大气温室气体气柱总量及垂直廓线高精度探测新原理新技术研究

Specific to major science and technology demand of China's participance in the international negotiation on climate change and the reduction of net greenhouse gases (GHGs) emissions, and the selection of the optimal route of the national sustainable development, it is lack of an effective tool to quantitative and continuous measuring the spatial profile of greenhouse gases concentrations with high vertical spatial and time resolution. The high precision monitor techniques are urgently needed to estimate the greenhouse gases (GHGs) emissions such as CO2, CH4, N2O in China. .In the project, we will study on a novel laser heterodyne spectroscopy technique with high precise measuring the column concentration and their vertical profile distribution of the atmospheric greenhouse gases (carbon dioxide, methane, Nitrous oxide), and build an infrared laser heterodyne spectrometer with spectral resolution of 0.002cm-1, and develop a retrieval algorithm of column concentrations and vertical profiles for greenhouse gases. High precision measurements of CO2 (0.1ppmv), CH4 (1ppbv) and N2O(1ppbv) greenhouse gases are achieved. The proposed research has great value for developing international leading level a more integrated new generation monitor network of greenhouse gases, which will raise the monitor capability and precision of atmosphere greenhouse gases, and have significant values of sciences and applications for determining the emissions of greenhouse gases as well as assessing its impacts on climate change.

针对我国应对气候变化、碳减排的国际谈判和国家可持续发展最佳途径选择等重大科技需求，还缺少对全大气层高垂直分辨率、高时间分辨率、连续的大气温室气体定量观测的数据，迫切需要发展高精度监测技术来定量评估我国CO2、CH4、N2O等大气温室气体的排放。. 本项目拟开展新型高精度测量大气温室气体气柱总量和垂直廓线激光外差光谱技术研究，建立光谱分辨率为0.002cm-1的红外激光外差光谱仪，发展CO2、CH4、N2O等重要大气温室气体气柱总量和空间廓线反演算法，实现CO2（0.1ppmv）、CH4（1ppbv）、N2O（1ppbv）的高精度测量。该研究对建立具有国际领先水平的我国新一代大气温室气体监测网络，提高大气温室气体监测能力和精度，确定大气温室气体的排放及其在气候变化中的影响，具有重大的科学意义和广阔的应用前景。

2020年9月22 日，中国政府在第七十五届联合国大会上提出了“碳达峰”、“碳中和”的“3060目标”，地方政府也相继出台“碳达峰”、“碳中和”行动计划。针对我国“碳达峰”“碳中和”行动目标中高精度大气温室气体探测设备国产化替代和监测设备的数据安全等现实需求，摆脱欧美产品的垄断和“卡脖子”，针对我国大气温室气体气柱总量及垂直廓线测量手段的缺乏，摆脱目前大气温室气体气柱总量及垂直廓线对国外高分辨率傅里叶变换光谱仪的依赖。.本项目围绕新型高精度和高光谱分辨率的大气温室气体气柱总量及垂直廓线探测新原理新技术开展研究，系统地研究了激光外差光耦合效率、系统噪声抑制技术、多组分同时探测技术等，研制出高跟踪精度的太阳跟踪仪、高分辨率全光纤近红外激光外差CO2/CH4垂直廓线分析仪和高分辨率中红外激光外差N2O垂直廓线分析仪，光谱分辨率优于0.003cm-1。实现CO2（0.07ppmv）、CH4（3ppbv）、N2O（5ppbv）的高精度测量，编写了大气温室气体垂直廓线反演软件，采用Aircore取样技术在青海大柴旦进行了外场软件验证实验，获得了较好的反演结果。利用建立的全光纤近红外CO2/CH4激光外差分析仪与日本GOSAT卫星进行了为期八个月的对比实验，两者具有很好的一致性。. 为了进一步拓展激光外差光谱技术的应用领域，派遣博士研究生赴法国滨海大学，联合开展了激光外差光子芯片技术的研究，初步实现了光子芯片激光外差探测。为了抑制系统噪声，提高激光外差性能，利用掺铒光纤放大器进行了激光外差光谱技术的研究，有效地提高了激光外差信噪比。开展了随机共振激光外差光谱探测新方法研究，有效地提高了激光外差的响应时间，为激光外差光谱技术的应用拓展了应用空间。同时开展了基于外差光谱的大气风场探测技术研究，初步实现了整层大气激光外差风场探测。