基于SCIATRAN的中高层OH自由基正演模型构建及反演算法研究

发布时间：2020-07-24 01:40

【摘要】：近年来,人类向大气中排放越来越多的污染气体,这些排放物极大地改变了大气痕量气体的浓度廓线结构,进而导致一系列全球性气候问题。OH自由基是大气中最重要的氧化剂之一,在地球大气光化学反应中起核心作用。而中高层大气是航天器的主要活动区域,同时也是全球气候变化甚至地表环境变化的重要响应,因此,研究中高层OH自由基对于了解全球气候环境变化规律、提高中高层动量与能量运输过程的认识、保障航天器飞行安全具有重要的意义。目前中科院安徽光机所正在开展基于空间外差光谱技术的“中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪”的预先研究,在该项目的支持下,开展了正演及反演模型的构建工作,从而为该仪器相关参量设计与优化提供定量化的理论支撑。OH自由基受太阳能量激发后会在309nm附近产生荧光能量,通过建立荧光能量与浓度的关系从而获取OH自由基的浓度信息。中高层大气OH自由基甚高光谱探测仪采用两个扫描方向相互正交的空间外差光谱仪(Spatial Heterodyne Spectroscopy,SHS)进行临边探测,即在传统沿轨维临边扫描的基础上增加一个穿轨维的临边扫描,所以首先构建单个光谱仪沿轨临边扫描情况下的正演与反演模型。研究过程中发现计算时使用的SCIATRAN辐射传输模型无法满足正演模型构建的要求,因此基于辐射传输理论对其进行了改进,包括基于构建的OH发射光谱数据库,在辐射传输的源函数中增加了OH发射能量的计算;应用Aura星上MLS(Microwave Limb Sounder)传感器2005-2009年的OH全球浓度数据产品构建OH浓度时空数据库,作为辐射传输的输入参量。利用改进的SCIATRAN基于光干涉理论仿真了全球范围内空间外差光谱仪的临边探测结果,该结果与国际上其他卫星实测结果保持一致的空间趋势,均在40km附近存在峰值,且随着高度的增加,观测能量迅速减小。选取单一位置的仿真图像,定量分析了结果的不确定度以及对于几何条件的敏感性。由于目前暂无传感器在轨观测数据,因此将全球模拟结果作为观测值构建反演模型。结合辐射传输模型和不同时空条件下的OH浓度数据获取辐亮度阈值以识别中间层云,计算了传感器获取的临边散射辐射中的背景能量,从而提取出OH荧光发射能量。利用该能量进行反演,提高了反演数据对于OH浓度的敏感性。结合SCIATRAN辐射传输模型和LSUV迭代算法反演了OH浓度廓线。讨论了反演过程中的误差因素,并计算了各误差因素对于反演结果的定量影响。结果表明中间层大气OH浓度反演结果误差在15%-20%,而平流层底部的OH浓度反演结果误差随着高度降低迅速增加,达到了500%级别,所以该区域反演数据不可信,这与国际上其他OH自由基探测器的反演结论一致。在单SHS光谱仪正演与反演模型的基础上,讨论了双正交SHS光谱仪的仪器结构与探测方式,证明了对于两个扫描方向相互正交的光谱仪,通过多时刻综合多角度探测的方式可以实现目标大气的三维探测,并给出了光谱仪的全球观测结果。根据OH浓度的时空变化特点和三维层析探测理论,构建了三维层析数据库,即基于“纬度、经度、时间日期、OH浓度、太阳天顶角、相对方位角”等六维参量的查找表,利用查找表法反演了OH浓度,由于该方法避免了先验约束,因此较迭代反演方法不仅在速度上有明显提升,同时显著提高了平流层OH浓度反演结果的误差,仅为10%级别。本文针对中高层大气OH自由基探测仪构建了正演与反演模型,并定量分析了卫星观测过程中的误差因素,从而为传感器系统参数的优化、数据的获取提供方案,以及为遥感器的应用提供数据支撑。在卫星入轨后的正常运行阶段,还能够为遥感数据的处理、应用提供技术支持,这些对于该传感器的优化、校正、检测、应用与发展有重要作用。
【学位授予单位】：安徽师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P412.2
【图文】：

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基于SCIATRAN的中高层OH自由基正演模型构建及反演算法研究

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吸收谱线,外插,运动部件,光谱仪

不同温度下的 OH 吸收谱线（真空中）.20 OH absorption spectrum in different tempreture(in vacu量仿真光谱技术综合光栅和 FTS 技术特点，具有无运动部件等优点；同时由于无运动部件，它还具有集成度高、0.00.00.51.0308.0 308.5 309.0 309.5 310.00.00.51.0240K260KormNlizedanitsUWavelength (nm)

【参考文献】