基于中红外激光外差光谱仪反演大气甲烷垂直分布廓线的研究

There are still many unsolved scientific problems on the vertical profile studies of greenhouse gases, such as there is still lack of observation data for the retrieval of greenhouse gases vertical profile. The solution of these problems is crucial to understand the trend of future climate change, and a variety of complex physical processes associated with climate change. And continuous observation of greenhouse gases in the atmosphere is of great significance on the study of carbon cycles and predicting the trend of atmospheric climate change. This proposal intends to carry out the study of forward and inversion methods for the high resolution methane absorption data, which acquired by the ground based Mid-infrared Laser Heterodyne Spectrometer with greenhouse gas methane as the research object. This can help us to realize the vertical profile inversion of the atmospheric methane, and which may lay the foundation to study the multi-component detection of greenhouse gases in the atmosphere. This protocol may provide necessary measurement methods for the analysis of greenhouse gas source and its evolution regularities, as well as provide more comprehensive and accurate data for the study of atmospheric climate models, and also build a foundation for realizing Space-borne detection by minimizing the laser heterodyne detection system.

关于温室气体大气垂直廓线方面的研究，仍然有许多尚未解决的科学问题，如目前仍然缺乏可用于廓线反演的观测数据等。这些问题的解决，对于理解未来气候变化趋势，以及与气候变化相关的多种复杂物理过程十分关键。因而温室气体浓度垂直分布的持续观测，以及正演和反演方法的建立，对研究碳循环、预测未来大气温室气体浓度的变化趋势以及气候变化等具有十分重要的意义。本申请拟基于实验室建立的中红外量子级联激光外差光谱仪，以温室气体甲烷为研究对象，利用实际测量的高分辨率吸收光谱，研究适合于中红外激光外差探测的正演及反演方法，从而实现实际大气中甲烷垂直分布廓线的反演，并为开展多组份温室气体的垂直分布探测奠定基础。该方案不但可以为温室气体的源解析及演化规律的研究提供必要的测量手段，而且也能为大气气候模式研究提供更加全面、准确的基础数据，并为将激光外差探测系统进一步小型化以实现星载探测奠定基础。

本项目的主要工作为基于实验室建立的中红外量子级联激光外差光谱仪，以温室气体甲烷为研究对象，利用实际测量的高分辨率吸收光谱，研究适合于中红外激光外差探测的正演及反演方法。在正向模型方面，我们最终采用了英国NCEO（国家地球观测中心）的RFM（参考正向模型），不同于lblrtm、modtran及proffit等软件，该正向模型开放了核函数矩阵计算、仪器函数输入等模块，为我们实现激光外差反演算法提供了便利。在反演模型实现过程中，我们利用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的廓线库，建立了先验估计浓度矩阵及参考廓线，通过分析实际采集到的激光外差光谱，建立了测量误差协方差矩阵，并且利用最优估计算法最终实现了大气廓线的迭代反演。. 通过三年的工作，我们建立了合理的正向及反演模型，利用高分辨率、高灵敏度的激光外差数据，实现了实际大气中甲烷垂直分布廓线的反演，为开展多组份温室气体及同位素的垂直分布探测奠定了基础。该方案不但可以为温室气体的源解析及演化规律的研究提供必要的测量手段，而且也能为大气气候模式研究提供更加全面、准确的基础数据，并为将激光外差探测系统进一步小型化以实现星载探测奠定基础。