圖1. 激光外差光譜技術(shù)流程

2024年1月，中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所的黃印博、曹振松團(tuán)隊(duì)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(tuán)隊(duì)于2019年8月在格爾木地區(qū)使用便攜式激光外差輻射計(jì)(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(jì)方法檢測(cè)了HDO和H2O的密度，得到H2O的平均柱狀密度為1.22，在觀測(cè)期間格爾木的HDO/H2O比例為178±15×10-6。

測(cè)試方法 & 部分測(cè)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(hào)混合。外差檢測(cè)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(hào)和輸入光信號(hào)的振幅，νLO和νS分別是激光信號(hào)和輸入光信號(hào)的頻率，η是檢測(cè)器的效率。公式的第二項(xiàng)是混頻信號(hào)，其功率為：

當(dāng)輸入光信號(hào)功率較弱時(shí)，它所攜帶的光強(qiáng)信息可以通過局部振蕩器(Local Oscillator, LO)產(chǎn)生的光信號(hào)進(jìn)行放大。生成的混頻信號(hào)經(jīng)過濾波、檢測(cè)和解調(diào)處理，得到大氣氣體的吸收光譜信號(hào)。

圖2. (a)激光外差輻射計(jì)和 (b)緊湊外差模型 的布局

激光外差輻射計(jì)由三個(gè)模塊組成：太陽追蹤模塊、混頻模塊和信號(hào)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(hào)混合，為了增強(qiáng)混頻信號(hào)，振蕩光信號(hào)和太陽光信號(hào)的混合比約為激光外差輻射計(jì)由三個(gè)模塊組成：太陽追蹤模塊、混頻模塊和信號(hào)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(hào)混合，為了增強(qiáng)混頻信號(hào)，振蕩光信號(hào)和太陽光信號(hào)的混合比約為10%：90%?；旌瞎馔ㄟ^斜軸拋物面(off-axis parabolic, OAP)聚焦并輸入到檢測(cè)器中。然后，介質(zhì)信號(hào)由射頻設(shè)備處理，并使用鎖相放大器OE1201解調(diào)。

測(cè)量得到的混頻光譜通過最優(yōu)估計(jì)方法(Optimal Estimation Method，OEM)進(jìn)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(cè)量和反演擬合光譜

采用OEM方法后,得到了更準(zhǔn)確的符合測(cè)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(cè)量和反演擬合光譜如圖4所示：藍(lán)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(cè)量得到的(a)先驗(yàn)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(cè)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(jì)的靈敏度不足以檢測(cè)它們。而在這個(gè)范圍內(nèi)反演得到的值幾乎與先驗(yàn)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(duì)流層內(nèi)利用激光外差輻射計(jì)反演出H2O和HDO的剖面。

總結(jié)

2019年8月，黃印博、武鵬飛團(tuán)隊(duì)成功在格爾木地區(qū)使用自建的3.66μm的激光外差輻射計(jì)獲取大氣中HDO和H2O的吸收光譜，在實(shí)驗(yàn)期間的平均柱狀密度為1.07至1.4g/cm2 ，在觀測(cè)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(tuán)隊(duì)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(xì)化的高度層減少了冗余信息。同時(shí)該研究采用反向軌跡分析來研究H2O(HDO)密度與大氣運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，并根據(jù)觀測(cè)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