大气探测技术

大气探测技术（共3篇）

大气探测技术 篇1

近年来, 我国不断进步的科学技术在气象方面的应用使得我国大气探测技术得到了良好的发展, 向着科学化、自动化的方向不断地发展。新型大气探测技术的应用是使探测水平和探测效果有了明显的提高。例如空基遥感探测技术、GPS等技术的广泛应用取得了显著的发展, 不仅具备良好的探测能力, 而且将自动化观测水平上升到了新的阶梯。目前我国的大气探测技术主要有直接观测、遥测和遥感观测技术三种技术互相配合使用, 在农业、海洋业、牧业、渔业等多了领域起到了相当重要的作用, 大气探测的需求不断地增长的今天使得大气探测系统走向了更加综合的发展方向。

一、我国大气探测技术的发展历程

我国的大气探测历年来都是围绕着大气科学的研究和气象业务实践所展开的, 通过人事大气的运动规律, 采用人工控制对天气进行预报等。今年来, 我国的大气探测技术获得了较快的发展, 从第一颗气象卫星的发射到天气雷达的多普勒型的产生等, 我国新型探测技术的不断研发使得气象观测和大气观测技术日益完善。通过多年的努力我国的大气探测技术的发展是十分惊人的, 新技术带来的大气信息更加的准确和及时, 监测的范围也扩展到了我国的每个角落。

我国现代大气探测技术的发展历程很多不同的时代, 探测技术不断地发展壮大, 近十年来年来我国气象探测仪器应已经有十多种之多, 这些为我国现代化、自动化的气象观测技术奠定了良好的基础。

二十世纪初期的我国大气探测技术是以物理原理的探测技术为标志, 我国地面气象观测网的初步形成、基于物理原理的气象探测仪器的出现, 如能见度仪器、湿度表等成为了当时较为标志性的探测设备;二十世纪中期我国大气探测技术已经迈向了新的阶段, 对高空探测技术和无线电技术的掌握, 使得我们对三维空间的大气结构有了初步的了解;二十世纪七十年代我国第一颗气象卫星风云一号的发射成功将我国探测技术带进了遥感探测时代, 紧接着风云二号的发射, 新型技术的出现扩大了大气探测空间, 同时增强了大气探测的连续性;二十一世纪的今天, 我国探测技术正处于综合探测方向发展, 将地基和空基互补, 遥感与大气观测各取所长的方向发展, 探测数据的准确性不断提高, 探测仪器也面向多功能、小型化方向发展。

二、大气探测技术发展现状

我国现代的科学技术的飞速发展使得我国探测手段也有了显著的发展。新兴的电子技术、遥感技术、通信技术等在大气探测中的广泛应用为探测工作带来了便利的同时也提高了效率。观测方法和观测理论的不断改进为大气探测带来了新的面貌。

(一) 气象卫星的发展

1960年美国第一颗气象卫星的发射到1978年的无可精致气象卫星和两颗极轨气象卫星组成的全网观测, 几十年间将气象卫星的应用推向了更加成熟的阶段, 全球天气探测取得了长足的发展。

我国在1998年成果发射了与太阳同步轨道的气象卫星为天气预报和气象研究提供了大量、可靠、连续稳定的数据信息, 极轨气象卫星三代中应用了垂直探测、光谱探测、微波成像等技术, 保证了卫星连续、稳定、可靠的工作。2010年发射的极轨气象卫星能够获取全球气象信息, 而发射的静止气象卫星对中小尺度和灾害性的天气监测的能力得到了提升, 为我国天气预报、气象研究、环境遥感等科学的研究提供了十分重要的数据, 并在国际气象合作中发挥了重要的作用。

(二) 气象雷达探测技术的发展

气象雷达技术在近年来的探测和研究中的应用也十分广泛, 尤其是多普勒气象雷达的出现为气象观测提供了重要的数据, 它可以探测云内和晴天空气中的水平和垂直风场、降水滴谱、大气湍流、大范围降水预报等, 同时还能用最短时间预测到龙卷风。

二十世纪九十年代美国研发的天气雷达能够有效监测强暴风、龙卷漩涡、阵风、中尺度气旋等, 同时在晴空下的监测能力也十分强大。对风的预测的分辨能力可以对气象操作员提供详细的气象图片。

我国也已经组建了完善的气象雷达信息网, 结合电子计算机技术能将雷达探测系统探测的信息传输回来, 同时对风暴雨、洪水、飓风等灾害性天气的监测能力也十分强。

(三) GPS定位系统的发展

GPS定位系统的出现为高空气象的探测发展带展示出了新的途径, GPS能够监测对流层底层的水汽, 为降雨天气的短期预报和水分循环研究等提供了重要的数据, 同时还可以预测大气温度、风、闪电、火山效应等。二十一世纪的今天将把GPS的大气探测系统的发展作为大气探测计划的目标, 它将在大气监测中占据重要的位置。

今年来我国在GPS的研发方面的发展也是突飞猛进, 我国将GPS的应用列为“八五”科技发展计划中的重要发展项目, 有着举足轻重的地位。我国在GPS的技术开发中不断吸取国外的技术和经验, 不断突破应用的开发障碍, 目前在航空工业、银行、公安、等领域中广泛的应用, 它将成为我国将来高空探测发展中重要技术之一。

三、结语

如今, 我国日益成熟的物理学原理结合现代电子信息技术作为现代大气探测技术研究的基础, 大气探测技术得到了飞跃性的发展。我国的探测能力已经有了显著的提高, 观测自动化水平也在不断进步, 探测事业取得了令人骄傲的成绩。将来卫星、雷达、GPS等技术将成为今后发展的主流方向。同时综合性探测系统将成为我国探测技术的总体发展趋势。

参考文献

[1]覃信贤, 谢博文, 黄小妹, 黄智.当前大气探测技术及其发展趋势分析[J].中国科技博览, 2012.

[2]周冬梅, 蒲利荣, 骆炳兰.天气现象露的判定之刍见[J].气象研究与应用, 2012.

[3]胡双屏, 雷旭辉, 邓兆群.影响大气探测质量的有关问题思考[J].科技与生活, 2012.

[4]吴华斌, 罗雄光, 杨超.遥测自动气象站大风记录的改进方法[J].气象水文海洋仪器, 2011.

[5]胡双屏, 雷旭辉, 邓兆群.影响大气探测质量的有关问题思考[J].科技与生活, 2012.

大气探测技术 篇2

大气CO2通常被认为是导致全球气候变暖的最主要的因素之一, 因为它占了温室气体排放量80%[1]。因此, 开展CO2的“源”与“汇”分析对气候变化预测具有重要意义。由于大气CO2浓度的分布特点[2], 使得对CO2的遥感探测区别与传统大气遥感探测技术, 需采用超光谱途径[3]。本文将开展新型超光谱分光技术——空间外差光谱技术在大气CO2遥感探测中的应用研究, 分别从大气CO2遥感探测需求, 符合CO2探测的空间外差光谱仪设计以及空基遥感验证探测实验等方面论述。

1 高精度大气CO2遥感探测要求

作为主要温室气体的CO2在大气中混合较为均匀, 浓度含量极其梯度变化均较小, 若要解译其“源”与“汇”情况, 反演精度要达到3~4 ppm (相对于380 ppm总量的1%) 数量级。根据分子光谱学理论, 若要实现如此高的反演精度, 必须采用超光谱 (光谱分辨能力) 遥感探测技术, 获取CO2吸收光谱的精细谱线, 并选择合理的探测光谱波段、光谱分辨率, 此外数据还需具备足够的信噪比。

1.1 超光谱分光技术

实现超光谱分光主要有两种途径, 分别为色散型分光与干涉型分光。对于色散型 (光栅、棱镜等) 的光谱仪, 虽然整个系统没有运动部件, 但是为了获得所需要的高光谱分辨率, 系统的焦距较长, 从而导致整个系统的体积较大。而干涉型的光谱仪, 以迈克尔逊干涉光谱仪最为代表, 为了提高光谱分辨率及光谱范围, 需增加摆臂的扫描的光程差以及频率, 需要有对运动机构具有极高的控制精度。

空间外差光谱技术属于空间干涉类型的新型超光谱分光方案, 其基本原理已有大量文献报道[4,5], 此处不再赘述。这一方案的特点是没有运动部件、光通量大、体积重量轻, 尤其很容易在一个较窄的波段范围获取极高的光谱分辨率和信噪比, 十分适合大气CO2等温室气体及痕量气体的高精度探测。

SHS与传统超分辨分光技术的性能比较如表1所示。

由于SHS获取的原始数据为干涉图, 并非光谱数据, 因此利用空间外差光谱技术进行大气CO2遥感探测, 需重点解决好干涉图的误差修正、光谱复原等数据预处理环节;此外, SHS的光谱及辐射定标原理和方法区别于常见的超光谱仪器。针对上述问题, 已撰写专文进行了相关分析。

1.2 光谱探测波段

大气CO2的吸收波段主要有15m、4.3m、2.7m强吸收带和2.0m、1.575m、1.4m弱吸收带。为了避免在浓度很高时发生吸收饱和, 并最大限度的避免其它气体吸收的干扰, 选择相对“洁净”的1.575m吸收带作为大气CO2的最优探测波段。此外, 该波段强度与地表温度关系不大, 但对地表CO2浓度变化比较敏感[6], 日本GOSAT与美国OCO等CO2温室气体探测卫星均选择了该波段[7]。利用高分辨辐射传输模拟软件FASCODE模拟计算该波段透过率曲线, 如图1所示, 该波段吸收影响因子主要是CO2以及少量的H2O的浓度。因此, 对1.575m波段而言, 要精确的反演CO2浓度, 必须用某种方法从一定程度上对水汽浓度加以约束。

1.3 信噪比与光谱分辨力

对于1%左右的CO2柱浓度的变化, 空间对地观测得到的辐亮度变化的中值约为0.13%, 对于单个吸收峰而言, 仅存在0.079%的亮度变化, 那么探测1%柱体积分数变化4 ppm时需要的信噪比高达316[8]。若增加探测波段内有效吸收峰的个数, 可以降低信噪比要求, 对于空间外差光谱仪而言, 具体体现则是增加探测的行数W (光谱维) 及干涉图采样点数N, 之间的关系如下:

式中:m为光谱元数, RSNR0为零级干涉条纹处的信噪比。

在同一体积分数下, 光谱分辨力越高吸收峰越明显, 随着光谱分辨力的降低, 吸收峰特征逐渐减弱, 光谱吸收结构的细节将逐渐丢失, 当光谱分辨力优于0.1 nm时, 已能分辨出光谱的精细结构信息[9]。此外, 根据空间外差光谱仪光谱分辨力与带宽特点, 综合考虑吸收峰个数与信噪比关系, 选择0.5 cm-1的分辨力既可以获得足够的灵敏度, 也兼顾了带宽, 能减小设计上的难度, 更易于实现[10]。

2 大气CO2空间外差光谱仪

本文采用新型空间外差光谱技术开展大气CO2遥感探测研究, 根据上节分析, 要实现高精度的大气CO2遥感探测, 大气CO2空间外差光谱仪设计基本要求如下:

1) 光谱范围:1 5681 584 nm;

2) 光谱分辨能力:15 680。

空间外差光谱仪的核心部件为干涉仪, 决定仪器的分光能力, 由分束器、扩视场棱镜、光栅等组成。此外, 滤光片与探测器共同决定仪器的光谱范围, 下面将逐项分析各核心元器件参数计算过程。

2.1 光栅参数

根据SHS干涉机理, 仪器的光谱分辨能力取决于光栅的刻线密度与光栅的有效口径, 其关系式为

其中:w为光栅有效截面长度, d为刻线数, R0为光谱分辨能力, 且数值为15 680, 若仪器选取的光栅刻线数为250 Line/mm, 根据上式可以得到光栅有效刻画面长度尺寸w为31.36 mm。在光栅选型时, 为保留一定的余量和光线偏心, w值应大于理论值。此外, 根据光栅方程, 系统Littrow角为11.30°。

2.2 探测器参数

SHS的光谱范围可由下式表示:

式中:N为整个干涉图的采样点, dλ为SHS的最小波长分辨间隔, 按SHS分辨能力R0=15 680计算, d的平均值约为0.1 nm。系统设计中光谱范围的参数为16 nm, 那么探测器的一维像元数N应大于320像元。为保证系统的光谱分辨能力, 根据设计, 在装调过程中应保证探测器矩形面积长度方向与光栅刻画矩形区域长度方向对应一致。

2.3 滤光片指标

SHS中干涉图依赖于外差频率, 因此波数为的入射光将产生相同的输出, 导致光谱反演时的不确定性, 造成“鬼线”。有几种方法可以消除此不确定性, 最为简单的是在照明光路中预加一窄带滤光片。波长最小的1 568 nm为Littrow波长, 因此小于1 568 nm的光谱必须被严格截止。事实上, 系统所采用的滤光片的视场角也限制了整个SHS系统的视场大小, 因此在滤光片的制作时, 在保证其窄带滤光性能的同时, 使其视场角尽量与SHS系统的视场角匹配。根据设计要求, 滤光片的带宽为1 5661 586 nm, 中心波长应在1 575 nm附近。

综上分析, 大气CO2空间外差光谱仪的核心器件参数如表2所示。

3 大气CO2空基遥感探测实验

空间对地观测存在着地表辐射信号与大气辐射信号混合的问题, 如何从这种混合信号中分离出大气CO2的吸收信息进而进行CO2浓度的反演, 是对大气CO2空间外差光谱仪探测能力和相应的大气反演方法的综合检验。空基遥感探测实验利用飞机平台进行的航空验证实验, 是针对卫星遥感平台进行大气CO2浓度的模拟实验。实验中采用的地面反射率测量和地面散射辐射测量是进行这种反演的重要技术支持。

3.1 空基实验概况

空基遥感探测实验采用Y-12飞机平台, 设计两个飞行高度 (500 m、1 000 m) , 飞机平台安装有与光谱仪视场匹配的监测相机, 以便了解数据采集区的实际地表情况。在飞行采集数据的同时, 地面分别利用SVC HR-1024野外便携式光谱仪进行地表反射率的同步测量与CE318太阳辐射计进行飞行实验过程的大气同步测量。由于实验中的太阳辐射计是经过辐射定标的, 因此可以对单次测量进行大气光学厚度的反演, 即可以获得大气瞬时光学厚度。

针对空基实验目的, 实验场地的选取原则为:一是体现仪器对区域CO2浓度差别的分辨能力;二是不同地表反射条件下大气CO2浓度的反演能力。依据实验场地选取的原则, 本次实验飞行区域选择在山东日照市区及附近郊区, 在三个具有代表性的区域设定了航线:第一条航线为以日照火力发电厂为代表的具有较强CO2发生源的工厂区;第二条航线为地面较为均匀的农田;第三条航线为包含陆地与海洋的海岸带。具体航迹线路如图2 (a) , 图中线段表示飞行航迹, 其中颜色较深的黑色线为数据采集区域, 分别为工业区、农田和海岸带, 其基本地面状况如图2 (b) 。

3.2 实验数据处理

分别对不同区域的采集原始干涉数据进行预处理[11], 经FFT复原获得吸收光谱数据, 如图3 (a) 所示 (数据未辐射定标, 为仪器光谱响应函数与吸收光谱的卷积) 。由于大气CO2浓度的高低主要体现在吸收峰的深浅上, 而三个区域的大气条件基本一致, 因此吸收峰与连续谱的比值大小应该非常能反映大气CO2浓度的高低。选取光谱数据中的若干吸收峰进行不同区域吸收峰分析, 如图3 (b) 所示。

由图可以看出工厂区的比值明显较大, 反映其大气CO2浓度较大的特点;农田的比值位于第二, 这种现象可能与农田附近有村庄和小型工厂造成的CO2发生源所致;而海岸的比值最小, 其原因在于这一区域CO2发生源少且有良好的植被分布所致。通过分析地表状况与测量数据的比对, 可以看出, 测量数据能力很好地反映大气CO2浓度变化的状况, 展示出大气CO2空间外差光谱仪对大气CO2良好的探测敏感性。

利用空间外差光谱仪实验室绝对辐射定标系数[12,13,14], 对原始光谱数据 (图3 (a) ) 进行辐射定标, 获取吸收光谱的绝对辐射量, 并与辐射传输模拟软件计算的理论谱进行比对, 两者十分吻合, 如图4所示。

3.3 大气CO2浓度初步反演

作为开放的大气环境, 通常情况下的影响因素较多, 相同的测量结果可能是不同的影响因素所致。为提高大气CO2反演精度, 尽可能获取相关参数, 对反演过程进行约束, 以提高反演精度。分别利用SVC HR1024地物光谱仪观测地表反射率, CE318太阳辐射计进行了同步大气测量, 美国国家环境预报中心 (NCEP) 发布当地当日有关大气温度、湿度等参数联合对不同时间段农田区域大气CO2浓度进行反演[15,16,17,18], 初步反演结果如表3所示。

由上表可知, 大气CO2浓度中值约为370 ppm, 不确定度约为3%, 从反演结果来看, 比这一数值略大, 但是, 反演结果在误差范围内还是比较合理的, 由于缺乏同步的高精度CO2探测数据和设备, 该反演结果的精度尚无法确定。

4 结论

大气探测技术 篇3

中国是一个暴雨相对比较多的国家, 尤其是在中国的东南沿海地区, 每年的夏季中国的暴雨都会出现在5d以上。每年由于暴雨我国的洪水受灾面积可以达到几十万平方公里。在过去的几十年中, 随着计算机技术的不断发展以及人们的制造能力不断的提高, 在空间的气象探测领域人们取得了比较瞩目的进步。其中比较有代表性的就是空间的探测技术以及遥感探测技术。在这些新技术的帮助下, 人们对于气象变化的研究也变得更加深入, 针对中尺度天气的研究也越来越系统。本文将针对大气探测技术发展背景下的大气探测资料在中尺度天气中的应用问题进行一定的分析和探讨。

1 大气探测技术

大气探测作为大气科学的一个重要的组成部分, 是现在的气象业务的基本组成部分, 同时也是气象服务发展的一个基础所在。在日常的气象工作中, 要提高对于天气预测的精准率, 就必须要提高大气探测的水平。

在上世纪, 大气探测科学取得了很快的发展, 其中的重要原因就是重视观测系统的建设和新的大气探测技术的应用。到目前为止, 国际上的几个大型的大气探测的研究计划, 比如全球能量和水分循环研究计划, 以及气候变化与可预报性研究计划、世界天气研究计划等都把探测的工具以及具体的观测系统的建设都放在首要的位置, 并且在探测技术的层面积极的进行新技术的发展和尝试, 比如近年来比较新兴的空间遥感探测技术以及GPS技术等等。

而在这样的发展背景下, 今后大气探测技术发展的总的趋势可以概括为:

首先, 大气的观测技术开始向综合的探测方向发展, 比如现在已经出现的空基与地基的集合, 常规的观测手法与非常规的观测手法相集合的方法, 多种的观测方法与先进的观测手段不断的结合, 在观测的效果上不断的实现飞跃。

其次, 观测开始出现系统性的发展, 随着现在的观测工具的不断发展, 新的科技水平下方法和工具上的进步也越来越快, 无论是从信息的采集以及处理等方面都开始出现网络化系统性的发展趋势,

第三, 观测的自动化发展方向。现在, 很多的自动化的设备已经开始在气象观测中慢慢的使用, 尤其是现在使用相对比较广泛的遥感卫星技术。很多的自动化的遥感设备慢慢的出现在大气探测领域中, 使得观测更加方便和精确。

最后, 观测的精度进一步的加强, 观测的工具以及观测的方法的进步使得观测在结果上有了更大的进步, 更强的观测手段必然产生更精确的结果, 高精度高分辨率的观测使得气象的资料精确度有了明显的提升。

2 中尺度天气以及大气探测资料在中尺度天气中的应用

2.1 中尺度天气系统及其特征

中尺度谱段是大气中各尺度系统时、空规模的数量等级中的一段, 研究水平空间尺度100km~103km量级、时间尺度103s~105s量级的大气现象。考虑到不同规模的中尺度系统有相异的特征, 在中尺度谱段中再分为三类, 即中α尺度 (102km~103km, 1天~5天) 、中β尺度 (101km~102km, 3小时~1天) 和中γ尺度 (100km~101km, 1小时) , 它们分别和飓风、飑线、雷暴单体等中尺度天气系统相对应。

中尺度的天气系统在很多的特征上与大尺度天气的气象系统是不同的, 总体来说, 主要可以概括为以下几个基本的特征:

首先, 中尺度天气系统的水平尺度小, 生命周期相对较短。在中尺度的天气系统中, 水平空间上的尺度在100 km~103km量级之间, 强烈对流性的中尺度天气系统的水平尺度会更加的小, 只在101km~102km量级之间, 其垂直尺度在10km左右, 生命周期在几个小时到一天之间。

其次, 中尺度天气系统的要素梯度更大, 天气更加的强烈。中尺度天气系统区别于大尺度天气系统的一个最主要的特点就是气象要素的梯度更加的大。比如, 在飑线中尺度系统区, 气压梯度达1~3h Pa/km, 温度梯度达5℃/10km;飑线过境, 气压涌升1h Pa/1~2min, 温度骤降1℃/1min。

最后, 中尺度天气的非地转平衡和非静力特征。在大尺度的天气系统中, 运动是准地转的, 大尺度的天气系统中空气的运动近乎于维持在地转的平衡或者是梯度风的平衡。但是, 在中尺度的天气系统中, 加速度同地转偏向力以及气压的梯度力有相同的数量级, 这对于空气运动来讲有同等的重要性, 所以运动是非地转的, 风向以及等压线是相互垂直的。

同时, 在垂直的方向上, 大尺度的天气系统中运动是准静力平衡的, 但是在对流性的中尺度天气系统中, 空气的运动是非静力的系统, 浮力可以推动气块产生比较强的垂直加速度, 这样会导致比较强烈的天气生成。

2.2 大气探测资料在中尺度天气中的应用

在近年来的中尺度气象学研究中, 大气的探测资料取得了很快的发展和进步, 这是大气科学领域中发展的相对比较快的一个部分, 但是由于中尺度暴雨还是一个相对比较复杂的现象, 还有很多的问题, 这就需要大气探测资料在中尺度天气中进行充分的应用, 在今后的发展中, 气象资料在中尺度气象研究中主要可以在一下几个方面发挥作用:

1) 新兴的大气探测实验对中尺度天气的研究提供新的数据支持。随着世界上的科技技术和制造技术的不断发展, 新的探测工具和方法将产生更先进的探测资料, 这样对于中尺度天气的研究会有很大的推动作用;2) 暴雨资料在中尺度天气研究中会体现重要的作用。因为我国是一个暴雨相对比较多的国家, 我国在夏天的主要面对的气象灾害就是暴雨, 在暴雨的气象资料的分析和研究上, 我国可以借助先进的气象观测手段获取一手的资料, 这些资料对于中尺度暴雨的研究会有很大的推动作用;3) 新的气象资料的研究方法和理论对于中尺度气象的研究会有很大的推动作用。在新的气象资料获取的过程中, 虽然新的工具对这些资料的获得有很大的帮助和作用, 但是在一定的程度上, 新的研究工具必须借助新的手段进行, 研究方法是进行研究的基础, 所以针对中尺度的研究, 气象资料所起到的作用不仅仅是一个资料的基础性的作用, 研究方法上的作用对科学研究的推动作用也同样重要。

参考文献

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