多轴差分吸收光谱技术监测大气NO2气体垂直廓线算法研究

Muli-axis differential absorption spectroscopy(MAX-DOAS) can be used to derive vertical profile of atmospheric nitrogen dioxide(NO2) and other trace gas,and the profile information is important parameter for regional pollution resarch,hence research on trace gas vertical profile retrieved from MAX-DOAS become a hotspot of study of MAX-DOAS technique.In practice,several reasons limit the precision of retrieved NO2 profile,includeing:Low degree of freedom of signal(DOFS) from measurement data caused by unreasonable selection of elevation angles of MAX-DOAS ;During BOX-AMF calculation,unprecise model input parameter(e. g. accurate aerosol extinction profile) can give rise to error of trace gas profile result ..To solve those problems,this research present selection princple elevation angles through the study of relationship of elevation angle and DOFS; works on the aersol extinction profile retrieval from MAX-DOAS itself; combind the optimal estimation methods and parametrized profile method to optimize exsiting NO2 profile retrieval algorithm, and make out the beter selection of layer hight and number of profile.These research solve the problem cause the inaccuracy of NO2 profile ,and promote the development and application of this technique.

多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术通过测量不同角度的太阳散射光可获取大气中二氧化氮（NO2）等痕量气体的垂直廓线分布信息，该信息是研究区域污染等的重要参数，因此解析气体廓线是MAX-DOAS技术研究的热点方向。然而，实际测量中由于观测角度选择不合理造成数据中廓线信号自由度（DOFS）偏低；在分层大气质量因子的计算过程中，由于采用不精确的模型参数（气溶胶消光廓线等）等因素影响，最终导致气体廓线解析结果的误差。. 为解决这些问题，本项目提出研究MAX-DOAS测量角度和廓线信号自由度的关系，确定测量角度选取原则；开展MAX-DOAS观测气溶胶消光廓线的工作；结合最优估算法和参数化廓线法的特点，优化现有的NO2气体廓线反演算法，确定最佳的廓线分层高度、分层数目，提高反演精度。通过本项研究，解决NO2廓线解析中存在偏差的重要因素，提高反演精度，促进该技术的发展与应用。

我国区域性大气污染问题日趋明显，及时准确获取区域污染信息是研究、控制区域污染的前提。基于太阳散射光的多轴差分吸收光谱（MAX-DOAS）技术能够获取大气中NO2等痕量气体垂直廓线等重要信息。本项目基于MAX-DOAS技术开展了痕量气体廓线监测方法的研究工作。..首先优化了MAX-DOAS观测角度的选取：选择典型气溶胶类型，利用大气辐射传输模型计算不同观测角度对应的NO2气体反演敏感性矩阵，计算出包含的NO2气体信号自由度。通过分析不同MAX-DOAS观测角度对廓线反演的敏感度，最终确定8个MAX-DOAS观测角度.随后实现了基于MAX-DOAS技术监测气溶胶廓线的反演算法，并提高了痕量气体廓线中关键分层大气质量因子的计算精度。基于O4气体斜柱浓度和强度指数中包含着气溶胶信息的特点，本项目利用最优估算法法构建了气溶胶消光廓线反演算法，并通过模拟数据对反演精度进行验证。开展了外场观测实验，获取了大气气溶胶消光廓线，并与太阳光度计进行对比，反演结果相关性系数92%，说明了气溶胶反演算法的可行性。.最后针对NO2气体廓线反演进行了深入研究，实现了基于最优估算法和查找表法的痕量气体廓线反演算法。反演算法中，针对NO2气体分布特点，确定了最佳的廓线分层高度、分层数目，并明确了反演参数设置原则，提高了反演算法适应性和反演精度。最后开展了外场观测实验，获取了NO2气体垂直廓线，并分别与地面点式仪器、卫星数据进行对比，其中与点式仪器的相关性为63%~91%，验证了痕量气体廓线反演算法精度。..本项目最终实现了基于MAX-DOAS准确反演NO2气体垂直廓线的研究目标，为NO2气体的输送、演变以及空气质量预报等相关研究提供有效数据支持。