1 580 nm的DFB激光器, 基于直接吸收法, 模拟电厂尾部烟道内的高浓度二氧化碳气体环境, 研究了在常温(298 K)和变温(298~338 K、 间隔10 K)不同温度工况下CO2浓度的测量。 结果显示, 常温浓度测量的最大相对误差为-5.26%, 最小相对误差为1.25%, 相对误差均方值为3.39%, 验证了TDLAS测量系统在常温下有着良好的测量精度和稳定性, 但其在变温测量时浓度测量结果误差较大, 其最大相对误差已经超过25%。 为了修正温度变化对浓度测量结果的影响, 适应工业测量的需要, 在变温测量基础上利用最小二乘法拟合出测量系统在不同温度下的浓度与气体吸收的修正关系式。 经过修正后, CO2浓度测量的相对误差降到5%以下, 相对误差均方值降到3.5%以下。 修正结果表明, 所提出的修正方法可以有效抑制温度变化对浓度测量结果的影响, 显著提高了测量系统在变温环境下的测量精度和稳定性, 为TDLAS系统测量CO2浓度的现场应用提供了理论支持和技术保障。

飞机尾喷CO2浓度扩散场是飞机不可隐藏的目标特性之一,为间接探测飞机提供了可能。采用数值模拟方法对典型工况下简化飞机模型的尾喷CO2浓度扩散场进行了仿真,利用仿真数据模拟了激光雷达系统探测目标并获取CO2浓度分布的过程,对不同参数条件下激光探测系统的探测性能进行了仿真分析。结果表明,飞机尾喷CO2扩散具有可探测性；选择合适的激光发散角、扫描角间隔和空间积分距离可探测到飞机,且在参数组合(0.5 mrad,4.4°,20 m)和(5 mrad,4.4°,20 m)下计算得到CO2浓度扰动中心与设定目标间的距离为2.9 m。本研究可为实际应用提供参考。

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。

大气中CO2主要的源和汇都集中在对流层, 精确地获取对流层CO2浓度廓线分布, 对研究CO2的垂直输送和全球气候演变具有重要意义。 基于可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)高分辨、 高灵敏度和快速响应等特点, 研制了采用直接吸收技术的小型化CO2探测系统, 选取位于2 004.02 nm处的R(16), ν1+ν3吸收谱线, 避免了附近H2O分子的吸收干扰, 对CO2浓度廓线进行了球载测量, 获取了10 km以下对流层中CO2的分子数密度分布。 受限于球载测量环境, 系统采用紧凑型设计, 在单块电路板上实现激光器驱动、 弱信号调理, 光谱数据采集及浓度计算等功能, 受嵌入式微处理器的运算能力和硬件资源限制, 对浓度反演算法进行了优化, 避免冗余计算, 降低了算法耗时。 和采用波长调制技术的TDLAS传统仪器相比, 借助光程20 m的开放式Herriott多次反射池, 采用直接吸收技术, 避免了浓度标定步骤, 提高了对测量环境的适应性, 通用性的硬件和软件结构可适用于测量不同气体, 只需更换激光器和调整算法关键参数。 小型化的设计思想降低功耗, 减小体积, 兼顾了响应速度和测量精度, 室温条件下功耗小于1.5 W, 单板体积120 mm×100 mm×25 mm, 1.5 s时间响应下的测量精度为±0.6×10-6, 经验证, 该系统可在对流层内实现CO2 15 m垂直空间分辨的高精度检测, 是一种可行的气体廓线球载探测手段。

通过具有高灵敏度、 非侵入式等特性的可调谐二极管激光吸收光谱技术对发动机气缸工作过程等高温高压燃烧环境进行实时在线检测, 是了解其内部燃烧过程进而研发高效发动机的重要手段之一。 作为一种重要的温室气体和化石燃料燃烧的主要产物, 二氧化碳对于了解燃烧过程具有重要的意义。 为了寻找一种能够对高温高压燃烧过程中的二氧化碳浓度进行快速检测的方法, 利用工作在室温条件下的近红外可调谐二极管激光器作为光源, 以二氧化碳位于5 006.140 cm-1处的跃迁作为传感谱线, 结合固定波长的吸收光谱调制技术, 通过该CO2谱线的一次谐波归一化的二次谐波信号峰值实现对高温高压环境中CO2浓度测量, 建立了一种可用于高温高压环境下的组份浓度的测量方法, 通过实验验证得出该方法在5 atm压力、 500 K温度下和10 atm压力、 1 000 K温度下对于CO2浓度测量的平均标准偏差为3.99%; 另外还对实验中所得CO2直接吸收及二次谐波信号进行了分析, 得到了其吸收光谱在高温高压环境下的特性。

介绍了中国科学院安徽光学精密机械研究所研制成功的我国第一台测量低对流层大气CO2时空分布的拉曼激光雷达系统，选用波长355 nm的紫外激光作为光源，利用光子计数卡双通道采集大气中N2和CO2的拉曼后向散射信号。详细分析了拉曼激光雷达系统的定标方法，提出采用Li7500型H2O/CO2分析仪与拉曼激光雷达系统进行对比与标定，结果显示激光雷达与CO2分析仪数据变化趋势一致性较好，激光雷达具有很高的探测灵敏度与准确性，通过线性拟合水平方向标定误差小于0.2%，垂直方向小于1.4%。由标定关系反演出大气中CO2的时空分布，给出了合肥西郊低对流层大气CO2水平方向0~2.0 km与垂直方向0~2.5 km分布的典型测量结果。

含碳温室气体浓度增加而加剧的温室效应是气候变化的主要原因。在线监测陆地生态系统中 的CO2 气体浓度并分析CO2 通量,对了解局地气候及改善环境意义重大。设计了基于可调谐 半导体激光吸收光谱技术的开放式CO2 气体监测系统,于2010年4月在中国科学院封丘农业生态实 验站进行了小麦田间CO2 浓度的实时在线监测。连续监测结果表明:主要受植被光合作用的影响,田 间CO2 浓度具有明显的日变化规律,基本特点是白天浓度降低,夜间浓度升高。系统不需要气体采 样、监测范围广、灵敏度高、响应时间快、调校简单,为农田环境的CO2 浓度连续监测提供了有效的光学遥测方法。