圖1. 激光外差光譜技術(shù)流程

2024年1月，中國科學院安徽光學精密機械研究所的黃印博、曹振松團隊在MDPI出版的期刊Remote Sensing下發(fā)表了一篇題為”Atmospheric HDO Abundance Measurements in the Tibetan Plateau Based on Laser Heterodyne Radiometer”的文章。該文章通過分析大氣輸送的反向軌跡，研究了水蒸氣密度與大氣運動之間的關(guān)系，并確定H2O柱狀密度和HDO/H2O比例的變化與大氣運動有關(guān)系。

青藏高原被稱為世界的青藏高原被稱為世界的“第三極”，其環(huán)境變化深刻影響著東亞甚至全球氣候。HDO是水蒸氣的穩(wěn)定同位素，是研究水循環(huán)的理想示蹤劑，并且常用于大氣環(huán)流和氣候研究。黃印博、武鵬飛團隊于2019年8月在格爾木地區(qū)使用便攜式激光外差輻射計(Laser Heterodyne Radiometer, LHR)獲取了大氣中HDO和H2O的吸收光譜，并采用最優(yōu)估計方法檢測了HDO和H2O的密度，得到H2O的平均柱狀密度為1.22，在觀測期間格爾木的HDO/H2O比例為178±15×10-6。

測試方法 & 部分測試結(jié)果

激光外差光譜技術(shù)利用窄線寬激光器與輸入光信號混合。外差檢測器(Heterodyne Detector)理論上可產(chǎn)生的總光電流值為：

其中ALO和AS分別是激光信號和輸入光信號的振幅，νLO和νS分別是激光信號和輸入光信號的頻率，η是檢測器的效率。公式的第二項是混頻信號，其功率為：

當輸入光信號功率較弱時，它所攜帶的光強信息可以通過局部振蕩器(Local Oscillator, LO)產(chǎn)生的光信號進行放大。生成的混頻信號經(jīng)過濾波、檢測和解調(diào)處理，得到大氣氣體的吸收光譜信號。

圖2. (a)激光外差輻射計和 (b)緊湊外差模型 的布局

激光外差輻射計由三個模塊組成：太陽追蹤模塊、混頻模塊和信號處理模塊。太陽光被太陽追蹤器捕獲并與局部振蕩器產(chǎn)生的光信號混合，為了增強混頻信號，振蕩光信號和太陽光信號的混合比約為激光外差輻射計由三個模塊組成：太陽追蹤模塊、混頻模塊和信號處理模塊。太陽光被太陽追蹤器捕獲并與局部振蕩器產(chǎn)生的光信號混合，為了增強混頻信號，振蕩光信號和太陽光信號的混合比約為10%：90%。混合光通過斜軸拋物面(off-axis parabolic, OAP)聚焦并輸入到檢測器中。然后，介質(zhì)信號由射頻設(shè)備處理，并使用鎖相放大器OE1201解調(diào)。

測量得到的混頻光譜通過最優(yōu)估計方法(Optimal Estimation Method，OEM)進行反演，該方法由C. Rodgers開發(fā)，廣泛用于大氣反演，可以通過自設(shè)參數(shù)(如大氣層、迭代次數(shù)和迭代類型)獲得可信的結(jié)果。HDO和H2O反演的流程如圖3所示。

圖3. 反演流程圖

圖4. 測量和反演擬合光譜

采用OEM方法后,得到了更準確的符合測量光譜的擬合。在反演過程中分別獲取了HDO和H2O的吸收光譜。其中一組測量和反演擬合光譜如圖4所示：藍線為HDO的擬合光譜，綠線為H2O的擬合光譜，紅線為反演擬合的合成光譜。殘留光譜小于±0.1 V。

圖5. 8月2日測量得到的(a)先驗剖面、H2O和HDO的反演剖面變化曲線，(b) HDO/H2O的比值曲線

圖5 的測量結(jié)果提供了范圍在10公里以下的大氣中HDO和H2O分布的信息。在上層大氣中，HDO和H2O的密度明顯較低，并且激光外差輻射計的靈敏度不足以檢測它們。而在這個范圍內(nèi)反演得到的值幾乎與先驗剖面相同，表明基于更高靈敏度和更全面的反演算法，可以在較低對流層內(nèi)利用激光外差輻射計反演出H2O和HDO的剖面。

總結(jié)

2019年8月，黃印博、武鵬飛團隊成功在格爾木地區(qū)使用自建的3.66μm的激光外差輻射計獲取大氣中HDO和H2O的吸收光譜，在實驗期間的平均柱狀密度為1.07至1.4g/cm2 ，在觀測期間格爾木的HDO/H2O比例為163×10-6至193×10-6。在光譜研究過程中，黃印博、武鵬飛團隊根據(jù)高度網(wǎng)格的分析優(yōu)化了檢索過程中的高度間隔，通過精細化的高度層減少了冗余信息。同時該研究采用反向軌跡分析來研究H2O(HDO)密度與大氣運動之間的關(guān)系，并根據(jù)觀測結(jié)果說明氣流的起源和路徑能夠?qū)2O密度和同位素豐度產(chǎn)生影響。

審核編輯 黃宇