基于O2(0-1)譜帶反演氣輝層轉(zhuǎn)動(dòng)溫度的研究

李立城，郜海陽(yáng),2*，卜令兵，張其林，王 震

1. 南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044 2. 南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044

引 言

中間層頂區(qū)域是整個(gè)地球大氣中一個(gè)重要的能量耦合區(qū)域。重力波、潮汐波和行星波等許多動(dòng)力學(xué)過程在這一區(qū)域十分活躍[1-4]。溫度作為一種很好的示蹤劑，可以用來研究動(dòng)力學(xué)過程。此外，一些研究發(fā)現(xiàn)該地區(qū)周圍的溫度可能具有顯著的氣候效應(yīng)，溫室氣體的增加在對(duì)流層起到了升溫的作用，但在中高層大氣中可能起到冷卻作用[5-7]。因此，為了探索這一區(qū)域的科學(xué)問題，有必要設(shè)計(jì)一類高效的溫度觀測(cè)儀器，既能夠執(zhí)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的溫度監(jiān)測(cè)，也具備足夠的靈敏度從而用來探測(cè)各種尺度的動(dòng)力過程。

目前國(guó)際上已有幾類測(cè)量中間層頂區(qū)域溫度的儀器，其中一種較為簡(jiǎn)潔實(shí)用的儀器是基于光譜光度計(jì)的原理，利用光學(xué)被動(dòng)遙感技術(shù)來探測(cè)氣輝輻射的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。在不同溫度下，O2或OH氣輝的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)譜線強(qiáng)度之比有明顯的變化，通過探測(cè)譜線強(qiáng)度相對(duì)變化來反演轉(zhuǎn)動(dòng)溫度。其中典型的最具代表性的儀器為： 中間層頂氧氣轉(zhuǎn)動(dòng)溫度成像儀(mesopause oxygen rotational temperature imager,MORTI)和它的升級(jí)版氣輝光譜溫度成像儀(spectral airglow temperature imager,SATI)[8-9]?；谄鋬?yōu)異的性能，MORTI和SATI已廣泛應(yīng)用于國(guó)際上的許多臺(tái)站(如中國(guó)、西班牙、日本、俄羅斯和加拿大)，用于研究中間層的小尺度動(dòng)力學(xué)過程和溫度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)[10-13]?；谶@一原理，日本Shiokawa教授課題組開發(fā)了一套6通道的氣輝溫度光度計(jì)[14]，它使用6個(gè)窄帶濾光片和一個(gè)背照式制冷CCD來測(cè)量短曝光周期內(nèi)不同波段的氣輝轉(zhuǎn)動(dòng)溫度，其光學(xué)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更緊湊，因此系統(tǒng)各項(xiàng)性能更容易進(jìn)行定標(biāo)?？傮w來看，這類儀器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔且穩(wěn)定性好，適用于組網(wǎng)觀測(cè)，從而為多站數(shù)據(jù)聯(lián)合研究大尺度行星波和全球溫度長(zhǎng)期變化趨勢(shì)提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。目前，使用這些儀器組成的觀測(cè)網(wǎng)中有兩個(gè)比較具有影響力，一個(gè)是行星尺度中間層頂觀測(cè)系統(tǒng)(the planetary scale mesopause observing system,PSMOS)和中間層大氣變化觀測(cè)網(wǎng)(the network for the detection of mesospheric change,NDMC)[15-16]。其中，NDMC是一個(gè)全球性質(zhì)的組網(wǎng)項(xiàng)目，其任務(wù)是促進(jìn)和加強(qiáng)研究中間層頂區(qū)域(80～100 km)的課題組之間國(guó)際合作，以監(jiān)測(cè)全球氣候變化在中間層頂區(qū)域的響應(yīng)特征。在國(guó)內(nèi)，2008年啟動(dòng)的“子午工程”已經(jīng)建成一個(gè)具備多種觀測(cè)手段的空間環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，其中的全天空成像儀或FP干涉儀，用來探測(cè)中高層大氣的溫度、風(fēng)速及重力波等大氣參數(shù)[17-18]。中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心徐寄遙課題組建成了國(guó)際上第一個(gè)無縫隙的全天空OH氣輝探測(cè)站網(wǎng)[19-20]。

在任何一個(gè)觀測(cè)網(wǎng)中，如何去保證每個(gè)臺(tái)站中的各個(gè)儀器功能的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)的一致性，都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，儀器性能的一致性和穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)的可靠性以及后期運(yùn)維過程都是組網(wǎng)觀測(cè)必須要考慮的問題。正是基于這一背景，課題組研發(fā)了一臺(tái)更具實(shí)用性的中間層氣輝光譜光度計(jì)(mesopause airglow spectrum photometer,MASP)。MASP通過測(cè)量O2(0-1)帶的轉(zhuǎn)動(dòng)譜線強(qiáng)度來反演溫度。MASP的所有組件都是商業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)器件，使其成本更合理，并且后期的運(yùn)行和維護(hù)也更加便利，有利于長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。另外，MASP配有小型半導(dǎo)體熱電制冷器(TEC)空調(diào)，確保整個(gè)儀器的溫度恒定。本文將詳細(xì)介紹MASP的數(shù)據(jù)處理過程及溫度反演的具體方法，并給出了觀測(cè)實(shí)例。

1 MASP正演模擬及合成光譜的計(jì)算

1.1 O2(0-1)譜帶的光譜特性

圖1 (a)190 K時(shí)O2(0-1)譜帶譜線相對(duì)強(qiáng)度； (b)O2(0-1)譜帶每隔10 K的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度相對(duì)強(qiáng)度變化曲線

1.2 MASP的光學(xué)結(jié)構(gòu)

MASP探測(cè)儀器采用O2(0-1)帶作為目標(biāo)光源，因此需要選擇合適的濾光片，通過設(shè)計(jì)成像光路能夠利用光束角度的不同將多條譜線依次濾出，通過CCD相機(jī)來獲取強(qiáng)度。干涉濾光片的性能對(duì)整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，尤其是當(dāng)用作成像系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)考慮濾光片的光學(xué)參數(shù)對(duì)光線入射角度的依賴性，隨著入射角度的增大，中心波長(zhǎng)會(huì)向短波方向移動(dòng)，并且峰值透過率會(huì)降低。其中，濾光片透過率與光束入射角度及波長(zhǎng)的關(guān)系可用式(1)表示[24]

(1)

其中θ為光束的入射角，ne為干涉濾光片的有效折射率取2.05，F(xiàn)WHM為中心波長(zhǎng)透過半高寬，τfmax為峰值透過率。

MASP的整個(gè)光路系統(tǒng)包括光闌、消色差雙膠合透鏡、窄帶干涉濾光片、鏡頭、制冷CCD探測(cè)器，元件之間通過黑色氧化鋁套筒連接，保證儀器有良好的密封性和遮光性，利用金屬支架和精密的卡環(huán)將套筒和CCD探測(cè)器固定在面包板上(如圖2所示)。儀器的整體體積約為30 cm×30 cm×42 cm，總重量近8 kg。為了減小濾光片的“溫漂”問題，我們外加了帶TEC空調(diào)的外殼，并在內(nèi)部放置了除濕劑和溫濕監(jiān)測(cè)儀實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最終儀器設(shè)計(jì)的實(shí)物圖為圖2。MASP的視場(chǎng)角為±13.6°，探測(cè)高度為94 km左右，觀測(cè)視角投影在該高度上的天頂方向?yàn)橹睆郊s44 km的圓形區(qū)域，氣輝層厚度約為3～6 km。

圖2 MASP儀器的光路設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖Fig.2 Optical path design and physical chartof MASP instrument

1.3 正演模型

正演模型是對(duì)儀器觀測(cè)過程的仿真模擬，建立正演模型是為反演提供精確的合成光譜，從而作為溫度反演的基準(zhǔn)參考值。MASP的正演模型由六個(gè)子模塊組成，包括： 氣輝輻射光譜模塊、大氣傳輸模塊、濾光片模塊、光學(xué)系統(tǒng)成像模塊、CCD探測(cè)器響應(yīng)度模塊和噪聲模塊，如圖3所示。

氣輝分子光譜數(shù)據(jù)來源于HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)[21-23]。MASP需要130～280 K溫度范圍內(nèi)每間隔1 K的O2(0-1)帶譜線的強(qiáng)度分布，有效譜線共47條。由于譜線彼此存在相對(duì)強(qiáng)度的依賴關(guān)系，因此首先把所有溫度下的譜線進(jìn)行歸一化，用相對(duì)強(qiáng)度來表示。對(duì)于MASP光學(xué)系統(tǒng)來說，每一個(gè)像素(或Bin)收集到的光強(qiáng)都是由47條譜線一起貢獻(xiàn)，不論譜線相對(duì)值的大小，正演和反演過程中每條譜線都會(huì)考慮在內(nèi)。

MASP需要探測(cè)的目標(biāo)位于地表上空94 km處，氣輝光源在到達(dá)探測(cè)器前受到大氣一定的衰減作用。通常大氣的衰減作用主要體現(xiàn)在三個(gè)方面： (1)大氣氣體分子的吸收作用，(2)大氣的分子、氣溶膠及微粒的散射作用，(3)因氣象條件所引起的衰減作用。由于單獨(dú)計(jì)算大氣輻射傳輸是一門較為復(fù)雜的獨(dú)立學(xué)科，我們?cè)谶@里忽略中間的過程，而僅使用開源軟件ARTS模擬的最終結(jié)果[25]。另外，目前MASP不具備在復(fù)雜天氣下進(jìn)行觀測(cè)的能力，因此，也不過多地涉及大氣輻射傳輸方面的分析和研究。

基于上一節(jié)中介紹的MASP結(jié)構(gòu)，正演模塊中的濾光片模塊可直接采用式(1)的結(jié)論。而對(duì)于整體光學(xué)系統(tǒng)來說，即使視場(chǎng)光闌為均勻的平面光源，經(jīng)過系統(tǒng)作用后也不可能獲取強(qiáng)度均勻的像，因此，需要采用平場(chǎng)定標(biāo)的方法來獲取光學(xué)系統(tǒng)不同視場(chǎng)處的衰減規(guī)律，如圖4(a)所示，并同時(shí)對(duì)圖4(b)中平場(chǎng)系數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，找到衰減模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式。從圖中結(jié)果可以看出，視場(chǎng)邊緣的通光量?jī)H僅只有視場(chǎng)中心的約0.5倍。

圖3 MASP正演模型原理圖Fig.3 Schematic diagram of the MASP forward model

圖4 MASP光學(xué)系統(tǒng)的平場(chǎng)定標(biāo)圖(a)： 原始定標(biāo)圖像； (b)： 視場(chǎng)中心至邊緣的平場(chǎng)系數(shù)Fig.4 Flat field calibration for MASP optical system

CCD傳感器模塊主要包括儀器響應(yīng)度模塊和噪聲模塊兩個(gè)部分，其中響應(yīng)度的表達(dá)式為式(2)

(2)

式(2)中，Spixel為每個(gè)像素立體角所對(duì)應(yīng)的面積，Ω為成像系統(tǒng)每個(gè)像素(或Bin)的立體角，nCCD為量子效率，τsys整個(gè)系統(tǒng)到達(dá)CCD傳感器前的透過率，Npb為拍攝時(shí)所用到CCD的像素(或Bin)個(gè)數(shù)，CADU為數(shù)模轉(zhuǎn)換單元值。噪聲的來源主要來自于光源的隨機(jī)散粒噪聲和CCD探測(cè)器自身噪聲(暗噪聲和讀出噪聲)兩個(gè)方面。

正演模型的最終目的是要模擬二維陣列CCD的圖像，因此需要從正演方程中獲得每一個(gè)像素的強(qiáng)度值，而且需要將前面各個(gè)子模型中的角度變量與CCD各像素位置相關(guān)聯(lián)起來，從而建立起正演方程，即最終CCD每一個(gè)像素顯示的電子計(jì)數(shù)值(或灰度值)，如式(3)所示，在CCD上第i列及第j行像素(或Bin)的灰度值應(yīng)為

Ni,j=IAIT-n1Ri,jτf(i,j)τtransACi,jt+

IAIT-n2Ri,jτf(i,j)τtransACi,jt…+

IAIT-n47Ri,jτf(i,j)τtransACi,jt+Inoise=

(3)

式(3)中，IAIT-n是上文中提到的溫度T下第n條譜線絕對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)強(qiáng)度的乘積，Ri,j為(i,j)像素的響應(yīng)度，τf(i,j)是譜線的濾光片透過率，τtrans為大氣傳輸透過率，A為入瞳面積，Ci,j為光學(xué)系統(tǒng)衰減系數(shù)，Inoise為符合正態(tài)分布的噪聲計(jì)數(shù)值。代入各個(gè)變量的值便能夠獲得某一像素的灰度值，再利用計(jì)算機(jī)編程對(duì)i和j做循環(huán)賦值，便可獲得整幅模擬圖像。

MASP的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)是對(duì)整個(gè)儀器的各項(xiàng)運(yùn)行性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。在實(shí)驗(yàn)室對(duì)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)際焦距、通光孔徑、視場(chǎng)衰減系數(shù)、CCD暗噪聲、讀出噪聲和偏置(Bias)等一系列關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了定標(biāo)，為MASP的正演模型提供真實(shí)的參數(shù)值。MASP的儀器參數(shù)如表1所示。

表1 MASP的系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Important parameters of MASP

1.4 合成光譜的計(jì)算

將定標(biāo)后的各項(xiàng)參數(shù)代入到正演方程式(3)中，并取3 min的曝光時(shí)間，以220 K溫度為例，利用IDL語言進(jìn)行編程，對(duì)每一個(gè)像素的信號(hào)值進(jìn)行模擬計(jì)算。在不加入噪聲的情況下，我們可以得到如圖5(a)的正演圖像，圖5(b)是加入噪聲項(xiàng)并耦合入光學(xué)系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)后得到的正演圖像，即需要模擬的CCD真實(shí)成像結(jié)果。從結(jié)果中可以計(jì)算得到圖像最高處的信噪比為25.4，在峰間的低值處也能夠達(dá)到6.3，完全滿足我們的設(shè)計(jì)要求。

合成光譜是指原始光譜通過MASP光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制后的二次光譜，它既包含了儀器的信息，也包含了原始光譜的信息。正演模擬的最終目的就是要獲取MASP的合成光譜。基于圖5(b)中的正演圖像，以圖像中心作為圓環(huán)中心的實(shí)際位置(正演過程不需要計(jì)算中心)，以一個(gè)bin為寬度，計(jì)算每一個(gè)軸對(duì)稱環(huán)內(nèi)所有bin值的平均值，從而得到一條從圖像中心至圖像邊緣的平均值廓線，如圖6(a)所示，這便是我們需要的正演合成光譜。圖6(a)中還給出了15個(gè)不同溫度下的合成光譜曲線，為了給后續(xù)反演過程提供參考數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，圖6(b)給出了相應(yīng)溫度下合成光譜的相對(duì)值。

圖5 MASP正演模擬圖

圖6 MASP正演合成光譜圖(a)： 間隔10 K的合成光譜絕對(duì)強(qiáng)度曲線；(b)： 間隔10 K的合成光譜相對(duì)強(qiáng)度曲線Fig.6 Synthetic spectra of forward model

2 數(shù)據(jù)處理及溫度的反演

2.1 原始圖像的處理

MASP觀測(cè)數(shù)據(jù)的反演過程實(shí)際上是通過將正演模擬的不同溫度下的合成光譜與實(shí)際觀察的合成光譜進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，來獲得與之差異最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度。而在溫度反演之前，首先需要對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，主要包括四個(gè)過程：

(1)暗噪聲的剔除： 暗噪聲是實(shí)驗(yàn)開始及間隙通過關(guān)閉快門在相同曝光條件下暗拍攝得到，暗噪聲與偏置Bais混合在一起的，兩者相加的取值范圍在1 000～1 100 Counts之間。目前的實(shí)驗(yàn)過程為每隔30 min記錄一次暗噪聲圖像，供后續(xù)處理使用。

(2)宇宙射線的剔除： 目的在于去除觀測(cè)光譜的高能粒子(宇宙射線等)在CCD圖像中留下的過曝亮斑。再減掉暗噪聲圖像后，將觀測(cè)圖像大于1 200 counts的點(diǎn)剔除掉，然后以該點(diǎn)周圍5×5矩陣點(diǎn)的平均值做平滑處理。

(3)月光圖像的剔除： 在探測(cè)過程中，月光污染程度受月相和月亮天頂角的綜合影響，要基于觀測(cè)譜線強(qiáng)度的大小來判斷月光的影響，對(duì)于影響較大的觀測(cè)圖像直接舍棄。

(4)背景雜散光的剔除： MASP會(huì)受到不同程度背景雜散光的影響，需要利用平場(chǎng)系數(shù)將背景光剔除，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在真實(shí)的觀測(cè)中，背景雜散光一方面來自于觀測(cè)場(chǎng)周圍微弱的燈光，另一方面來自于大氣對(duì)各種微弱光源的散射。但根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，這類雜散光均屬于連續(xù)光譜，可在后期圖像處理中進(jìn)行剔除。但需要注意的是，以往類似儀器的處理辦法并未考慮到連續(xù)光譜背景雜散光也是要滿足平場(chǎng)系數(shù)的通光量變化規(guī)律的。以10月2日12點(diǎn)1分35秒拍攝的圖像為例，圖7(a)和圖7(b)分別給出了拍攝圖像在剔除背景雜散光采用平場(chǎng)系數(shù)和沒有采用平場(chǎng)系數(shù)得到的結(jié)果，從圖7(b)可以看出兩者有明顯的差異，最高處甚至超過了20%，而這么大差異在溫度反演中可能會(huì)引起至少30 K的誤差，是不應(yīng)該被忽略的，所以按照平場(chǎng)系數(shù)來剔除背景雜散光更加合理和準(zhǔn)確。

圖7 背景雜散光處理過程

2.2 利用合成光譜進(jìn)行溫度的反演

對(duì)原始拍攝圖像進(jìn)行上述的圖像處理后，就可以通過計(jì)算合成光譜來進(jìn)行溫度的反演。具體過程同樣以10月2日12點(diǎn)1分35秒拍攝的圖像為例(如圖8所示)，基于IDL軟件的編程環(huán)境，在進(jìn)行了暗噪聲、宇宙射線及月光圖像的處理后，按照?qǐng)D7給出的方法對(duì)背景雜散光進(jìn)行剔除，并利用雙峰擬合的辦法確定環(huán)狀圖像的中心像素位置，然后計(jì)算軸對(duì)稱廓線的平均值，從而獲得實(shí)際觀測(cè)的合成光譜。將實(shí)際觀測(cè)的合成光譜進(jìn)行歸一化處理，然后計(jì)算實(shí)際觀測(cè)的合成光譜與每一個(gè)溫度下正演模擬的合成光譜在每一個(gè)bin中的差異的平均值?？倳?huì)存在某一個(gè)溫度，使得這一平均差值最小，也即意味著觀測(cè)值與模擬值最為接近，對(duì)時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，就是我們需要反演的溫度。

圖8 溫度反演流程圖Fig.8 Flow chart of temperature inversion for MASP

需要注意的是，圖像中心部分由于每個(gè)環(huán)所包含的像素較少，其平均值會(huì)有一定的隨機(jī)誤差，如合成光譜的最左端所示。而在合成光譜的最右端，光學(xué)系統(tǒng)的像差帶來的影響也比較顯著，但這部分影響目前無法有效評(píng)估。因此，為了排除這些不確定因素的影響，我們截取了整個(gè)合成光譜中可靠性最高的一段數(shù)據(jù)做反演，即bin序列數(shù)為7～80的一段(原始合成光譜總共128個(gè)bin)曲線，并應(yīng)用于所有圖像中。圖8例子中，經(jīng)過反演后獲得的溫度為201.5 K。

2.3 誤差的評(píng)估

經(jīng)過上述步驟，得到最終溫度的同時(shí)，還可以獲得正演合成光譜與觀測(cè)合成光譜的平均差異。誤差的評(píng)估是基于這個(gè)平均差異。此外，還需要計(jì)算最終溫度下正向合成光譜與相鄰溫度之間的平均差異。然后通過比較兩個(gè)差分值，得出溫度反演的誤差范圍。以圖8的觀測(cè)為例，最終溫度為201.5 K，兩個(gè)合成光譜的平均差為1.62%。通過計(jì)算，204.1 K的正演合成光譜與201.5 K的正演合成光譜在較高溫度下的平均差為1.62%； 同理，198.3 K曲線與201.5 K曲線在低溫下的平均差也為1.62%。因此，誤差值為(204.1～198.3)/2=2.9 K，到目前為止，幾個(gè)月內(nèi)已獲得36組高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，誤差范圍在±1.8～±4.3 K之間，實(shí)際上很難將觀測(cè)過程中的每一個(gè)影響因素都納入誤差評(píng)價(jià)中。今后的工作還將進(jìn)一步完善各種因素對(duì)誤差的影響。

3 觀測(cè)結(jié)果

儀器于2018年9月開始在南京信息工程大學(xué)氣象綜合觀測(cè)基地平臺(tái)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。2018年10月份MASP成功的獲得了13組高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)分布為7～10 h。

圖9(a)展示了2018年10月12日和11月1日兩個(gè)整晚的觀測(cè)個(gè)例，從圖中可以看出兩晚的溫度變化趨勢(shì)存在明顯差異。10月11日晚整體溫度在169～199 K之間，在19點(diǎn)到次日凌晨2點(diǎn)時(shí)間段緩慢增溫，2點(diǎn)以后溫度持續(xù)降低直至觀測(cè)結(jié)束，整晚的平均溫度為185.4 K，平均誤差在3.8 K左右。相比而言，11月1日晚整體溫度分布在169～211 K之間，觀測(cè)期間溫度呈現(xiàn)出先緩慢增溫再降溫然后加速增溫的趨勢(shì)，最終在208 K趨于平緩，整晚的平均溫度達(dá)到了191.9 K，溫度誤差在3.6 K左右。這兩晚的個(gè)例都顯示出了半日潮汐的特征，另外11月1日晚的數(shù)據(jù)能夠看出8小時(shí)潮汐波的趨勢(shì)，我們會(huì)在后續(xù)的研究中對(duì)其進(jìn)行深入分析。

圖9(b)展示了整個(gè)2018年10月份13組高質(zhì)量觀測(cè)數(shù)據(jù)每小時(shí)的平均值，轉(zhuǎn)動(dòng)溫度分布在179～201 K之間，誤差范圍在±1.6～±4.2 K之間。為了對(duì)比，我們將MSISE-00模式中的溫度在2018年10月間的平均日變化也展示在了圖9(b)中的綠色曲線[26-27]。MSISE-00數(shù)據(jù)的高度截取了92～96 km范圍的平均值。由結(jié)果可以看出，MASP的觀測(cè)與MSISE-00結(jié)果在量級(jí)上基本一致，在變化趨勢(shì)上都展示出半日潮汐的特征，但其溫度變化相位有著明顯的差別。MSISE-00的溫度在22～23時(shí)期間出現(xiàn)峰值，隨后開始逐漸降低，而MASP的溫度峰值則在凌晨1點(diǎn)至2點(diǎn)之間，兩者峰值相差大于3 h。一方面的原因主要是由于天氣和月亮的影響，實(shí)際觀測(cè)并沒有覆蓋10月所有的夜晚及所有的時(shí)段； 另一個(gè)原因在于轉(zhuǎn)動(dòng)溫度是基于局域熱平衡的假設(shè)，而實(shí)際上它與真正的大氣溫度并不完全相同。因此，MASP的實(shí)際觀測(cè)與MSISE-00的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)之間的差異是不可避免的。在今后的工作中，我們將與國(guó)內(nèi)的激光雷達(dá)團(tuán)隊(duì)合作，進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)。將MASP的數(shù)據(jù)與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證是后續(xù)的一個(gè)重要研究計(jì)劃。

圖9 MASP溫度反演結(jié)果

4 結(jié) 論

介紹了MASP的光學(xué)結(jié)構(gòu)、正演模擬、數(shù)據(jù)處理、溫度反演和實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果。MASP用來測(cè)量O2氣輝(0-1)帶光譜的轉(zhuǎn)動(dòng)溫度，所有光學(xué)和機(jī)械組件都是商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)組件，使其成本合理，更易于維護(hù)和更新。MASP的外殼具有良好的隔熱性能，并配有低功率半導(dǎo)體TEC空調(diào)，保證MASP的恒溫為(23±0.5) ℃。經(jīng)過平場(chǎng)和濾波器性能的標(biāo)定，建立了一個(gè)正演模型來模擬觀測(cè)信號(hào)，從而模擬合成光譜。根據(jù)MASP的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了針對(duì)性地改進(jìn)，尤其是背景光的剔除，并對(duì)反演誤差進(jìn)行了評(píng)估?？傮w而言，MASP可適用于多個(gè)臺(tái)站的組網(wǎng)裝配，從而進(jìn)行長(zhǎng)期穩(wěn)定的同步組網(wǎng)觀測(cè)。實(shí)際的觀測(cè)結(jié)果展示了2018年10月間的平均溫度，在夜間展示了較好的半日潮汐特征，且與MSISE-00模型的比較也展示出日平均溫度變化趨勢(shì)的一致性。在后續(xù)的研究中，我們將與激光雷達(dá)進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)，進(jìn)一步驗(yàn)證MASP數(shù)據(jù)的有效性。另外，我們?nèi)匀恍枰玫倪B續(xù)觀測(cè)，從而考量全年中不同季節(jié)中間層頂?shù)臏囟确植肌?/p>