二氧化碳在遥感探测波段的高精密变温吸收光谱测量

Carbon dioxide is one of the most important greenhouse gases which has also been considered as the principal anthropogenic driver of climate change. Accurate retrieving column values of CO2 in the atmosphere could provide meaningful information for the sources and sinks of CO2 in the Earth’s atmosphere and is critical to the global carbon cycle and carbon budget. Therefore, different satellite-based remote sensing tasks have been proposed, for instance, the NASA Orbiting Carbon Observatory re-flight (OCO-2), the Greenhouse Gases Observing Satellite (GOSAT) and the TanSat satellite which was launched by China in 2016. The accurate remote sensing retrieval for CO2 was proposed to reach the sub-percent precision of CO2 concentration measurement which requires much better spectroscopical CO2 line parameters. While the current line parameters for CO2 in HITRAN is still not efficient especially for the line broadening and temperature exponents. In this project, the infrared spectrum of CO2 at variable temperature corresponding to tropospheric temperature 220K-310K will be measured through cavity ring-down spectroscopy in the remote sensing detecting region around 1.4-2.5 micro. The high precision line shape parameters including line broadening and the temperature exponent will be determined to sub-percent accuracy. These measurements will provide CO2 cross-section data for improving the remote sensing retrieval accuracy.

二氧化碳分子是最为重要的温室气体，被认为是全球气候变暖的首要因素，精确测量大气二氧化碳柱浓度分布对于确定其浓度变化来源和了解全球碳循环以及碳收支都至关重要。因此全球各国都开展了二氧化碳卫星遥感探测研发工作，包括日本的GOSAT、美国的OCO-2，以及我国的碳卫星TANSAT。而卫星光谱数据的反演精度直接受限于反演算法中所用的模拟光谱的准确性，为了获得1%以内的反演精度，对二氧化碳光谱参数数据精度提出了更高要求。而目前的HITRAN光谱数据库中二氧化碳的展宽温度系数的精度还不足以满足高精度卫星反演的需求，因此获得高精密的二氧化碳光谱数据参数是非常重要的。本项目计划采用激光光腔衰荡光谱技术研究在大气模拟条件下(大气对流层温度220K-310K)二氧化碳分子在卫星遥感探测波段(1.4-2.5微米)的变温吸收光谱，获得展宽温度相关系数好于1%的高精密光谱线型参数，为提高卫星反演精度提供数据支持。

二氧化碳是最重要的温室气体分子，高精度的二氧化碳光谱数据对于提高卫星光谱数据的反演精度有直接的促进作用。本项目中，我们发展高精度的光腔衰荡光谱方法（CRDS）应用于二氧化碳的高精密光谱研究中，在探测灵敏度达到10-11cm-1水平（相当于有效吸收长度数千千米）的同时，光谱绝对频率的测量精度也可达到亚MHz甚至kHz，对二氧化碳分子在卫星遥感探测波段的吸收光谱线形开展了高精度的测量，对相关测量不确定度开展了分析。利用所发展的技术方法，成功地实现了对CO2分子近红外跃迁频率的亚kHz精度测定，对应相对频率精度在10-12水平。同时还研究了在低压条件下，分子的压力位移和压力加宽。这些数据都是非常重要的核心基础数据，可应用于大气二氧化碳的测量中作为基础光谱数据参考。