1 合肥学院自动化系, 安徽 合肥 230061
2 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, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
高准确和高精度测量环境大气CO2浓度, 对于监测区域和城市温室气体的排放至关重要。 基于傅里叶变换红外(FTIR)光谱技术, 利用便携式FTIR光谱仪采集近红外太阳吸收光谱, 基于非线性最小二乘算法, 反演获得了2016年9月至2020年5月期间合肥地区环境大气的CO2柱浓度。 观测结果表明, CO2气体的柱浓度有着明显的季节变化, 在春季出现最大值, 夏季下降速度快, 秋季达到最小值。 柱平均干空气混合比浓度XCO2的日均值位于(401.23±0.60)和(418.41±0.31) ppm之间, 而2017年观测的月均值有着6.96 ppm的季节幅值。 并且, 观测期间XCO2呈现逐年增长的趋势, 年平均增长率为(2.71±0.66) ppm·yr-1。 为了验证便携式FTIR光谱仪观测的准确性和可靠性, 我们将其观测结果与高分辨率FTIR仪器同步测量结果进行比较, 发现观测的XCO2的偏差均值为1.32 ppm, 二者的相关系数r为0.97, 两个数据显示高度一致性。 同时将观测结果与GOSAT卫星数据作了横向比较, 两个数据的平均偏差为(0.63±1.76) ppm, 二者的相关系数r为0.86, 显示出地基数据与卫星数据有高相关性。 最后, 将合肥站点2020年秋季观测数据与上海站点同期观测数据进行了比较, 发现上海站点与合肥站点的CO2柱浓度变化基本一致, 合肥观测点的XCO2日均值位于(415.09±0.84)和(417.80±0.67) ppm之间, 上海观测点的XCO2日均值位于(411.87±1.07)和(416.63±1.70) ppm之间, 表明同步观测期间合肥的CO2柱浓度略高于上海市。 地基FTIR光谱仪的观测结果可为追踪合肥地区温室气体的碳源与碳汇提供基础数据。
二氧化碳 柱浓度 傅里叶变换红外光谱技术 季节变化 Carbon dioxide Total column Fourier transform infrared spectroscopy Seasonal variation 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1036
中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所, 新疆 乌鲁木齐 830002
新疆天山北坡山地草甸是天山山区草地生产力最高的草地类型, 草地退化情况较为严重。 对草地植被进行分类与识别, 监测草地生态系统本底状况, 可以快速、 准确、 有效的评价草地退化动态与程度, 是进行生态重建的关键。 为了探索适合草地植被的分类方法, 选择天山北坡中段山地草甸植被作为研究对象, 利用高光谱成像光谱仪(SOC710VP)获取了典型植被多季相(4个关键生育期)的原始反射光谱数据, 通过多项式卷积平滑(S-G)及最小噪声分离(MNF)变换对光谱数据进行平滑去噪及降维处理, 分别采用支持向量机(SVM)、 BP人工神经网络(BP-ANN)及波谱角填图(SAM)三种方法建立分类模型, 并对分类结果进行了对比分析。 结果表明: 使用S-G滤波及MNF变换预处理方法可以有效的对草地植被高光谱数据进行降维除噪, 获得较平滑的光谱曲线, 减少了数据的冗余程度并缩短了分类时间。 不同季相山地草甸植被的“绿峰”、 “红谷”及“红边”等参数差异较大, 在植被生长旺盛期(4月—5月)的光谱曲线特征比黄枯期的光谱曲线特征更容易区分, 这个时期分类精度较高。 SVM分类模型在返青期(4月)和分蘖(枝)期(5月)总体分类精度均超过了90%, Kappa系数也超过了0.9; 利用SVM方法进行分类时, 在植物生长旺盛期(4月—5月)Polynomial核函数分类精度较高, 植物成熟期(6月—9月)径向基核(RBF)函数分类精度较高。 BP-ANN在分蘖(枝)期分类精度较高, 总体分类精度为91.07%, Kappa系数为0.89, 其他时期分类效果一般, 虽然在MNF变换降维后能极大的缩短数据处理时间, 但分类时间还是较SVM时间要长。 SAM分类速度最快, 但在各生育期的分类精度都较低, 最高值为分蘖(枝)期的总体分类精度77.80%, Kappa系数为0.73。 因此, 利用Polynomial核函数的SVM分类模型适合对山地草甸植被进行分类识别, 分类结果类别完整, 准确度高, 误分、 错分现象相对较少, 相比BP-ANN及SAM等高光谱数据分类方法具有较大的优势。
高光谱数据 多季相 山地草甸 分类识别 Hyperspectral data Multi-seasonal Mountain meadow Classification and recognition 光谱学与光谱分析
2022, 42(6): 1939
1 成都理工大学生态环境学院, 成都 610059
2 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 成都 610059
在季节性冻土地区修建道路工程时, 不仅要对土壤进行力学改性还需要保护脆弱的生态环境。本文研究了冻融循环条件下, 糯米浆对石灰土抗剪强度的影响。在石灰土(石灰质量浓度为10%)中加入不同质量浓度(0%、2%、4%、6%、8%)的糯米浆, 研究不同冻融循环次数(0次、1次、3次、6次、10次)下糯米浆改良土的应力应变曲线特征以及抗剪强度、黏聚力和内摩擦角的变化特征。结果表明, 在石灰土中加入糯米浆可以提高改良土的抗剪强度, 但糯米浆浓度过高反而导致抗剪强度降低, 糯米浆浓度为6%时改良土的抗剪强度较大。冻融循环会导致改良土的抗剪强度下降, 糯米浆可以降低改良土在冻融循环下的强度损失。冻融循环作用下, 改良土黏聚力和内摩擦角的变化趋势不同。该结果为糯米浆改性季节性冻土地区路基土提供了参考。
季节性冻土 糯米浆 石灰 冻融循环 直剪试验 抗剪强度 seasonal frozen soil glutinous rice slurry lime freeze-thaw cycle direct shear test shear strength
1 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 先进激光技术安徽省实验室, 安徽 合肥 230037
4 中国科学技术大学研究生院科学岛分院, 安徽 合肥 230026
5 浙江省气象科学研究所, 浙江 杭州 310008
利用三个站点(金华、合肥和兰州)同时期的观测数据对边界层高度进行了反演、统计和分析。研究结果表明,三个站点的边界层高度具有明显的季节、日变化特征。除冬季外,金华和合肥的边界层高度要低于兰州。兰州的边界层高度的上升和下降时间与日出、日落时间有着良好的对应关系,合肥的边界层高度则在日出数小时后才出现明显上升。金华、合肥和兰州日间月平均边界层高度最高值分别出现在9月、8月和6月,月平均最大混合层高度出现的月份分别是9月、8月和7月。了解边界层高度的时空分布规律,可以为空气污染防治、天气预报以及气候预测等提供进一步的参考。
遥感 激光雷达 边界层高度 多站点 日变化 季节变化 光学学报
2021, 41(24): 2401002
上海海事大学物流科学与工程研究院,上海 201306
颗粒物是港口地区的主要污染物之一,利用多重分形理论分析港口地区PM2.5和PM10浓度的多重分形特征。首先,运用多重分形消除趋势 波动分析方法(Multifractal detrended fluctuation analysis, MF-DFA)分析PM2.5和PM10自身的 多重分形特征,结果显示PM2.5和PM10浓度的演化过程表现出非线性、复杂性的 多重分形特征,且PM10浓度的多重分形特征较PM2.5强。其次,利用多重分形消除趋势交叉波动分析方法 (Multifractal detrended cross-correlation analysis, MF-DCCA)研究港口 地区PM2.5和PM10的交叉相关性,结果表明两者之间不仅存在具有长期记忆性的多重分形特征,而且其互相关性多重分形特征具 有明显的季节变化特征。港口地区PM2.5和PM10的多重分形特征在春季最强,夏季次之, 秋季最弱。这些结论对港口地区PM2.5和PM10的联合控制具有一定的参考价值。
多重分形特征 多重分形理论 颗粒物 季节变化 香港港口 multifractal characteristics multifractal theory particulate matter seasonal variation Hongkong port 大气与环境光学学报
2019, 14(3): 179
航天工程大学宇航科学与技术系, 北京 101416
季节性闪光现象是由三轴稳定地球同步轨道(GEO)卫星保持的特殊对地位置及卫星帆板的运动特点产生的。结合卫星帆板材质的双向反射分布函数及太阳在地球坐标系下的运动规律,分析了帆板季节性闪光现象的原理,定量研究了地面站观测帆板闪光现象的相关规律并进行了仿真验证。研究表明,地面任意地点的望远镜每年都有两个时段能够观测到GEO卫星帆板闪光现象,每次持续约21 d,每颗卫星每天的观测时间约32 min。该结论不仅能够为观测GEO卫星提供参考,也可为分析卫星工作及运动状态提供依据。
散射 空间光学 季节性闪光 三轴稳定 地球同步轨道卫星
1 中央民族大学生命与环境科学学院, 北京 100081
2 中央民族大学北京市食品环境与健康工程技术研究中心, 北京 100081
采用高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS) 和地积累指数法(Igeo) 对黄河甘肃、 宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属(Cr, Pb, Cd, Cu, Zn 和 Ni)的空间分布和季节性波动(丰水期、 枯水期和平水期) 以及污染状况进行系统研究分析, 研究结果表明: 内蒙古段三个季节中沉积物重金属含量都高于甘肃和宁夏段, 同时, 除Cd外, 丰水期所有点的沉积物重金属含量都高于枯水期和平水期, 而枯水期和平水期的重金属含量相近。 Igeo结果显示丰、 枯水期的Cd, Cu和Cr元素的Igeo值在内蒙古段最高, 而在甘肃段最低; 所有重金属的Igeo值在丰水期高于枯水期, 除Cd外, 都在平水期降低, 而ICdgeo在平水期各采样点明显上升; 丰水期的甘肃段、 枯水期的甘肃和宁夏段以及平水期的所有采样点中的Pb, Zn和Ni的Igeo值都小于0, 表明这些元素在这些点几乎无污染。 就研究区域而言, 内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高, Cr, Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素; 就研究季节而言, 丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期, 可能是跟丰水期沉积物的pH和总有机碳(TOC)含量较高有关。 相关性分析(CCA)用来探究重金属与pH/TOC间的关系以及重金属的潜在来源。 CCA的结果表明Pb, Cu, Zn和Ni互相相关, 并且这四种元素容易受到周围环境pH和TOC的影响, 除此之外, Cr, Cd以及TOC 三者相关, 且这两种元素受到人类活动影响较严重。 该研究工作可为研究区域表层沉积物重金属在不同季节的环境行为提供有效的信息, 同时, 研究重金属、 pH和TOC之间的相关性可有效揭示重金属的潜在来源。
空间分布 季节变化 重金属 表层沉积物 黄河 Spatial distribution Seasonal variations Heavy metal Sediments the Yellow River 光谱学与光谱分析
2016, 36(8): 2705
脉冲功率激光技术国家重点实验室, 合肥 230037
为了研究伪装涂料8-14 μm波段的平均发射率在不同季节的取值范围, 结合太阳辐射, 植被温度以及气温的一日变化, 建立目标及单一植被背景在晴朗天气情况下不同季节的一日辐射温度变化模型.以合肥地区为例, 分别以春分、夏至、秋分、冬至四个节气的日气候状况代表春夏秋冬四季的气候特征, 采集该地区在四个节气近五年的日值气侯数据, 对覆盖不同发射率伪装涂料的目标以及植被背景在四个节气中从6时到22时的辐射温度变化进行模拟.获得目标和植被背景的日辐射温度变化数据, 计算不同覆盖发射率值的伪装涂层时的目标和背景的欧氏距离和伪装效率.利用欧氏距离和伪装效率对目标的伪装效果进行分析.当欧氏距离最小时目标与植被背景红外特征最接近, 春夏秋冬欧氏距离最小时的发射率值依次为0.58、0.33、0.41、0.86；以参考目标与背景的辐射温度差控制在4K以内为实现隐身的标准, 春夏秋冬伪装效率最高时的发射率值依次为0.6、0.3、0.4、0.9.
红外伪装 发射率 季节性 数值分析 Infrared camouflage Emissivity Seasonal Numerical analysis
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, 安徽 合肥230031
针对全球变暖贡献最大的两种温室气体CO2和CH4, 采用自行研制的地基傅里叶变换近红外光谱遥测系统连续观测了合肥地区2012年2月到2013年4月的直射太阳光光谱, 进而获得整层大气透过率测量光谱。 在前向模型中采用逐线积分、 低阶多项式近似方法得到整层大气透过率模拟光谱。 利用模拟透过率光谱在CO2的6 150～6 270 cm-1波段、 CH4的5 970～6 170 cm-1波段对测量透过率光谱进行迭代拟合, 获得气体柱浓度。 以O2柱浓度为内标函数获得CO2和CH4的干柱体积混合比。 CO2和CH4干柱体积混合比日均值都具有较大波动性和明显的季节周期性, 它们的月均值整体上具有较强的一致性, 但是变化特征不尽相同。 与日本温室气体卫星瓦里关地区的报道结果相比, CO2含量峰谷值对应的时间相对滞后, 并且峰值到谷值的转变时间较长; 与利用SCIAMACHY资料分析的全国范围内CH4柱浓度平均值变化趋势相比, CH4含量表现出夏高冬低的单峰单谷型变化趋势。 它们的变化特征与源和汇的平衡、 气象和气候条件等复杂因素有关, 还需长期观测和深入研究。
地基遥测 季节变化 红外吸收光谱技术 Ground-based remote sensing Seasonal variation Infrared absorption spectroscopy CO2 CO2 CH4 CH4
1 南京大学江苏省地理信息技术重点实验室, 江苏 南京210093
2 南京大学地理信息科学系, 江苏 南京210093
3 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 甘肃 兰州730000
使用FieldSpec 3(350～2 500 nm)光谱仪野外测得新疆富蕴地区季节性积雪光谱, 与冰对比得出了该地区典型季节性积雪光谱特征, 并分析了太阳高度角、 坡度、 雪深、 污染物浓度对积雪光谱的影响。 研究结果表明: 积雪反射率在可见光波段较高, 随波长的增加逐渐减小; 随着太阳高度角的增大积雪反射率逐渐降低, 且在1 090和1 300 nm对太阳高度角的变化敏感; 坡度的存在使积雪反射率大幅上升; 在一定深度范围内, 积雪反射率随雪深的增加而增大, 在400～500和1 250～1 320 nm, 反射率对雪深变化敏感; 随着污染物的增加, 积雪反射率在可见光波段明显下降, 且波峰波谷趋于平缓。 季节性积雪的光谱测量和分析工作对于积雪参数的监测和反演具有重要意义。
季节性积雪 光谱分析 光谱测量 新疆富蕴 Seasonal snow Spectral analysis Spectral measurement Fuyun County of Xinjiang Province 光谱学与光谱分析
2013, 33(6): 1593
