基于高分辨率紅外光譜的大氣co

基于高分辨率紅外光譜的大氣co

1對大氣co探測的基礎(chǔ)和最佳方法作為重要的溫室氣體，二氧化碳（co）對氣候的影響越來越受到關(guān)注。但是,目前人類還不能準確掌握全球范圍內(nèi)CO2源匯變化及其與氣候的準確關(guān)系,這極大的限制了人類對全球氣候系統(tǒng)變化的理解和預(yù)測。因此,對大氣中CO2濃度變化的有效監(jiān)測,具有重要的意義。目前,大氣CO2濃度主要是通過地面監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)獲得的,但該方法成本較高且空間分辨率極為有限,尤其在廣大的極區(qū)、沙漠、高山等地區(qū),資料十分匱乏,導(dǎo)致其觀測結(jié)果的應(yīng)用具有很大的局限性。因此,近年來美國、日本、歐洲等發(fā)達國家和地區(qū)都在積極的發(fā)展可以全球覆蓋的天基CO2探測技術(shù)。使用衛(wèi)星平臺進行大氣CO2觀測的難點主要在于探測精度上,因為大氣CO2的濃度及其梯度都較低,只有達到較高的探測精度,其結(jié)果才具有應(yīng)用價值。分子吸收光譜學理論表明,光譜分辨率越高,對大氣中CO2的濃度變化越敏感。因此新發(fā)展起來的天基CO2探測器都具有較高的光譜分辨率,如日本的GOSAT和美國的OCO,其CO2波段的光譜分辨率均達到0.2cm-1,以保證較高的探測精度。如何有效提高CO2探測器的光譜分辨率,是發(fā)展CO2衛(wèi)星探測技術(shù)的關(guān)鍵。探測器光譜分辨率的提高通常會對儀器設(shè)計帶來一些困難,因此,如何在保證儀器其它性能的基礎(chǔ)上提高光譜分辨率,是發(fā)展星載CO2探測器的一個難點。目前,國際上主要的星載CO2探測載荷GOSAT和OCO分別采用時間干涉和色散的方式獲取高分辨率光譜數(shù)據(jù),相比這兩種方式,采用空間外差光譜技術(shù)(SHS)的儀器具有光通量大,結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件的優(yōu)點,尤其是該技術(shù)可以在限定的光譜范圍內(nèi)達到很高的光譜分辨率和信噪比,非常適合衛(wèi)星平臺搭載。根據(jù)模擬計算結(jié)果,提出了探測器波段的選擇依據(jù)和應(yīng)有的靈敏度指標,并在完成樣機的基礎(chǔ)上,通過模擬實驗檢驗和驗證了這種技術(shù)在天基大氣CO2濃度探測上能力。2大氣成分的測量精度大氣中的CO2屬于痕量氣體,其體積分數(shù)約為3.8×10-4,且變化幅度較小,因陸地面積和植被量造成的季節(jié)性波動從北半球的(12～22)×10-6遞減到南半球的(1～2)×10-6。P.J.Rayner和D.M.O′Brien的研究表明,對于天基探測而言,只有達到1%(約4×10-6)的探測精度,數(shù)據(jù)才能夠有效的用于CO2源匯分析,從而服務(wù)于對全球氣候的分析與預(yù)測。大氣成分的探測精度是與光譜分辨率密切相關(guān)的,研究表明,精確反演大氣微量氣體成分需要在超高分辨率條件下進行大氣光譜觀測,測量到的透射光譜分辨率越高,得到的氣體吸收結(jié)構(gòu)越精細,對路徑上的吸收氣體濃度也就越靈敏。為此我們使用輻射傳輸模式,對不同波段、不同分辨率的大氣頂出射光譜進行了模擬,作為SHS探測器設(shè)計中波段和分辨率等重要參數(shù)的選擇依據(jù)。2.1大氣co吸收特性分析大氣CO2的吸收帶主要有15,4.3,2.7和2μm帶,如圖1所示。其中15,4.3和2μm帶都屬于強吸收帶,易飽和且受水汽吸收影響較大。熱紅外區(qū)的15μm波段接近地氣系統(tǒng)長波輻射的峰值位置,大氣CO2在該波段的吸收是造成溫室效應(yīng)的主要原因。雖然可以利用該波段獲得不同高度上的熱輻射信息,進而反演出CO2廓線,但因為邊界層大氣溫度和地表溫度比較接近,導(dǎo)致該波段難以準確區(qū)分地表熱輻射和邊界層大氣熱輻射,從而反演出CO2濃度廓線在邊界層精度非常有限。而大氣CO2及其梯度變化主要集中在邊界層,因此15μm帶無法用于精確探測大氣CO2濃度及其梯度變化。為了尋找適合高精度CO2濃度探測的波段,需要準確分析各個CO2吸收帶的影響因子。利用輻射傳輸模型MODTRAN,選擇1976年美國標準大氣,在太陽天頂角為0°條件下,計算各波段的透射率影響因子,如圖2所示。從圖中可以看出,4.3μm的CO2吸收十分強烈,幾乎完全飽和;而2.7μm,2.0μm波段受到水汽吸收的強烈影響,不利于高精度CO2探測。相比較之下,由CO2分子振動-轉(zhuǎn)動形成的1.6μm帶受其它氣體影響較小,相對“干凈”,并且該波段為一弱吸收帶,不易飽和,如圖2(d)所示,在精確探測CO2體積分數(shù)上具有明顯的優(yōu)勢。1.6μm波段又可細分為1.58μm和1.61μm兩個相似的子波段,OCO采用了其中的1.61μm波段進行探測,而GOSAT同時采用了1.58μm和1.61μm波段。選取該波段進行探測可以大大減小干擾氣體帶來的影響,而且,大氣CO2在該波段的吸收強度和濃度近似呈線性關(guān)系,有利于精確獲得柱濃度值。但因為該波段是弱吸收帶,要利用它探測大氣CO2柱濃度的微弱變化,必須保證探測儀器具有足夠高的光譜分辨率。2.2柱體積分數(shù)分區(qū)的靈敏度及分辨率從原理上來說,光譜分辨率越高,對大氣中CO2的濃度變化越敏感,越有利于CO2反演精度的提高,然而在工程上,光譜分辨率的提高會增加儀器設(shè)計實現(xiàn)難度,甚至是難以滿足的,因此需要探詢合理的光譜分辨率。為此,進行了進一步的模擬,這里以CO2的1.58μm波段為例,假設(shè)太陽天頂角30°,觀測點海拔高度為0,地面反射率0.3,以1976年美國標準大氣為模型,調(diào)整CO2積分柱體積分數(shù)為3.8×10-4,使用高分辨率的逐線積分模式LBLRTM模擬計算了該波段的大氣頂(TOA)出射光譜R1,并將其用高斯窗函數(shù)卷積到0.25,0.5,0.75,1.0和1.25cm-1五個不同的分辨率,如圖3所示。可見,在同一體積分數(shù)下,光譜分辨率越高,吸收峰越明顯,隨著光譜分辨率的降低,吸收峰特征逐漸減弱,光譜吸收結(jié)構(gòu)的細節(jié)將逐漸丟失。在保持其它參數(shù)不變的情況下,當模式大氣中的CO2積分柱體積分數(shù)增加到3.81×10-4,重新計算模擬光譜R2,將R1-R2,得到1×10-6CO2柱體積分數(shù)變化造成的TOA出射光譜亮度變化,如圖4(a)所示,1×10-6體積分數(shù)差異造成的亮度變化是比較微弱的。將圖4(a)中數(shù)據(jù)除以3.8×10-4體積分數(shù)時的TOA出射光譜,即(R1-R2)/R1,得到該亮度變化占原TOA出射光譜亮度值的比例,如圖4(b)所示?？梢钥闯?如果大氣中的CO2混合比增加1×10-6,在分辨率0.25cm-1時,TOA出射光譜的亮度變化比例約為0.08%;當分辨率降低到1.25cm-1時,1×10-6體積分數(shù)變化造成的出射光譜亮度變化減小到約0.02%。表1給出了不同分辨率條件下,TOA出射光譜對CO2體積分數(shù)變化的靈敏度,以及探測1%(4×10-6)CO2柱體積分數(shù)變化所需要的信噪比。從表1中列出的計算結(jié)果可以看出,TOA出射光譜對CO2體積分數(shù)變化的靈敏程度與光譜分辨率成正比。理論上,獲得的TOA出射光譜分辨率越高,越容易探測到微弱的大氣CO2體積分數(shù)變化。另外,在分辨率和靈敏度一定的條件下,觀測到的吸收峰增多,也可以減小探測誤差,提高信噪比。例如,當光譜分辨率0.25cm-1時,1×10-6的大氣CO2柱體積分數(shù)變化,對單個吸收峰僅造成0.079%的亮度變化,那么探測1%柱體積分數(shù)變化4×10-6時需要的信噪比高達約316。但如果可用吸收峰為10個,則對于1%的柱體積分數(shù)探測目標而言,信噪比可以降低到約100。根據(jù)上述分析結(jié)果,在增加儀器光譜分辨率以提高探測靈敏度的同時,還應(yīng)該保證波段內(nèi)具有足夠多的吸收峰。但是,由于SHS儀器的光譜范圍大小受探測器采樣精度的限制,過高的光譜分辨率會導(dǎo)致SHS儀器帶寬變窄。而1.58μm波段的CO2吸收線間隔較大,帶寬變窄會使得波段內(nèi)可用吸收峰數(shù)目減少,不利于高精度探測。根據(jù)J.Harlander等的研究,SHS的光譜范圍與分辨率有如下關(guān)系Δσ=N?δσ/2,Δσ=Ν?δσ/2,式中Δσ為儀器光譜范圍,N為探測器像元數(shù),δσ為SHS儀器的光譜分辨率。例如,當CCD陣列尺寸為256×320時,對于上述五個分辨率,可實現(xiàn)的帶寬如表2所示。由(1)式和表2可見,對于一定的探測器采樣精度,儀器帶寬會隨光譜分辨率的提高而縮短。另外,由于儀器濾光片的高斯響應(yīng)特征,光譜范圍兩端的響應(yīng)相對較差,有效數(shù)據(jù)為整個帶寬中部響應(yīng)較好的部分(約占整個光譜范圍的50%),這也進一步縮短了光譜范圍。由此可見,雖然上述不同分辨率的模擬結(jié)果表明0.25cm-1時儀器對CO2吸收最為靈敏,但對SHS樣機而言,該分辨率下的儀器有效帶寬只有約20cm-1,在1.58μm波段的可用吸收峰數(shù)目僅有10個左右。而0.75,1.00和1.25cm-1的分辨率對大氣CO2體積分數(shù)變化的靈敏度較低,需要儀器具有較高的信噪比,這將給儀器設(shè)計帶來一定困難。相比之下,選擇0.5cm-1的分辨率既可以保證儀器樣機擁有足夠高的靈敏度,也可以使可用吸收峰增加到20個左右,有助于進一步提高信噪比。綜合考慮,選擇0.5cm-1的分辨率既可以獲得足夠的靈敏度,也兼顧了帶寬,能減小設(shè)計上的難度,更易于實現(xiàn)。3衍射光柵涉技術(shù)空間外差光譜技術(shù)(SHS)的概念最早提出在20世紀70年代,它綜合了衍射光柵及空間調(diào)制干涉技術(shù)于一體,采用了兩塊衍射光柵代替邁克耳孫干涉儀中的兩個平面反射鏡,通過調(diào)整衍射光柵的角度實現(xiàn)不同波長的零頻干涉。該方法比傳統(tǒng)的掃描傅里葉變換光譜儀(FTS)更容易實現(xiàn)高分辨率測量。3.1干涉圖成像系統(tǒng)SHS的光學系統(tǒng)原理如圖5所示。系統(tǒng)中利用兩個衍射光柵代替了傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀中的兩個平面反射鏡。光束從光闌A進入,經(jīng)準直鏡L1后入射到分束器上分為等強度的兩束相干光,并分別達到衍射光柵G1,G2。經(jīng)衍射光柵返回的兩束光再通過分束器后發(fā)生干涉產(chǎn)生干涉條紋,并由光學系統(tǒng)L2,L3成像于探測器上。SHS的主要特點有:1)無運動部件,可靠性強;2)比傳統(tǒng)的FTS更容易獲得高光譜分辨率;3)光通量大。其光通量比色散型光譜儀大幾百倍,且不影響分辨率;4)可以同時采集不同位置的干涉圖信息,避免了邁克耳孫干涉儀動鏡移動過程中造成的信號不一致性;5)集成度高、體積小、重量輕和功耗小。3.2mg燈分辨率的確定依據(jù)前述模擬計算所提出的儀器指標,設(shè)計實現(xiàn)了空間外差CO2探測儀樣機。為驗證樣機性能,對其進行了實驗室Mg燈和室外太陽光譜的觀測實驗。圖6是近紅外1.58μm波段的Mg燈觀測結(jié)果。根據(jù)NIST分子光譜數(shù)據(jù)庫提供的資料,右圖變換光譜中的三個峰,分別對應(yīng)了Mg燈在6352.955,6349.614和6342.828cm-1的三根發(fā)射線,由此可以確定系統(tǒng)的光譜范圍約為63.32個波數(shù)(6310.3245cm-1-6373.3443cm-1)。對Mg燈單線形成的峰進行測量,獲得其半峰全寬(FWHM)即為儀器分辨率,由此確定儀器的實際分辨率為0.48cm-1(約0.12nm),如圖7所示。受加工精度的影響,該分辨率比前文提出的0.5cm-1略高,這不會對前述靈敏度分析結(jié)果有太大影響。通過晴朗天氣條件下的室外觀測實驗,可以獲得經(jīng)過大氣CO2吸收的透射太陽光譜。使用SHS樣機對2010年1月29日14∶00的合肥地區(qū)地面太陽光譜進行了測量,其結(jié)果如圖8所示,從右側(cè)的變換光譜中可以清楚的觀察到由CO2吸收所形成的特征吸收峰,這證明SHS樣機對大氣CO2吸收非常敏感。4基于ncep-rot-cs的大氣模擬計算驗證現(xiàn)有的輻射傳輸模式,如FASCODE,LBLRTM等,可以根據(jù)HITRAN分子吸收線數(shù)據(jù)庫,逐線的計算大氣路徑上的吸收,精確的模擬大氣消光過程。一般認為利用輻射傳輸模式獲得的模擬光譜是比較準確的,可以當做參照標準來檢驗實測結(jié)果的可靠性。另外,精確的模擬光譜對于定量反演也具有重要的意義。根據(jù)給定大氣參數(shù)計算模擬光譜的過程,在反演問題中稱為前向計算,是觀測光譜和待求解未知量之間的橋梁。通過精確的計算模擬觀測光譜,并將其與SHS樣機的實測光譜進行對比,可以對樣機的能力進行驗證。為保證模擬光譜與實測光譜在大氣狀態(tài)上的一致性,可以采用自定義大氣模式。具體做法是以模式大氣為基礎(chǔ),將波段內(nèi)比較重要的影響因素,如溫度、相對濕度廓線等,替換為高精度、準實時的大氣狀態(tài)參數(shù)。美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)再分析資料是在地面觀測、無線電探空、探空氣球、飛機及衛(wèi)星等多種觀測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,經(jīng)同化和訂正得到的再分析數(shù)據(jù)。NCEP資料具有1°×1°的空間分辨率,時間間隔為6h,使用NCEP資料作為模擬計算的輸入?yún)?shù),可以減小CO2體積分數(shù)以外其它因素的影響,從而提高模擬光譜的精度。圖9給出了從NCEP資料獲取的合肥地區(qū)2010年1月29日14∶00的溫度廓線、相對濕度廓線。將上述NCEP資料以及觀測點高度、太陽天頂角、觀測日期等參數(shù)輸入LBLRTM,計算到達地面的太陽光譜,再使用高斯窗函數(shù)卷積,將其分辨率降低到0.48cm-1,可以計算得到模擬光譜。將圖9(b)中的儀器實測數(shù)據(jù)進行輻射定標、拉直后,與模擬光譜進行對比,如圖10所示。通過對比,可以看出實測亮度譜反映了波段范圍內(nèi)精細的氣體吸收結(jié)構(gòu),在該分辨率下能夠清楚區(qū)分出波段內(nèi)主要吸收線形成的吸收峰,這說明SHS對大氣CO2吸收非常敏感,