1 北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院，北京 100875
2 北京大学物理学院大气与海洋科学系，北京 100871
臭氧是大气中重要的痕量气体，可影响对流层与平流层大气状态和过程。约90%的臭氧集中在平流层，可吸收下行紫外太阳辐射，保护地球生命系统；约10%的臭氧位于对流层，其空间分布多受局地生成和跨区域输送的影响。目前，臭氧已逐渐成为我国甚至全球首要污染物，臭氧污染防治也相应地成为我国未来大气污染防治的重点。本文回顾了卫星遥感臭氧的发展进程，包括臭氧卫星探测传感器、反演算法和应用进展，并着重分析了臭氧污染相关内容，包括臭氧污染时空特征分析、典型污染事件分析、臭氧污染与气象条件相互作用等。多种卫星探测载荷的仪器设计和反演技术的不断发展，使得卫星遥感臭氧反演和监测应用成为可能。卫星可通过紫外谱段和红外谱段而获取臭氧整层信息和垂直分布信息，目前臭氧柱总量监测精度较高，但对流层下层和近地面臭氧浓度反演精度还有待提高。根据现阶段的技术水平，可采用多种技术方法相结合来提升中低层臭氧的探测能力。臭氧污染的监管和防控需要摸清来源，准确评估污染的成因，可从前体物排放、化学转化、气象影响、三维传输等方面逐步进行解析。此外，氮氧化物（NOx）和挥发性有机物（VOCs）的协同减排是我国臭氧治理的根本所在，也是下一步的重点研究方向。
大气光学 臭氧 卫星遥感 反演算法 精度验证 空气质量 平流层侵入 光学学报
2023, 43(18): 1899905
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 中国科学院合肥物质科学研究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 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
4 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
激光外差光谱（LHS）系统具有光谱分辨率高、探测灵敏度高和体积小等特点，在高分辨率太阳光谱和整层大气透过率测量等应用中受到关注。以3.93 μm分布反馈式带间级联激光器（DFB-ICL）作为本振光源搭建了激光外差光谱测量系统，以太阳光作为信号光，利用Zemax光学仿真软件对太阳光与激光的耦合进行设计和仿真。基于开普勒望远镜原理设计了太阳光整形结构。光斑整形后有效提高了外差耦合效率，将系统信噪比提高至162.1，比无整形条件下获得的信噪比提高了一倍。利用搭建的激光外差系统实测了合肥地区整层大气N2O吸收光谱，采用最优估算法反演了N2O的柱浓度，均值为0.311×10-6，反演结果与EM27/SUN的实测结果进行比较，两种方式获得的N2O柱浓度相关性为0.856。测量结果表明，激光外差光谱测量系统的光学结构经设计和优化后，光学耦合效率和系统信噪比均得到有效提升，基于实测太阳光谱反演获得的N2O柱浓度也与商用仪器观测结果具有较好的一致性。
光谱学 激光外差 信噪比 光斑整形 光学仿真 反演算法 中国激光
2023, 50(14): 1411001
1 南昌大学资源环境与化工学院， 江西 南昌 330031
2 南昌大学鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，江西 南昌 330031
3 东南大学能源与环境学院，江苏 南京 210096
差分吸收光谱（DOAS）技术能够精确实时地监测烟气成分的浓度，是从源头上控制烟气污染物排放的有效手段。在DOAS系统中，光源强度变化是影响测量长期可靠性的重要因素。针对这一问题，提出一个新的光强免校准的DOAS反演算法。该算法利用邻域宽带截面对气体特征吸收的窄带截面进行归一化，从而获得不受光源强度变化影响的等效吸收强度参数αeq(λk)，通过比较该参数的测量值与标准截面的计算值，进而可以推算出气体浓度。与传统算法相比，该算法不需要进行多项式拟合、信号滤波等复杂计算，更便于硬件实现。搭建测量系统，用氮气与高浓度NO标气制备不同浓度NO，以NO测量数据为例，结果表明，NO的特征吸收峰只出现在195.5 nm（吸收峰1）、204.7 nm（吸收峰2）、214.8 nm（吸收峰3）、226.2 nm（吸收峰4）等4个位置，且该4个吸收峰的半高全宽均为1 nm左右。采用该算法，特征吸收峰4（226.2 nm）的线性回归决定系数R2达到了0.998 17，验证了新算法的可行性。
差分吸收光谱 反演算法 一氧化氮 免校准 differential absorption spectroscopy inversion algorithm nitric oxide calibration free
1 中国海洋大学信息科学与工程学部，山东 青岛 266100
2 青岛海洋科学与技术试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237
3 青岛海洋科学与技术试点国家实验室“观澜号”海洋科学卫星工程部，山东 青岛 266237
激光雷达能够提供高时空分辨率的大气风场数据，为了提高激光雷达在海上浮标等运动平台上的观测精度，开展了基于漂浮式测风激光雷达系统的海气边界层风场反演算法研究。利用自主研发的漂浮式测风激光雷达系统的观测数据，使用浮标平台姿态和径向速度校正方法、速度方位显示（VAD）风场反演方法，以及数据质量控制方法，提高风廓线反演结果的准确性。将同步观测实验结果与风廓线反演结果进行比对验证，结果表明水平风速和风向的比对误差分别为0.3 m/s和2.0°，决定系数分别为0.986和0.996，表明了漂浮式激光雷达风廓线反演算法的准确性。
海洋光学 激光雷达 浮标 风廓线 反演算法 质量控制 光学学报
2022, 42(24): 2401002
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院,安徽 合肥 230601
2 淮北师范大学污染物敏感材料与环境修复安徽省重点实验室,安徽 淮北 235003
3 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
4 中国科学院区域大气环境研究卓越创新中心,福建 厦门 361021
5 中国科学技术大学环境科学与光电技术学院,安徽 合肥 230025
HONO作为大气OH自由基的前体物和重要贡献源, 影响着大气中污染物的氧化降解, 控制着对流层大气的自净能力, 对灰霾和光化学烟雾形成起到重要作用, 同时受污染排放特征、 垂直传输和混合、 非均相反应和大气光氧化等影响, HONO具有明显的垂直分布特征, 因此探究大气中HONO的垂直分布特征对于了解大气灰霾和光化学污染的形成和控制都十分重要。 MAX-DOAS作为一种被动遥感技术, 能够快速有效地获取大气中污染物的立体分布特征。 采用MAX-DOAS仪器对合肥市科学岛2017年12月冬季大气HONO和NO2进行了立体探测, 通过基于最优估算的气溶胶和痕量气体廓线反演算法PriAM获取了两种气体的垂直分布特征。 研究结果表明, 在观测期间NO2在近地面10 m内体积混合比(VMR)和垂直柱浓度(VCD)的范围分别在0.51×1011~20.5×1011 molecules·cm-3和6.0×1015~5.5×1016 molecules·cm-2, 在垂直方向上其浓度主要集中在1 km内, 且在近地面浓度混合均匀。 HONO的VMR和VCD分别在0.03×1010~5.1×1010 molecules·cm-3和3.5×1014~7.0×1015 molecules·cm-2之间, 浓度高值出现在100 m内, 浓度随高度的升高而明显下降。 通过对HONO和NO2的对比发现, HONO/NO2比值在0.17%~16.0%(VMR)和1.0%~25.0%(VCD)之间, 表明研究期间HONO主要来自于NO2的转化。 对冬季一次典型污染过程(2017.12.26—2017.12.31)分析, HONO/NO2的比值大于5%, 且HONO的浓度值升高(大于0.26×1011 molecules·cm-3), 表明污染条件下NO2向HONO的转化作用变强。 结合风场信息研究发现, 污染期间研究区域的NO2和HONO浓度受到合肥市城区、 安徽北部和西北部地区传输的影响。
多轴差分吸收光谱 二氧化氮 气态亚硝酸 垂直分布 反演算法 Multi-Axis differential optical absorption spectroscopy NO2 HONO Vertical distribution Inversion algorithm 光谱学与光谱分析
2022, 42(7): 2039
1 中国科学院空天信息创新研究院, 遥感科学国家重点实验室, 北京 100010
2 中国科学院大学, 北京 100049
云是地球辐射收支、水循环和生物化学循环的主要调节者。自1960年人类第一颗气象卫星(TIROS)的发射起,被动卫星遥感已经发展成为获取云观测资料最高效的手段之一。被动卫星具有观测范围大、时间跨度久的特点,其中利用可见至红外波段(0.40~15 μm)的遥感成像仪相对高光谱成像仪、微波成像仪具有时空分辨率更高的观测优势。首先,针对极轨卫星多光谱成像仪、多角度偏振成像仪和新一代静止卫星成像仪三类载荷概述了被动卫星基于可见至红外波段的观测特点。然后,介绍了包括云检测、云相态、云顶参数、云光学和微物理参数的观测原理和应用方法。最后,通过总结和展望为被动卫星可见至红外资料的云特性遥感研究提供一些思考。
1 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通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
基于我国GF-5号卫星上大气温室气体监测仪(GMI)的遥感数据,开展中国区域的CO2反演实验,根据中国区域特征差异对CO2廓线样本进行统计,构建了适合中国区域特征、具有代表性的样本集,然后将统计反演得到的CO2廓线作为初始值代入物理反演方法当中,形成协同统计和物理方法的新算法。通过分析新算法的反演结果,得出协同反演算法在单独使用物理反演算法的基础上精度提高了47.7%,其反演结果与国际上同类型的卫星OCO-2提供的观测结果的相关性达到88.5%。
大气光学 大气温室气体监测仪 CO2 协同反演算法 光学学报
2021, 41(15): 1501002
浙江大学热能工程研究所能源清洁利用国家重点实验室，浙江 杭州 310027
针对标准/全场彩虹信号的反演处理，提出一种基于局部最小的通用性反演算法。该算法基于带修正系数的复角动量理论建立了带不等式约束的非线性最优化目标函数，并采用序列二次规划法对最优化目标函数进行迭代求解。反演前针对标准/全场彩虹信号进行不同的预处理，如去除高频结构、预估反演参数范围等。基于Lorentz-Mie理论对不同折射率和粒径分布（对数正态分布和正态分布）的液滴彩虹信号进行数值模拟，并对有/无粒径的预设分布进行反演，验证了该算法的有效性。结果表明：标准彩虹折射率反演最大绝对误差小于3×10-4，最大粒径相对误差为1.3%；各种工况下，全场彩虹反演折射率误差均小于1×10-4，平均粒径相对误差小于1.67%。最后对该算法进行了标准和全场彩虹实验数据的验证。
测量 彩虹折射技术 反演算法 非线性优化 折射率 粒径分布 激光与光电子学进展
2021, 58(5): 0529001
中间层与低热层区域(mesosphere and lower thermosphere, MLT)处于中性大气与电离层大气之间的过渡区域, 也是中高层大气中一个重要的耦合区域。 基于自主研发的中间层顶气辉光谱光度计(mesopause airglow spectral photometer, MASP), 对其探测转动温度的反演方法进行了详细研究。 MASP的整个探测系统包括光阑、 消色差双胶合透镜、 窄带干涉滤光片、 镜头、 制冷CCD探测器, 元件之间通过黑色氧化铝套筒连接, 利用金属支架和精密的卡环将套筒和CCD探测器固定在面包板上。 外壳具有良好的隔热性能, 并配有低功率半导体TEC空调, 保证恒温在(23±0.5) ℃。 MASP的视场角为±13.6°, 探测高度为94 km左右, 观测视角投影在该高度上的天顶方向的区域直径约为44 km, 探测目标为该区域内厚度约为3~6 km气辉层的平均温度。 基于仪器的光学原理、 气辉O2(0-1)带的光谱特征以及标定后各项仪器参数, 构建了正演模型, 并从正演图像中计算出了合成光谱。 给出了反演算法的详细流程, 包括暗噪声、 宇宙射线、 月光图像和连续光谱背景杂散光的剔除方法, 同时提供了实际观测合成光谱的计算方法, 温度反演流程及其误差的评估。 2018年9月开始在南京信息工程大学观测场平台进行连续观测, 目前已经获得多组高质量的数据。 文中的观测实例展示了2次完整夜间的观测个例, 以及2018年10月间13组有效数据的平均值, 其整体变化趋势显示观测温度分布在170~220 K之间, 误差范围在±1.8~±4.3 K之间。 通过与MSISE00经验模型的数据进行对比, 温度趋势具有良好的一致性, 从而验证了反演方法的有效性和准确性。 MASP结构紧凑, 性能稳定, 后期易于维护, 适用于多台站组网观测。
光谱光度计 转动温度 气辉 反演 Spectrum photometer Rotational temperature Airglow Inversion algorithm 光谱学与光谱分析
2020, 40(10): 3002
