【摘要】：近年來,人類向大氣中排放越來越多的污染氣體,這些排放物極大地改變了大氣痕量氣體的濃度廓線結(jié)構(gòu),進(jìn)而導(dǎo)致一系列全球性氣候問題。OH自由基是大氣中最重要的氧化劑之一,在地球大氣光化學(xué)反應(yīng)中起核心作用。而中高層大氣是航天器的主要活動區(qū)域,同時也是全球氣候變化甚至地表環(huán)境變化的重要響應(yīng),因此,研究中高層OH自由基對于了解全球氣候環(huán)境變化規(guī)律、提高中高層動量與能量運(yùn)輸過程的認(rèn)識、保障航天器飛行安全具有重要的意義。目前中科院安徽光機(jī)所正在開展基于空間外差光譜技術(shù)的“中高層大氣OH自由基甚高光譜探測儀”的預(yù)先研究,在該項目的支持下,開展了正演及反演模型的構(gòu)建工作,從而為該儀器相關(guān)參量設(shè)計與優(yōu)化提供定量化的理論支撐。OH自由基受太陽能量激發(fā)后會在309nm附近產(chǎn)生熒光能量,通過建立熒光能量與濃度的關(guān)系從而獲取OH自由基的濃度信息。中高層大氣OH自由基甚高光譜探測儀采用兩個掃描方向相互正交的空間外差光譜儀(Spatial Heterodyne Spectroscopy,SHS)進(jìn)行臨邊探測,即在傳統(tǒng)沿軌維臨邊掃描的基礎(chǔ)上增加一個穿軌維的臨邊掃描,所以首先構(gòu)建單個光譜儀沿軌臨邊掃描情況下的正演與反演模型。研究過程中發(fā)現(xiàn)計算時使用的SCIATRAN輻射傳輸模型無法滿足正演模型構(gòu)建的要求,因此基于輻射傳輸理論對其進(jìn)行了改進(jìn),包括基于構(gòu)建的OH發(fā)射光譜數(shù)據(jù)庫,在輻射傳輸?shù)脑春瘮?shù)中增加了OH發(fā)射能量的計算;應(yīng)用Aura星上MLS(Microwave Limb Sounder)傳感器2005-2009年的OH全球濃度數(shù)據(jù)產(chǎn)品構(gòu)建OH濃度時空數(shù)據(jù)庫,作為輻射傳輸?shù)妮斎雲(yún)⒘俊＠酶倪M(jìn)的SCIATRAN基于光干涉理論仿真了全球范圍內(nèi)空間外差光譜儀的臨邊探測結(jié)果,該結(jié)果與國際上其他衛(wèi)星實測結(jié)果保持一致的空間趨勢,均在40km附近存在峰值,且隨著高度的增加,觀測能量迅速減小。選取單一位置的仿真圖像,定量分析了結(jié)果的不確定度以及對于幾何條件的敏感性。由于目前暫無傳感器在軌觀測數(shù)據(jù),因此將全球模擬結(jié)果作為觀測值構(gòu)建反演模型。結(jié)合輻射傳輸模型和不同時空條件下的OH濃度數(shù)據(jù)獲取輻亮度閾值以識別中間層云,計算了傳感器獲取的臨邊散射輻射中的背景能量,從而提取出OH熒光發(fā)射能量。利用該能量進(jìn)行反演,提高了反演數(shù)據(jù)對于OH濃度的敏感性。結(jié)合SCIATRAN輻射傳輸模型和LSUV迭代算法反演了OH濃度廓線。討論了反演過程中的誤差因素,并計算了各誤差因素對于反演結(jié)果的定量影響。結(jié)果表明中間層大氣OH濃度反演結(jié)果誤差在15%-20%,而平流層底部的OH濃度反演結(jié)果誤差隨著高度降低迅速增加,達(dá)到了500%級別,所以該區(qū)域反演數(shù)據(jù)不可信,這與國際上其他OH自由基探測器的反演結(jié)論一致。在單SHS光譜儀正演與反演模型的基礎(chǔ)上,討論了雙正交SHS光譜儀的儀器結(jié)構(gòu)與探測方式,證明了對于兩個掃描方向相互正交的光譜儀,通過多時刻綜合多角度探測的方式可以實現(xiàn)目標(biāo)大氣的三維探測,并給出了光譜儀的全球觀測結(jié)果。根據(jù)OH濃度的時空變化特點和三維層析探測理論,構(gòu)建了三維層析數(shù)據(jù)庫,即基于“緯度、經(jīng)度、時間日期、OH濃度、太陽天頂角、相對方位角”等六維參量的查找表,利用查找表法反演了OH濃度,由于該方法避免了先驗約束,因此較迭代反演方法不僅在速度上有明顯提升,同時顯著提高了平流層OH濃度反演結(jié)果的誤差,僅為10%級別。本文針對中高層大氣OH自由基探測儀構(gòu)建了正演與反演模型,并定量分析了衛(wèi)星觀測過程中的誤差因素,從而為傳感器系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化、數(shù)據(jù)的獲取提供方案,以及為遙感器的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。在衛(wèi)星入軌后的正常運(yùn)行階段,還能夠為遙感數(shù)據(jù)的處理、應(yīng)用提供技術(shù)支持,這些對于該傳感器的優(yōu)化、校正、檢測、應(yīng)用與發(fā)展有重要作用。
【學(xué)位授予單位】：安徽師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：P412.2
【圖文】：

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不同溫度下的 OH 吸收譜線（真空中）.20 OH absorption spectrum in different tempreture(in vacu量仿真光譜技術(shù)綜合光柵和 FTS 技術(shù)特點，具有無運(yùn)動部件等優(yōu)點；同時由于無運(yùn)動部件，它還具有集成度高、0.00.00.51.0308.0 308.5 309.0 309.5 310.00.00.51.0240K260KormNlizedanitsUWavelength (nm)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2768127