出版日期: 2017-09-25
点击次数：
下载次数：
DOI: 10.11834/jrs.20176393
2017 | Volumn21 | Number 5
上一篇  |  下一篇
大气遥感 
太赫兹临边探测O3与HCl敏感性分析
expand article info 王红梅1,2 , 李小英1 , 陈良富1 , 王雅鹏1,2 , 张莹1 , 邹铭敏1 , 余超1 , 朱松岩1,2
1. 中国科学院遥感与数字地球研究所 遥感科学国家重点实验室，北京 100101
2. 中国科学院大学，北京 100049
收稿日期: 2016-11-03; 优先数字出版日期: 2017-09-01
基金项目: 国家自然科学基金(编号：41571345，41130528)；遥感科学国家重点实验室自由探索项目(编号：15ZY-09)；国家科技支撑计划项目(编号：2014BAC21B00)
第一作者简介: 王红梅(1986—　)，女，博士研究生，研究方向为大气环境遥感。E-mail：wwhongmei@126.com
通讯作者简介: 李小英(1975—　)，女，副研究员，研究方向为太赫兹波段临边探测原理与大气成分反算算法。E-mail：Lixyol@radi.ac.cn
中图分类号: P414
文献标识码: A

摘要

臭氧(O3)是平流层大气最重要的成分之一，而随着人类活动增加的影响，平流层O3不断减少。在O3的衰减循环中，Cl化合物是最主要的介质，而氯化氢(HCl)是活性氯的储存库，因此同时探测O3与HCl对进一步认清平流层O3的源与汇具有重要意义。本文基于太赫兹临边探测辐射传输软件包ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator)，模拟研究太赫兹临边探测O3与HCl的敏感因子量化大气辐射传输及其他大气成分对O3和HCl的影响。结果表明：(1)在太赫兹波段，O3与HCl分别在切高大于8 km与大于10 km处，具有很高的敏感性，可以探测O3与HCl垂直廓线；(2)太赫兹临边探测对于探测目标O3和HCl，在10 km及以下高度，对目标的浓度变化不敏感，而在中高空则很敏感；温度与水汽的变化对O3与HCl的探测影响不大，而传感器的天线半带宽及光谱分辨率对于O3与HCl的探测有一定的影响。

关键词

太赫兹, ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator), 氯化氢(HCl), 臭氧(O3), 临边探测

Simulating sensitivity of O3 and HCl with THz limb sounding
expand article info WANG Hongmei1,2 , LI Xiaoying1 , CHEN Liangfu1 , WANG Yapeng1,2 , ZHANG Ying1 , ZOU Mingmin1 , YU Chao1 , ZHU Songyan1,2
1.National Key Laboratory of Remote Sensing and Digital Earth Institute, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
2.Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Abstract

O3 is the key composition of stratosphere. The problem on ozone and the effect on ozone by anthropogenic actions have always been the hot issue in the world. During attenuation circle of ozone, Chlorine composition is the most important medium. HCl is the storage of active chlorine. Therefore, monitoring HCl is significant. The development of limb sounding can supply three-dimensional information of O3 and HCl. Simulation interface of THz limb sounding is developed based on the THz limb sounding radiative transfer software ARTS. This study analyzes the low-limit height within the limb sounding in THz bands between 100 GHz and 1000 GHz. The frequencies, 235.7098 GHz and 625.9188 GHz, were selected as the central frequencies for O3 and HCl, respectively, based on the frequency of international available THz sensor radiometer. Then, the brightness temperature of limb sounding was simulated under different atmospheric backgrounds (standard atmospheric background and enhanced concentration of O3 and HCl at 5%, 10%, and 15%, respectively), different temperatures and moistures (standard background temperature at 0.5 K, 1 K, and 1.5 K increase, standard water vapor concentration increased by 5%, 10%, and 15%), and different bands and different sensor characteristics (different HPBW and different spectral resolution). The sensitivity analysis module of the simulation interface shows that O3 and HCl sensitive factors are further studied by limb sounding. The results are as follows: (1) Measuring O3above the tangent height of 8 km at frequency of 235.7098 GHz is highly possible, whereas to measure O3 below 8 km is difficult. For the measurement of HCl, the threshold height is 10 km, above which profiles of HCl can be available and below which profiles is difficult to measure. (2) At THz bands, the variety of temperature and moisture has little effect on the measurements of O3 and HCl. Therefore, THz bands are superior to infrared bands, which are influenced greatly by temperature. (3) Half power beam width and spectral resolution have a certain effect on the measurements of O3 and HCl.

Key words

THz, ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator), HCl, O3, limb sounding

1 引　言

臭氧分子(O3)是平流层大气最重要的大气成分之一，臭氧问题和人类活动对臭氧的影响一直是个热点问题。近年来，人们逐渐认识到平流层大气中的一些微量成分，如含氯、含氢自由基、氮氧化物等对平流层臭氧的分解具有催化作用。平流层上部臭氧的减少是由于人为的氯类元素的积累，而平流层下部臭氧的减少是由于氯类元素Cl与溴类元素Br的增加引起的(JEM/SMILES Science Team，2002)。目前认为在O3的衰减循环中，Cl化合物是最主要的介质。氯化氢(HCl)是平流层中一种重要的氯化物，它是由人类生产生活排放的氟利昂等污染物产生的，平流层中的HCl随季节与纬度变化较大。HCl不直接破坏臭氧，然而它却是活性氯的储存库。在一定的条件下，HCl可以通过化学反应，释放或分解出Cl原子来破坏臭氧。在较高的高度上，HCl通过化学反应可生成ClO。ClO则是平流层中活性氯的主要形式，因而也是平流层臭氧氯催化破坏的主要催化剂。研究证明，平流层中的HCl的分布特征与臭氧的分布有相关性(JEM/SMILES Science Team，2002；Waters 等，2004)。因此，探测平流层中O3与HCl可提供其分布特征与变化情况，更能进一步了解O3的衰减过程以及由此带来的人为全球环境变化。

近年来，临边探测技术的发展促进了平流层中痕量气体的探测。临边星观测能够获得较高垂直分辨率的微量气体的垂直分布廓线。许多卤族与Cl类元素在太赫兹波段具有强的特征吸收谱线。目前，国际上已有的可探测O3与HCl廓线的星载临边探测器主要有AURA/MLS与JEM/SMILES。EOS/MLS采用HCl在625.9 GHz的吸收谱线来反演HCl，其单廓线反演均方根在20 km处约0.1 ppbv, 在50 km处约0.4 ppbv(Waters 等，2004)。在2005年1月—5月，NASA在北极旋涡附近开展了AURA的精度验证实验。Coffey等人(2008)基于实验中同步测量的航空傅里叶光谱仪对MLS探测的HCl等痕量气体廓线进行验证。研究表明，两个仪器获得的HCl柱总量平均差异为4%。JEM/SMILES对HCl在20—60 km的廓线探测误差RMS小于10%(Kikuchi 等，2010)。Shiotani等人(2010)将探测器SMILES反演的HCl与EOS/MLS的V2.2产品进行比较发现在45 km以下结果较一致，差异在5%之内，并将SMILES反演的HCl与EOS/MLS的V2.2产品进行比较发现在45 km以下结果较一致，差异在5%之内。目前，中国还没有星载临边探测器，有少数学者对可见光与红外波段的临边探测做了一些相关的研究(郭霞 等，2007；齐瑾 等，2008；杨春燕，2010；汪自军，2011；张恭正 等，2010)。有关太赫兹临边探测在大气探测反演方面的相关文献也相对较少(李小英 等，2013)。

大气辐射传输模型在模拟大气成分探测及反演方面起着很关键的作用，因此基于布莱梅大学研究的太赫兹临边探测辐射传输模型ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator)，模拟研究了太赫兹波段探测O3与HCl所能探测的高度，并对目标浓度变化、水汽、温度、传感器参数的敏感性进行了模拟分析。由于ARTS主要通过调用脚本文件运行，修改脚本文件操作烦琐，容易出错，因此开发了参数输入界面，完成了O3与HCl的参数输入工作。

2 ARTS辐射传输模式

2.1 ARTS概述

ARTS是用于模拟毫米和亚毫米波段大气辐射传输的软件(Eriksson 等，2011)。通过定义观测几何、大气背景条件与传感器特征参数，ARTS可以计算天底、临边与掩星3种探测方式的大气辐射传输。ARTS的一个主要应用是对遥感数据进行反演，也可用于大气辐射的基础研究(http://www.radiativetransfer.org/misc/arts-doc-stabte/uguide/art_user.pdf[2017-03-10])。

与许多辐射传输软件相似，ARTS也是通过编辑并执行控制文件来完成辐射传输的计算过程。ARTS的控制文件类似一种脚本语言。一个ARTS控制文件包含一系列指令。当ARTS被执行时，就会对控制文件进行解析，按顺序执行文件上的指令。ARTS大致包括3个部分。第一，ARTS的核心包含文件解析器和用来执行控制文件的引擎。这部分相当紧凑，只构成总源代码的一小部分。第二，有大量的工作空间方法，可以用来运行各种子任务。第三，有大量预定义的工作空间变量，这些预定义的变量，使其更容易建立控制文件(http://www.radiativetransfer.org/misc/arts-doc-stabte/uguide/art_user.pdf[2017-03-10])。

2.2 太赫兹临边探测模拟界面

由于ARTS的控制文件类似脚本语言，一个主控制文件不仅包含一系列指令，而且还调用许多控制文件。每个指令又包含各种内置函数与变量，使用起来很不方便。因此，基于太赫兹临边探测ARTS正向模型，开发太赫兹临边探测模拟界面。该模拟界面基于Matlab开发，在Linux系统下运行。可以模拟各种痕量气体在不同大气背景、不同温度、不同波段及不同传感器特征下的临边探测亮温。同时，通过模拟界面中的灵敏度分析模块，可分析太赫兹临边探测对各影响因子的敏感性。

ARTS正向模型的参数输入主要包括探测频率、大气背景、探测几何及传感器参数。因此，文中太赫兹临边探测界面可以进行有传感器与无传感器状态的模拟，并提供了有关频率范围、切高、大气背景及传感器等参数的设置。需要说明的是模拟界面主要是模拟一定太赫兹波段的临边探测，因此观测方式只能模拟临边探测，其探测几何主要由参数中的切高及传感器高度确定，而探测频率的范围为10—3000 GHz。

除了模拟探测亮温，太赫兹临边探测模拟界面还具有对温度、水汽及对目标成分探测的敏感性分析功能。每种气体的辐射响应是辐射扰动光谱与未扰动光谱之差 $\Delta R(\upsilon )$ 。结合国际上进行通道选择方法(Gambacorta和Barnet，2013)，针对气体浓度和温度对模拟结果的影响，不同气体根据浓度的不同，设置不同的变化(温度扰动设为1 K，O3与水汽扰动均设为10%)。本文针对温度设置了0.5 K、1.0 K、1.5 K(Schwartz 等，2008；Kiefer 等，2010)的扰动，气体浓度设置了5%、10%、15%的扰动，更能反映不同大气成分对卫星探测辐射值的影响大小。

此外，考虑到温度、水汽的设置以及精度方面，目前利用卫星遥感反演大气温度廓线精度可以达到1 K，AIRS Science Team在进行大气与地表参数反演时，以1 km的网格进行计算，从地面对700 hpa处，温度的均方根误差精度可以达到1 K或优于1 K；水汽从地面对200 hpa处，精度在20%以内(Susskind 等，2003)。

3 O3与HCl太赫兹临边探测模拟及敏感因子分析

本文O3与HCl太赫兹临边探测模拟及敏感因子分析，是基于HITRAN大气吸收谱线分布库，利用ARTS大气辐射传输模型进行的在O3的衰减循环中，Cl化合物是最主要的介质。除了探测O3本身的变化，氯类元素Cl的监测也很重要。因此，基于上述的太赫兹临边探测模拟界面，文章模拟分析了O3与HCl在太赫兹波段临边探测的敏感因子。目前，国际上已有的太赫兹传感器辐射计频率主要在100—1000 GHz，文章也主要模拟研究该范围波段。

图1(a)、(b)分别是O3与HCl在100—1000 GHz的吸收谱线分布。O3在100—1000 GHz范围内具有连续的吸收谱线，目前国际上现有的辐射计频率设置，比如MLS利用240 GHz为中心频率来反演O3，本文选择235.7098 GHz为中心的频率作为模拟研究的中心频率。而HCl的吸收谱线分布与O3区别很大，只在625.9188 GHz附近有个强吸收谱线，因此本文以625.9188 GHz为中心频率来模拟HCl的临边探测。


图 1 吸收谱线分布
Fig. 1 Absorption spectrum distribution

3.1 O3与HCl在太赫兹波段探测高度分析

在临边模式下，仪器以切线形式对大气进行分层探测，其观测高度有下限。当探测高度低于某一高度时, 由于分子吸收和散射引起的较强衰减几乎抵消掉了进入视线的辐射能量，从而产生探测下限，称为“膝点”。不同大气成分的探测高度下限不同。本文模拟太赫兹临边探测下，O3与HCl所能探测的高度下限。分别针对这两种气体，模拟大气中含有中纬度冬季大气模式下标准浓度的目标成分与不含目标成分的探测亮温，以此来比较分析在某一高度时能否探测O3或HCl。模拟时，对传感器的参数进行如下设置，天线半功率波束宽度HPBW(Half Power BeamWidth)为0.02°，光谱分辨率设置为5 MHz，大气背景设置为中纬度冬季。

分析某种大气成分是否能探测时，除了要考虑仪器探测灵敏度，还要考虑仪器的探测噪声。本文参考AURA/MLS的仪器灵敏度与探测噪声, 设仪器灵敏度为0.1 K，而探测噪声则因探测成分不同而不同，O3与HCl的探测噪声分别为1.4 K与4—4.4 K，即如果探测亮温差低于仪器噪声，那么就很难探测出目标，反之则可能探测出目标。

3.1.1 O3的探测高度分析

图2为O3在235.7098 GHz附近的临边探测高度分析图。图2(a)为含有中纬度冬季大气模式标准浓度的O3与不含O3的临边探测，其中不同颜色的实线表示不同高度下含有O3的临边探测亮温，不同颜色的虚线代表不同高度下不含O3的临边探测亮温；图2(b)为含有标准浓度O3与不含O3的探测亮温差。从图2(a)明显看出，含有标准浓度O3的临边探测曲线在235.7098 GHz附近有吸收峰，而不含O3的临边探测曲线在该频率处没有吸收峰，说明235.7098 GHz可以用来探测O3。从图2(b)分析得出，对于O3，在切高8 km及以上，含有标准浓度O3与不含O3吸收的临边探测亮温差值都很明显，在中心频率处其亮温差值具有明显峰值，在8 km以上亮温差能达到50 K以上。因此，在切高8 km以上能探测O3的可能性很大。然而，在切高5 km处，中心频率处的差值只能达到3 K左右。仪器的探测噪声为1.4 K，理论上也能探测到标准浓度下的O3。但是，考虑到会存在探测随机噪声及其他不确定因素影响，5 km与8 km处探测数据的可用性会大大降低。


图 2 O3临边探测对高度模拟分析
Fig. 2 Simulation of limb sounding altitude of O3

3.1.2 HCl的探测高度分析

图3为HCl在625.9188 GHz附近的临边探测高度分析图。图3(a)为含有中纬度冬季大气模式标准浓度的HCl与不含HCl临边探测，不同颜色的实色表示不同高度下含有标准浓度HCl的临边探测亮温，不同颜色的虚线代表不同高度下不含HCl的临边探测亮温；图3(b)为含有标准浓度HCl与不含HCl的探测亮温差。从图3(a)明显看出，含有标准浓度HCl的临边探测曲线在625.9188 GHz附近有吸收峰，而不含HCl的临边探测曲线在该频率处没有吸收峰，说明625.9188 GHz可以用来探测HCl。从图3(b)分析得出，对于HCl，在切高10 km及以上，含有标准浓度HCl与不含HCl的亮温差值都很明显，在中心频率处其亮温差值具有明显峰值，在10 km及以上亮温差能达9 K以上。因此，在切高10 km以上能探测HCl的可能性很大。然而，在切高8 km与5 km处，中心频率处的差值只能达到1—2 K左右。考虑HCl的仪器探测噪声4 K左右，那么8 km处及以下高度，应该探测不了标准浓度下的HCl。


图 3 HCl临边探测高度分析
Fig. 3 Simulation of limb sounding altitude of HCl

3.2 O3与HCl太赫兹临边探测敏感性分析

为了分析太赫兹临边探测对于探测目标的探测灵敏度，本文在设定的传感器参数与标准大气背景下，分别模拟O3与HCl浓度提高5%、10%及15%时的探测亮温，来分析太赫兹临边探测这两种目标成分的敏感性。假设仪器探测灵敏度为0.1 K，即如果探测差异达不到仪器灵敏度，那么则认为仪器对于探测目标不敏感。模拟时，对传感器的参数进行如下设置，天线响应的HPBW=0.022°，光谱分辨率设置为5 MHz。大气背景采用ARTS自带的中纬度冬季大气廓线库。模拟的切高分别设置为50 km、30 km与10 km。

图4是在不同切高下，O3浓度分别增加5%、10%与15%时的亮温与标准浓度下探测亮温的差值。在10 km切高时，在O3吸收峰附近，3种浓度变化带来的亮温差绝对值均小于仪器灵敏度0.1 K，因此，在10 km切高下，对O3临边探测不灵敏；在30 km切高处，虽然在O3的吸收峰处浓度变化引起的亮温差也不超过0.1 K，但是在吸收峰两侧，5%、10%及15%的浓度变化带来的亮温差分别约达到了1.6 K、3.2 K和4.7 K；而在50 km处，在吸收峰处有明显亮温差异，分别约达到了1.9 K、3.7 K与5.5 K。模拟结果表明，太赫兹临边探测对于探测目标O3，在10 km及以下高度，对目标的浓度变化不敏感，而在中高空则很敏感。


图 4 O3临边探测敏感性模拟
Fig. 4 Simulating sensitivity of limb sounding O3

图5为在不同切高下，HCl浓度分别增加5%、10%与15%时的亮温与标准浓度下探测亮温的差值。从图5可以看出，在切高10 km处，3种浓度变化带来的亮温差都接近于0；而在切高30 km与50 km的高度，HCl的吸收峰处，3种浓度变化带来的亮温差分别约为0.7 K、1.3 K、2 K以及0.6 K、1.2 K、1.9 K，均远远超过仪器灵敏度0.1 K。结果说明，与O3一样，在切高10 km及以下高度，对HCl浓度变化临边探测不敏感，而在中高空则很敏感。


图 5 HCl临边探测敏感性模拟
Fig. 5 Simulating sensitivity of limb sounding HCl

3.3 温度和水汽浓度对O3和HCl敏感的模拟

在热红外区域，最重要的大气参数包括温度和水汽，痕量气体的反演受这两个参数的影响很大，微小的变化都会影响痕量气体的精度。为了探究这两个参数在太赫兹波段对O3与HCl的影响程度，进一步模拟了温度和水汽浓度对O3与HCl的敏感性。

3.3.1 温度对O3与HCl探测敏感的分析

通过模拟某切高处的温度变化来分析太赫兹临边探测O3与HCl时温度扰动的敏感性。传感器参数与大气背景采用3.1节的设置，由于大气温度廓线的卫星反演精度可以达到1 K，分别模拟正常背景温度与将温度提高0.5 K、1 K及1.5 K(Schwartz 等，2008；Kiefer 等，2010)情况下的O3与HCl的临边探测亮温，分析温度对O3与HCl太赫兹临边探测的影响。温度变化的切高分别设置为50 km、30 km与10 km。

图6为太赫兹临边探测O3时，温度增加0.5 K、1 K、1.5 K与标准温度下亮温的差值。从图6可以看出，切高10 km处，在吸收峰及其附近频率，温度提高0.5 K、1 K与1.5 K时，O3中心频率附近的亮温差还在仪器灵敏度0.1 K以内；在切高30 km与50 km处，温度提高0.5 K时，亮温差都不超过0.1 K；而当温度提高1 K与1.5 K时，亮温差都分别为0.16 K与0.25 K左右。因此温度0.5 K的扰动对O3临边探测不影响。而当温度扰动达到1 K与1.5 K时，亮温差略高出仪器灵敏度，但高出不到0.1 K，因此认为O3临边探测对于温度1—1.5 K的扰动有些敏感，但不明显。


图 6 温度扰动对O3临边探测敏感性的模拟
Fig. 6 Sensitivity of limb sounding O3 under temperature fluctuation

图7为温度增加0.5 K、1 K、1.5 K与标准温度下HCl探测亮温的差值。从图7可以看出，在HCl的吸收峰及附近只有在切高10 km处，HCl临边探测对于温度1—1.5 K的变化的亮温差略高于仪器灵敏度，而其他切高的亮温变化都在0.1 K范围内，即可以认为HCl临边探测对于温度0.5—1.5 K的扰动不敏感。


图 7 温度扰动对HCl临边探测敏感性的模拟
Fig. 7 Sensitivity of limb sounding HCl under temperature fluctuation

从图6、7可以看出，O3在235.7 GHz、HCl在625.35 GHz及625.9 GHz处，温度分别提高0.5 K、1 K、1.5 K后，临边探测的亮温值变低。这是因为NO、CH4、CO2、HCl等气体成分在这些频率处温度升高时，他们的吸收程度能力减弱，发射降低，从而造成探测到亮温值减小。这与Hitran库温度对吸收线强的影响一致。

3.3.2 水汽浓度对O3与HCl敏感的分析

图8为水汽浓度增加5%、10%与15%时的O3临边探测亮温与标准水汽浓度下O3探测亮温的差值。从图8可以看出，无论在哪个切高，O3吸收峰及附近的亮温变化都在0.1 K以内，30 km与50 km的亮温差接近于0，因此在此波段，O3对于水汽5%—15%浓度变化不敏感。


图 8 水汽浓度扰动对O3临边探测敏感性的模拟
Fig. 8 Sensitivity of limb sounding O3 under humidity fluctuation

图9为水汽浓度增加5%、10%与15%时的HCl临边探测亮温与标准水汽浓度下HCl探测亮温的差值。从图9可以看出，除了10 km切高处，HCl对于水汽5%—15%浓度增加不敏感。10 km处亮温变化比其他切高处大，在吸收峰及附近，当水汽浓度提高10%—15%时，亮温差约为0.1—0.15 K，但也比较接近仪器灵敏度，因此认为HCl对于水汽5%—15%的扰动不敏感。


图 9 水汽浓度扰动对HCl临边探测敏感性的模拟
Fig. 9 Sensitivity of limb sounding HCl under humidity fluctuation

3.4 传感器特征参数对临边探测的影响

传感器的特征参数对临边探测也会有影响，不同的参数敏感度不一样，本文选择传感器的视场角与光谱分辨率，来分析临边探测对它们的灵敏度。

3.4.1 传感器视场角的影响

仪器的视场角被定义为对入射辐射的角度响应函数。在太赫兹临边探测器中，一般采用半功率波束宽度HPBW来描述仪器的视场角。本文分别假设HPBW为0.02°、0.04°、0.06°及0.08°，采用高斯函数模拟得到不同的探测器天线响应分布。分别模拟不同HPBW情况下，O3与HCl的临边探测。模拟时，传感器光谱分辨率设置为5 MHz，大气背景采用ARTS自带的中纬度冬季大气廓线库。模拟的切高分别设置为50 km、30 km与10 km。模拟结果如图10与图11。


图 10 HPBW对O3临边探测敏感度的分析
Fig. 10 Sensitivity analysis of limb sounding O3 under different HPBW


图 11 HPBW对HCl临边探测敏感度的分析
Fig. 11 Sensitivity analysis of limb sounding HCl under different HPBW

图10与图11分别为O3与HCl临边探测对HPBW敏感度模拟结果。从图10中可看出，不同的切高探测结果表明，随着切高的增加，亮温值降低。并且，随着切高的增加，不同HPBW仪器的探测结果之间的差异越来越小。当切高=10 km时，不同HPBW的仪器对O3与HCl的探测会有些影响，但对O3的影响小，对HCl的影响比较明显。当切高为30 km和50 km时，HPBW差异影响基本可以忽略。即，在O3与HCl的太赫兹临边探测中，不同HPBW只对低切高有影响，而对中高空的影响很小。

3.4.2 传感器通道光谱分辨率的影响

光谱分辨率为探测光谱辐射能量的最小波长间隔，是传感器光谱探测能力的表现。本文分别采用光谱分辨率为1 MHz、5 MHz、10 MHz与20 MHz来模拟分析临边探测O3与HCl对光谱分辨率的敏感度。首先，采用高斯函数模拟得到4种光谱分辨率的光谱响应函数，并将HPBW设为常数0.02°。模拟时，大气背景采用ARTS自带的中纬度冬季大气廓线库。模拟的切高分别设置为50 km、30 km与10 km。模拟结果如图12与图13所示。


图 12 光谱分辨率对O3临边探测敏感度的分析
Fig. 12 Sensitivity analysis of limb sounding O3 under spectral resolutions


图 13 光谱分辨率对HCl临边探测敏感度的分析
Fig. 13 Sensitivity analysis of under spectral resolutions for limb sounding HCl

图12与图13分别为O3与HCl临边探测对光谱分辨率的敏感度模拟结果。从模拟结果可看出，传感器的光谱分辨率对O3与HCl临边探测会有影响，主要体现在中心频率的吸收峰值随着光谱分辨率的降低而降低，且细部信息也会减少。在切高10 km处，光谱分辨率为1 MHz时，临边探测O3的峰值超过228 K，而光谱分辨率降低为20 MHz时，峰值只有218 K左右，两者相差了10 K左右；对于HCl，切高10 km处，光谱分辨率1 MHz与20 MHz的探测峰值相差3.5 K。而且，光谱分辨率带来的影响随着切高的增加而增大。当切高为10 km、30 km与50 km时，对于O3，光谱分辨率1 MHz与20 MHz的探测峰值相差分别为10 K、12 K与74 K左右；对于HCl，峰值相差约为3.5 K、13.5 K与44 K。因此，O3与HCl的临边探测对传感器光谱分辨率的敏感度较高。

4 结　论

基于太赫兹临边探测辐射传输软件包ARTS，将输入参数及运行进行界面化，开发了太赫兹临边探测模拟界面。文章基于该模拟界面模拟研究了太赫兹波段探测O3与HCl所能探测的高度，并对目标浓度变化、水汽、温度、传感器参数的敏感性进行了模拟分析。研究结果表明：

(1) 在235.7098 GHz频率处，在切高8 km以上能临边探测O3的可能性很大，而8 km以下难以探测；在625.9188 GHz频率处，在切高10 km以上能临边探测HCl的可能性很大，但10 km以下则无法探测HCl。

(2) 在太赫兹波段，O3与HCl临边探测对于温度与水汽的扰动比较不敏感，尤其在10 km以上受它们的影响很小。这个特征优于红外波段，红外波段受温度的影响比较大。

(3) 通过模拟O3与HCl浓度提高5%、10%及15%时的探测亮温，发现太赫兹临边探测对于探测目标O3与HCl，在10 km及以下高度，对目标的浓度变化不敏感，而在中高空则很敏感。

(4) 传感器的天线半带宽及光谱分辨率对O3与HCl的临边探测有一定的影响。天线半带宽主要对低空的探测有影响，而在中高空，基本没影响。而光谱分辨率对于O3与HCl吸收峰处的探测影响比较大。

参考文献(References)

  • Coffey M T, Hannigan J W, Goldman A, Kinnison D, Gille J C, Barnett J J, Froidevaux L, Lambert A, Santee M, Livesey N, Fisher B, Kulawik S S and Beer R. 2008. Airborne Fourier transform spectrometer observations in support of EOS Aura validation. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113 (D16): D16S42 [DOI: 10.1029/2007JD008833]
  • Eriksson P, Buehler S A, Davis C P, Emde C and Lemke O. 2011. ARTS, the atmospheric radiative transfer simulator, version 2. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 112 (10): 1551–1558. [DOI: 10.1016/j.jqsrt.2004.05.051]
  • Gambacorta A and Barnet C D. 2013. Methodology and information content of the NOAA NESDIS operational channel selection for the cross-track infrared sounder (CrIS). IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 51 (6): 3207–3216. [DOI: 10.1109/TGRS.2012.2220369]
  • Guo X, Wang P C and Lv D R. 2007. Spectrum and vertical-distribution characteristics of limb-scan radiation in the 2~5 μm mid-infrared band. Journal of Atmospheric and Environmental Optics, 2 (6): 479–485. ( 郭霞, 王普才, 吕达仁. 2007. 2.0~5.0 μm红外临边辐射光谱与垂直分布特征分析. 大气与环境光学学报, 2 (6): 479–485. )
  • Kiefer M, Arnone E, Dudhia A, Carlotti M, Castelli E, von Clarmann T, Dinelli B M, Kleinert A, Linden A, Milz M, Papandrea E and Stilleret G. 2010. Impact of temperature field inhomogeneities on the retrieval of atmospheric species from MIPAS IR limb emission spectra. Atmospheric Measurement Techniques, 3 (5): 1487–1507. [DOI: 10.5194/amt-3-1487-2010]
  • Kikuchi K I, Nishibori T, Ochiai S, Ozeki H, Irimajiri Y, Kasai Y, Koike M, Manabe T, Mizukoshi K, Murayama Y, Nagahama T, Sano T, Sato R, Seta M, Takahashi C, Takayanagi M, Masuko H, Inatani J, Suzuki M and Shiotani M. 2010. Overview and early results of the superconducting submillimeter-wave limb-emission sounder (SMILES). Journal of Geophysical Research, 115 (D23): D16S42 [DOI: 10.1029/2010JD014379]
  • Li X Y, Chen L F, Guo A Y, Su L, Jia S L, Tao J H and Zhang Y. 2015. Sub-millimeter wave limb sounding simulation of the plume flow of a high-flying vehicle. Journal of Remote Sensing, 19 (1): 54–61. [DOI: 10.11834/jrs.20153314] ( 李小英, 陈良富, 国爱燕, 苏林, 贾松林, 陶金花, 张莹. 2015. 高空飞行器尾焰亚毫米波临边探测模拟与分析. 遥感学报, 19 (1): 54–61. [DOI: 10.11834/jrs.20153314] )
  • Li X Y, Chen L F, Su L, Zhang Y and Tao J H. 2013. Overview of sub-millimeter limb sounding. Journal of Remote Sensing, 17 (6): 1325–1344. [DOI: 10.11834/jrs.20132279] ( 李小英, 陈良富, 苏林, 张莹, 陶金花. 2013. 亚毫米波临边探测发展现状. 遥感学报, 17 (6): 1325–1344. [DOI: 10.11834/jrs.20132279] )
  • Qi J, Zhang P, Zhang W J, Dong C H, Qiu H and Li X J. 2008. Sensitivity experiment of the DOAS retrieval of nitrogen dioxide based on SCIATRAN mode. Acta Meteorologica Sinica, 66 (3): 396–404. [DOI: 10.3321/j.issn:0577-6619.2008.03.010] ( 齐瑾, 张鹏, 张文建, 董超华, 邱红, 李晓静. 2008. 基于SCIATRAN模型的二氧化氮DOAS反演敏感性试验. 气象学报, 66 (3): 396–404. [DOI: 10.3321/j.issn:0577-6619.2008.03.010] )
  • Schwartz M J, Lambert A, Manney G L, Read W G, Livesey N J, Froidevaux L, Ao C O, Bernath P F, Boone C D, Cofield R E, Daffer W H, Drouin B J, Fetzer E J, Fuller R A, Jarnot R F, Jiang J H, Jiang Y B, Knosp B W, Krüger K, Li J L F, Mlynczak M G, Pawson S, Russell J M, Santee M L, Snyder W V, Stek P C, Thurstans R P, Tompkins A M, Wagner P A, Walker K A, Waters J W and Wu D L. 2008. Validation of the aura microwave limb sounder temperature and geopotential height measurements. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 113 (D15): D15S11 [DOI: 10.1029/2007JD008783]
  • Shiotani M, Takayanagi M, Suzuki M and Sano T. 2010. Recent results from the superconducting submillimeter-wave limb-emission sounder (SMILES) onboard ISS/JEM//Proceeding of SPIE 7826, Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites XIV. Toulouse, France: SPIE, 7826: 78260D [DOI: 10.1117/12.865806]
  • SMILES Science Team. 2002. JEM/SMILES mission plan, Version 2.1. 1-120. [2012-08-25] http://darts.jaxa.jp/iss/smiles/ docs/SMILFS_MP_rer2-1.pdf
  • Susskind J, Barnet C D and Blaisdell J M. 2003. Retrieval of atmospheric and surface parameters from AIRS/AMSU/HSB data in the presence of clouds. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 41 (2): 390–409. [DOI: 10.1109/TGRS.2002.808236]
  • Wang Z J. 2011. Study on Retrieval of Atmospheric Trace Gas Concentration from Satellite Based Limb Radiance. Changchun: Jilin University. (汪自军. 2011. 基于卫星临边辐射的大气痕量气体含量反演研究. 长春: 吉林大学)
  • Waters J W, Froidevaux L, Jarnot R F, Read W G, Pickett H M, Harwood R S, Cofield R E, Filipiak M J, Flower D A, Livesey N J, Manney G L, Pumphrey H C, Santee M L, Siegel P H and Wu D L. 2004. An overview of the EOS MLS experiment. version 2.0. Technical Report, Jet Propulsion Laboratory. D-15745. Pasadena, CA: Caltech Jet Propulsion Laboratory
  • Yang C Y. 2010. Retrieval of Ozone Profile from Limb Scatter Measurements Using Differential Optical Absorption Spectroscopy (DOAS). Changchun: Jilin University (杨春燕. 2010. 大气临边散射DOAS反演臭氧廓线. 长春: 吉林大学)
  • Zhang G Z, Chen S B, Wang M C, Tao Y L, Pang C and Guo J H. 2010. SCIATRAN based limb atmospheric radiative transfer simulation. Science Technology and Engineering, 10 (6): 1506–1509, 1513. [DOI: 10.3969/j.issn.1671-1815.2010.06.042] ( 张恭正, 陈圣波, 王明常, 陶玉龙, 逢超, 郭金海. 2010. 基于SCIATRAN模型的Limb大气辐射传输模拟. 科学技术与工程, 10 (6): 1506–1509, 1513. [DOI: 10.3969/j.issn.1671-1815.2010.06.042] )
数据专区
  • 目录 目录
  • 文章信息 文章信息
  • 引用格式 引用格式
  • 地图 地图
  • 评论 评论
  • 图 图
  • 表 表
  • 二维码 二维码
  • 参考文献 参考文献
  • 多媒体 多媒体