中高層大氣OH自由基層析反演方法研究.pdf

1、羥基OH對(duì)于人類理解中間層化學(xué)成分非常重要，OH自由基在大氣光化學(xué)反應(yīng)中起初始化作用，啟動(dòng)了大氣中的整個(gè)氧化鏈。OH自由基濃度變化決定了大氣中臭氧濃度的下降，對(duì)流層水汽的波動(dòng)，NOx和CO以及其它溫室氣體排放的改變以及氣候的變化。OH自由基還與極地中層云的形成有著密切的關(guān)系，極地中層云可以用來(lái)衡量上層大氣的穩(wěn)定性和半球氣候的不對(duì)稱性。精確探測(cè)與反演OH自由基濃度，獲取高空間分辨率的OH自由基分布對(duì)研究溫室氣體、臭氧濃度變化乃至氣候變化具

2、有重要意義。國(guó)際上，基于高分辨空間外差光譜技術(shù)的中高層大氣OH自由基相關(guān)研究已有一定基礎(chǔ)，中國(guó)在這方面尚處于起步階段。隨著載荷探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，能同時(shí)獲得高垂直分辨率與高空間覆蓋范圍的在軌臨邊探測(cè)模式應(yīng)用越來(lái)越廣泛，針對(duì)臨邊遙感的反演算法也隨之發(fā)展。在OH自由基探測(cè)技術(shù)體制和有效載荷發(fā)展的同時(shí)，其反演方法也不斷創(chuàng)新和改進(jìn)，在一般臨邊反演算法的基礎(chǔ)上，層析反演算法在一定程度上彌補(bǔ)了臨邊遙感低水平分辨率的缺陷，結(jié)合探測(cè)儀器的多角度觀測(cè)數(shù)據(jù)，能

3、更大程度地還原真實(shí)OH自由基空間分布。
　　本文以空間外差光譜層析探測(cè)儀的仿真和實(shí)測(cè)OH光譜數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，以獲取高空間分辨率、超高分辨層析數(shù)據(jù)立方為目的，在OH自由基太陽(yáng)共振熒光信號(hào)發(fā)射機(jī)理、輻射傳輸模型的改進(jìn)與OH自由基正演模型、基于儀器特性的數(shù)據(jù)模擬與仿真、OH層析反演算法等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究?；诳臻g外差光譜技術(shù)的中高層大氣OH自由基超高分辨光譜儀對(duì)中高層大氣OH自由基的太陽(yáng)共振熒光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。該儀器具有兩個(gè)正交的視場(chǎng)

4、，每一個(gè)視場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了分視場(chǎng)成像。為了獲取OH自由基的垂直廓線，本文研究了基于儀器特性，用于中高層大氣OH自由基的正演模型與反演算法。根據(jù)探測(cè)目標(biāo)特性及探測(cè)模式，構(gòu)建匹配的輻射傳輸模型，并在此基礎(chǔ)上，研究對(duì)應(yīng)的反演算法。進(jìn)行此類研究需要建立可靠有效的數(shù)據(jù)源，由于沒(méi)有合適的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，因此為此建立了一套仿真數(shù)據(jù)源計(jì)算流程，根據(jù)空間外差光譜儀的儀器特性，利用輻射傳輸模型輸出的輻亮度結(jié)果，進(jìn)行分視場(chǎng)與正交視場(chǎng)的干涉數(shù)據(jù)仿真研究。
　　論文的主

5、要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　1.介紹了OH自由基的探測(cè)背景，調(diào)研了國(guó)內(nèi)外地基及天基OH自由基探測(cè)現(xiàn)狀，總結(jié)歸納了已有載荷的中高層大氣OH自由基的反演算法，提出將多角度探測(cè)與層析反演算法結(jié)合，從而獲得更高的反演精度。
　　2.開展了中高層大氣OH自由基探測(cè)技術(shù)機(jī)理研究。首先研究中高層大氣OH自由基太陽(yáng)共振熒光信號(hào)輻射機(jī)制。介紹中高層大氣OH自由基超高分辨光譜儀雙視場(chǎng)正交及分視場(chǎng)成像機(jī)理，研究空間外差光譜儀干涉數(shù)據(jù)仿真方法及數(shù)

6、據(jù)處理方法。根據(jù)儀器臨邊觀測(cè)模式，簡(jiǎn)單介紹大氣臨邊輻射傳輸相關(guān)理論與大氣臨邊遙感反演算法與層析反演算法。
　　3.開展中高層大氣OH自由基正演模型研究。基于OH自由基共振熒光信號(hào)發(fā)射機(jī)理，結(jié)合分子光譜理論，計(jì)算了熒光發(fā)射率因子，修正輻射傳輸模型SCIATRAN，得到用于中高層大氣OH自由基的正演模型。利用該模型和MLS的OH2級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行一維輻亮度模擬，并針對(duì)觀測(cè)幾何、氣溶膠參數(shù)等進(jìn)行敏感性分析。為了提供有效可靠的數(shù)據(jù)源，進(jìn)行了多維

7、輻亮度模擬及正交視場(chǎng)輻亮度模擬。
　　4.進(jìn)行基于正演模型的數(shù)據(jù)構(gòu)建及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)空間外差光譜儀儀器特性，將輻射傳輸模型輸出作為輸入源，進(jìn)行分視場(chǎng)成像干涉數(shù)據(jù)仿真。再根據(jù)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行輻射傳輸模型驗(yàn)證與數(shù)據(jù)仿真算法驗(yàn)證;根據(jù)實(shí)驗(yàn)室OH探測(cè)結(jié)果，驗(yàn)證光譜復(fù)原與數(shù)據(jù)仿真算法，同時(shí)驗(yàn)證了儀器的探測(cè)能力。
　　5.開展中高層大氣OH自由基反演算法研究。首先對(duì)反演數(shù)據(jù)源（即干涉數(shù)據(jù)）進(jìn)行光譜復(fù)原預(yù)處理，模擬完整數(shù)據(jù)處理及反演過(guò)程。利

8、用先驗(yàn)資料進(jìn)行反演先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)造。分析對(duì)比了常用的兩種反演迭代方法，研究算法內(nèi)相關(guān)系數(shù)對(duì)反演結(jié)果的影響。層析反演前，先利用另一視場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)主視場(chǎng)輻亮度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，構(gòu)造了新的二維輻亮度面，代入層析算法中。對(duì)層析算法進(jìn)行誤差分析，與一維反演算法進(jìn)行比對(duì)，利用層析反演算法將反演誤差中的先驗(yàn)知識(shí)帶來(lái)的不確定度降低，驗(yàn)證了層析算法的可行性，提高了反演精度。
　　基于上述研究，論文在以下幾方面具有創(chuàng)新之處:
　　1.國(guó)內(nèi)首次構(gòu)建完整中高層