基于WFM-DOAS温室气体柱浓度反演方法及应用研究
发布时间：2021-02-04 16:29
二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）是重要的温室气体,其监测与控制已经成为各国广泛关注的热点问题。为了能够有效地控制温室气体排放,需要了解其来源和分布,需要对各类排放源的排放加以监测。光学和光谱学遥测技术以其多组分检测、连续实时的特点成为大气成分监测的发展方向和技术主流。以太阳散射光作为光源的被动差分吸收光谱技术（DOAS）通过测量天空太阳散射光来获取大气中痕量气体的垂直柱浓度和空间分布信息,已成功地应用到大气层（对流层、平流层）污染气体的观测。基于权重函数修正的DOAS技术（WFM-DOAS）是在被动DOAS基础上的一种拓展应用,通过修正短波红外波段气体吸收截面对温度压力敏感的问题,将其应用于温室气体的测量。本论文开展了基于WFM-DOAS技术的温室气体遥测算法、遥测系统、点源及区域分布排放获取的研究,为温室气体遥测技术提供了新思路。1.开展了基于大气辐射传输模型的温室气体反演精度及灵敏度研究。首次结合中国大气特征、地形地貌等特点建立了特定场景下的目标气体权重函数曲线,利用大气辐射传输模型研究了不同高度大气层温度和压强变化对气体吸收的影响,优化了模型输入参数,提高了权重函数曲线的计算精...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１不同类型的不确定因子的相对重要性及其随时间的演变规律
温室效应带来的一系列问题，如全球变暖ｍ、病虫害［２］、海平面上升［３］、气候??异常Ｗ等环境问题，农业产量下降［５］、海洋鱼类种类的减少［６］等经济问题，己得到??全球的广泛关注。如图１．１所示，从Ｉ９６０年到２０１８年间大气温度平均升高了??〇．５°Ｃ，通过模型预测在２１００年，温度可能会上升２．５°Ｃ，温度增长不确定性主??要来自排放估算的不确定性（绿色表示的区域），大量温室气体的排放是全球变??暖的主要驱动力。由图１．２可以看出，大气辐射强迫高贡献因子主要有二氧化碳??（Ｃ０２）、甲烷（ＣＨ４）、水汽（Ｈ２０）。??｜?Ｄｅｃａｄａｌ?ｍｅａｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ａｎｏｍａｌｉｅｓ?Ａ?＾?＊?（ｂ）??一?４??Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ?ｇ?３?５??ｔｉ?画匾丨?Ｎａｔｕｒａｌ?ｖａｒｉａｂｉＵｔｙ?＾?３??Ｓｔ?Ｗ?Ｃｌｉｍａｔｅ?ｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?｜２?Ｓ??ｍ?■■■?Ｅｍｉｓｓｉｏｎ?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?｜．?２??？?３｜＞?ＥＳＺＨ?Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ?ＧＣＭ?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?＇?＊１?＊??Ａｌｌ?９〇ｖ〇?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?ｒａｎｇｅｓ?奁。ｓ??＾?＾?１Ｍ０?１Ｍ０?２００３?２０２０?２０４０?２〇？〇?Ｋ＞Ｍ?２１００??Ｉ：；??Ｉ９６０?１９８０?２０００?２０２０?２０４０?２０６０?２０８０?２１００?§?．ｔｗｏ?ｉ＿〇?？〇〇?？ａ〇?？４〇?？？〇？〇？〇?ａ，〇〇??
最新研究发现，全球排放估计在２００３￣２０１２年间为５５９?［５４０￣５６８］ＴｇＣＨ４．ｙｆ??热带来源，包括自然和人为来源，占全球总排放量的三分之二，并以湿地??排放为主，如图１．３。大约三分之二的全球排放也归因于人类活动，包括来自中??纬度地区和热带地区的人类活动，例如，农业和废弃物，见图１．３。??ＣＨ４来源可分为人为源和自然源。自然源的甲烷主要是空间延伸的湿地约??１００（９２？２３２）ＴｇＣＨ４ｙｒ＿、地质局部来源约?１９?（１２．４？４８．２）?ＴｇＣＩ＾ｙｒ１，如渗漏和??泥火山，以及越来越不稳定的甲烷水合物。后者随着全球变暖会一步加强ｔ３２］。全??球ＣＨ４预算的５０％至６５％可归因于人为排放［３３］。垃圾填埋场等人为来源约６１??（４０？１００）?ＴｇＣＴＵｙｆ１，水稻农业约６０?（２５？９０）?ＴｇＣ＾ｙｒ－１，生物量燃烧约５０??（２７￣８０）?ＴｇＯｆｔｔｙｒ１，反刍动物约８１?（６５￣１００）?ＴｇＣＩ＾ｙｒ－１，以及由于本地化石??燃料的生产释放的ＣＨ４约１０６?（４６？１７４）?ＴｇＣｍｙｒ－＾。总而言之，自然和人为??的局部来源占每年甲烷排放总量的约４０％?（４１０？６６０）?ＴｇＣＨ４［３２］，仅垃圾填埋场??占年度排放总量的１２％以上。??｜：??Ｉ?：■?Ｕ．．?％??．ｕ?Ｐ?／??图１．３十四个大陆区域和五个排放类别的甲烷年排放量（２００３－２０１２／Ｔｇｙｒ－ｌ）。该估??计值是Ｓａｕｎｏｉｓ等人Ｍ描述的自上而下反演模型集合的平均值??１．１．３大气中的水汽??水汽是最重要的自然温室气体
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO和CH4实时检测系统设计[J]. 李明星,刘建国,阚瑞峰,姚路,袁松,戴云海,魏敏,许振宇,阮俊. 光学学报. 2015(04)
[2]利用可调谐半导体激光吸收光谱法同时在线监测多组分气体浓度[J]. 张志荣,夏滑,董凤忠,庞涛,吴边. 光学精密工程. 2013(11)
[3]数字滤波方法在TDLAS逃逸氨检测中的选用[J]. 邹得宝,陈文亮,杜振辉,贾浩,齐汝宾,李红莲,甄杨,侯艳霞,徐可欣. 光谱学与光谱分析. 2012(09)
[4]长期不同施肥下太湖地区稻田净温室效应和温室气体排放强度的变化[J]. 刘晓雨,李志鹏,潘根兴,李恋卿. 农业环境科学学报. 2011(09)
[5]用于燃气温度测量的单激光器吸收光谱系统设计[J]. 杨斌,何国强,刘佩进,齐宗满. 传感技术学报. 2011(05)
[6]基于可调谐二极管激光吸收光谱分析技术的燃烧烟气组分浓度和温度的测量分析[J]. 徐星星,余岳峰,吴昊. 锅炉技术. 2010(03)
[7]基于激光吸收光谱开放式长光程的空气中甲烷在线监测及分析[J]. 夏慧,刘文清,张玉钧,阚瑞峰,崔益本,王敏,何莹,崔小娟,阮俊,耿辉. 光学学报. 2009(06)
[8]基于激光吸收光谱开放式大气CO2的在线监测[J]. 何莹,张玉钧,阚瑞峰,夏慧,耿辉,阮俊,王敏,崔小娟,刘文清. 光谱学与光谱分析. 2009(01)
[9]可调谐半导体激光吸收光谱法监测燃烧过程中CO浓度的变化[J]. 夏慧,刘文清,张玉钧,阚瑞峰,陈东,崔益本,何莹,陈玖英,王敏,王铁栋. 光谱学与光谱分析. 2008(11)
[10]基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究[J]. 何莹,张玉钧,阚瑞峰,夏慧,王敏,崔小娟,陈玖英,陈东,刘文清,刘建国. 光谱学与光谱分析. 2008(10)
博士论文
[1]近红外光谱吸收式气体检测系统的研究[D]. 李彬.吉林大学 2016
[2]调谐二极管激光吸收光谱中的若干关键技术研究[D]. 高楠.天津大学 2012
[3]基于可调谐激光光谱的矿井瓦斯气体传感系统的研究[D]. 邓广福.吉林大学 2008
本文编号：3018604
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：126 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１不同类型的不确定因子的相对重要性及其随时间的演变规律
温室效应带来的一系列问题，如全球变暖ｍ、病虫害［２］、海平面上升［３］、气候??异常Ｗ等环境问题，农业产量下降［５］、海洋鱼类种类的减少［６］等经济问题，己得到??全球的广泛关注。如图１．１所示，从Ｉ９６０年到２０１８年间大气温度平均升高了??〇．５°Ｃ，通过模型预测在２１００年，温度可能会上升２．５°Ｃ，温度增长不确定性主??要来自排放估算的不确定性（绿色表示的区域），大量温室气体的排放是全球变??暖的主要驱动力。由图１．２可以看出，大气辐射强迫高贡献因子主要有二氧化碳??（Ｃ０２）、甲烷（ＣＨ４）、水汽（Ｈ２０）。??｜?Ｄｅｃａｄａｌ?ｍｅａｎ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ａｎｏｍａｌｉｅｓ?Ａ?＾?＊?（ｂ）??一?４??Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ?ｇ?３?５??ｔｉ?画匾丨?Ｎａｔｕｒａｌ?ｖａｒｉａｂｉＵｔｙ?＾?３??Ｓｔ?Ｗ?Ｃｌｉｍａｔｅ?ｒｅｓｐｏｎｓｅ?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?｜２?Ｓ??ｍ?■■■?Ｅｍｉｓｓｉｏｎ?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?｜．?２??？?３｜＞?ＥＳＺＨ?Ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ?ＧＣＭ?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?＇?＊１?＊??Ａｌｌ?９〇ｖ〇?ｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙ?ｒａｎｇｅｓ?奁。ｓ??＾?＾?１Ｍ０?１Ｍ０?２００３?２０２０?２０４０?２〇？〇?Ｋ＞Ｍ?２１００??Ｉ：；??Ｉ９６０?１９８０?２０００?２０２０?２０４０?２０６０?２０８０?２１００?§?．ｔｗｏ?ｉ＿〇?？〇〇?？ａ〇?？４〇?？？〇？〇？〇?ａ，〇〇??
最新研究发现，全球排放估计在２００３￣２０１２年间为５５９?［５４０￣５６８］ＴｇＣＨ４．ｙｆ??热带来源，包括自然和人为来源，占全球总排放量的三分之二，并以湿地??排放为主，如图１．３。大约三分之二的全球排放也归因于人类活动，包括来自中??纬度地区和热带地区的人类活动，例如，农业和废弃物，见图１．３。??ＣＨ４来源可分为人为源和自然源。自然源的甲烷主要是空间延伸的湿地约??１００（９２？２３２）ＴｇＣＨ４ｙｒ＿、地质局部来源约?１９?（１２．４？４８．２）?ＴｇＣＩ＾ｙｒ１，如渗漏和??泥火山，以及越来越不稳定的甲烷水合物。后者随着全球变暖会一步加强ｔ３２］。全??球ＣＨ４预算的５０％至６５％可归因于人为排放［３３］。垃圾填埋场等人为来源约６１??（４０？１００）?ＴｇＣＴＵｙｆ１，水稻农业约６０?（２５？９０）?ＴｇＣ＾ｙｒ－１，生物量燃烧约５０??（２７￣８０）?ＴｇＯｆｔｔｙｒ１，反刍动物约８１?（６５￣１００）?ＴｇＣＩ＾ｙｒ－１，以及由于本地化石??燃料的生产释放的ＣＨ４约１０６?（４６？１７４）?ＴｇＣｍｙｒ－＾。总而言之，自然和人为??的局部来源占每年甲烷排放总量的约４０％?（４１０？６６０）?ＴｇＣＨ４［３２］，仅垃圾填埋场??占年度排放总量的１２％以上。??｜：??Ｉ?：■?Ｕ．．?％??．ｕ?Ｐ?／??图１．３十四个大陆区域和五个排放类别的甲烷年排放量（２００３－２０１２／Ｔｇｙｒ－ｌ）。该估??计值是Ｓａｕｎｏｉｓ等人Ｍ描述的自上而下反演模型集合的平均值??１．１．３大气中的水汽??水汽是最重要的自然温室气体
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于可调谐半导体激光吸收光谱的CO和CH4实时检测系统设计[J]. 李明星,刘建国,阚瑞峰,姚路,袁松,戴云海,魏敏,许振宇,阮俊. 光学学报. 2015(04)
[2]利用可调谐半导体激光吸收光谱法同时在线监测多组分气体浓度[J]. 张志荣,夏滑,董凤忠,庞涛,吴边. 光学精密工程. 2013(11)
[3]数字滤波方法在TDLAS逃逸氨检测中的选用[J]. 邹得宝,陈文亮,杜振辉,贾浩,齐汝宾,李红莲,甄杨,侯艳霞,徐可欣. 光谱学与光谱分析. 2012(09)
[4]长期不同施肥下太湖地区稻田净温室效应和温室气体排放强度的变化[J]. 刘晓雨,李志鹏,潘根兴,李恋卿. 农业环境科学学报. 2011(09)
[5]用于燃气温度测量的单激光器吸收光谱系统设计[J]. 杨斌,何国强,刘佩进,齐宗满. 传感技术学报. 2011(05)
[6]基于可调谐二极管激光吸收光谱分析技术的燃烧烟气组分浓度和温度的测量分析[J]. 徐星星,余岳峰,吴昊. 锅炉技术. 2010(03)
[7]基于激光吸收光谱开放式长光程的空气中甲烷在线监测及分析[J]. 夏慧,刘文清,张玉钧,阚瑞峰,崔益本,王敏,何莹,崔小娟,阮俊,耿辉. 光学学报. 2009(06)
[8]基于激光吸收光谱开放式大气CO2的在线监测[J]. 何莹,张玉钧,阚瑞峰,夏慧,耿辉,阮俊,王敏,崔小娟,刘文清. 光谱学与光谱分析. 2009(01)
[9]可调谐半导体激光吸收光谱法监测燃烧过程中CO浓度的变化[J]. 夏慧,刘文清,张玉钧,阚瑞峰,陈东,崔益本,何莹,陈玖英,王敏,王铁栋. 光谱学与光谱分析. 2008(11)
[10]基于激光吸收光谱乙炔在线监测技术的研究[J]. 何莹,张玉钧,阚瑞峰,夏慧,王敏,崔小娟,陈玖英,陈东,刘文清,刘建国. 光谱学与光谱分析. 2008(10)
博士论文
[1]近红外光谱吸收式气体检测系统的研究[D]. 李彬.吉林大学 2016
[2]调谐二极管激光吸收光谱中的若干关键技术研究[D]. 高楠.天津大学 2012
[3]基于可调谐激光光谱的矿井瓦斯气体传感系统的研究[D]. 邓广福.吉林大学 2008
本文编号：3018604
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