直射太阳光红外吸收光谱技术遥测大气中二氧化碳柱浓度-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 12 (2013) 124206 直射太阳光红外吸收光谱技术遥测大气中 二氧化碳柱浓度* † 程巳阳 徐亮 高闽光 金岭 李胜 冯书香 刘建国 刘文清 ( 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, 合肥 230031 ) ( 2012年11月27 日收到; 2013年2月25 日收到修改稿) 大气中二氧化碳浓度持续增高导致环境和气候变化等问题成为人们关注的焦点. 为了实时遥测二氧化碳气体 柱浓度, 研究了一种地基低分辨遥测系统和实时光谱数据反演分析方法. 利用该系统在合肥地区进行了连续观测, 从太阳吸收光谱中实时获取了整层大气透过率. 采用逐线积分非线性最小二乘光谱反演算法, 从整层大气透过率中 反演了二氧化碳柱浓度和氧气柱浓度, 并以氧气柱浓度为内标函数获得了二氧化碳干空气柱体积混合比, 精密度优 于3%. 将2012 年9 月25 日12 时到15 时本系统测量的二氧化碳干空气柱体积混合比均值与此时段过境本站点区 域的日本温室气体卫星观测结果进行了比较, 两者偏差小于 1%. 可见, 该系统和方法具有很高的精密度和准确度, 是一种有效的温室气体观测手段. 关键词: 红外吸收光谱技术, 遥测, 二氧化碳, 柱浓度 PACS: 42.68.Ca, 93.85.Bc, 92.60.Sz, 92.70.Mn DOI: 10.7498/aps.62.124206 以获得全球CO2 浓度时间和空间分布, 能够为CO2 1 引言 源和汇的分析提供准确测量数据 7−12 . 为了补充 和校准卫星数据, 采用地基太阳吸收红外光谱仪遥 由于森林转变成耕地、矿物燃料大量燃烧等 测CO2 柱浓度的总碳柱观测网络(TCCON) 被广泛 12 1314 造成大气中二氧化碳(CO ) 含量持续增高 , 由 2 应用 . 与原位测量方式相比, 这种方法保留了 此导致的环境和气候变化问题引起了人们的广泛 CO2 垂直输送信息. TCCON 采用高分辨傅里叶红 关注. 当前的CO2 浓度值远远超过工业革命前的浓 外光谱仪, 具有很高的光通量, CO2 干空气柱体积 度值, 这表明CO2 浓度值的增长并不是来自自然排 混合比(XCO2 ) 精度优于0.25%. TCCON 仪器庞大, 13 放, 而是受到人为因素的极大影响 . 需要一个特定实验室, 而低分辨仪器所占用的空 自从20 世纪70 年代以来, 在世界范围内超 间较小, 操作方便, 特别适合短期观测任务. 同时低 过 100 个站点组织起来, 形成网络原位监测温室气 分辨仪器除了能够提供XCO2 观测结果, 还可以为 45 体 . 目前, 全球传输模型使用原位测量结果分 TCCON 与卫星测量结果(低分辨) 的差异分析提供 析、估计、预测CO2 浓度和区域交换因子. 这种 参考1516 . 在国内, 关于采用地基低分辨傅里叶红 原位测量能够提供长期监测结果, 具有很高的精确 外光谱技术实时遥测温室气体的报道很少见. 度, 但是空间覆盖范围有限, 临近源和汇, 增大了传 实时测量大气透过率光谱对于遥感仪器通道 输模型误差, 如垂直输送误差. 近来, 由地基、机