基于六角形和球形冰晶模型的卷云辐射特征研究

卷云中冰晶粒子的单次光散射计算是卷云辐射传输及云微物理参数反演的重要基础。近年,利用高观测频率的静止气象卫星数据来反演水云和卷云的光学和微物理参数,进而计算地表光通量的研究倍受重视。然而,很多研究中卷云的冰晶用球形模型来模拟。由于不同形状和尺度大小的冰晶对电磁波的散射特征的不同,导致不同冰晶模型计算的卷云环境下卫星观测的辐射值及地表光通量的不同。利用不同尺度大小和电磁波波长的球形和六角形冰晶的单次散射数据,结合RSTAR辐射传输模式来定量分析了卷云环境下不同形状的冰晶模型对计算卫星观测的辐射和地表光通量中的影响。结果显示利用不同形状的冰晶模块来计算的卫星观测的辐射,地表向下辐射通量明显不同。波长在0.4～1.0 μm之间的大气窗口部分的光谱辐射通量的差距最大。总辐射通量受云粒子形状的影响显著。研究证实了正确选择冰晶模型对卫星反演卷云微物理和光学参数的反演及计算地表光通量的重要性。该结果对于云微物理参数的反演及地表向下辐射通量的模拟具有参考价值。     

卷云多角度偏振特性研究

由各种形状冰晶粒子组成的卷云,对全球辐射平衡和气候变化有重要的影响,其影响程度取决于卷云本身的微物理特性和光学特性,如冰晶粒子形状、卷云光学厚度和云顶压强等.在对0.865μm波长处卷云光学特性研究的基础上,采用矢量辐射传输方程模拟分析了含卷云层的总反射率和偏振反射率,并利用卫星观测数据验证了模拟结果.分析研究了卷云微物理特征、光学特征和地表反照率对总反射率和偏振反射率的影响.分析表明,可以综合利用多角度偏振遥感信息反演各种卷云参数.这为利用多角度偏振遥感数据反演卷云各参数提供了理论基础. 关键词： 卷云微物理特征 卷云光学特性 多角度偏振辐射 矢量辐射传输方程     

基于多重散射的卷云辐射传输特性

采用空间离散化,并利用散射矩阵方法计算了卷云在3．72tim和6．85tim波长上的辐射传输特性,研究了卷云的冰晶粒子形状、组分和光学厚度等因素对卷云的辐射传榆特性的影响。仿真结果表明,随着平均冰晶尺度的增加,卷云的反射函数会逐渐减小;对于不同形状,但具有相同最大粒子尺寸的粒子组成的卷云,反射函数也会有所不同;随着光学厚度的增加,卷云的反射函数会逐渐增大,直至饱和,而透射函数逐渐减小;随着太阳天顶角的增大,卷云的反射函数逐渐增大。透射函数逐渐减小。     

HF/DF激光传输的大气衰减特性

 大气中的水汽对DF激光主要强线的吸收相对较小，而HF激光的大多数谱线受水汽和CO₂分子等的吸收较大。利用较新的HITRAN96数据库和我国不同地区的气象资料，采用逐线积分法计算了HF/DF 激光的大气衰减情况。所选的谱线中，在合肥地区（年平均）， HF的水汽吸收系数最大值可达到10km^-1的数量级，二氧化碳吸收系数最大可达10^-4~10^-3km^-1量级，P2(8)线吸收最弱；DF激光水汽吸收系数最大值可达到10^-1km^-1,比HF低2个量级，且随高度衰减很快，10km处就到10^-5~10^-4km^-1量级，P2(8)线吸收最弱。在我国，由南向北，由夏季到冬季，水汽浓度减少，大气对HF/DF激光的吸收率也相应地递减。     

HF/DF激光传输的大气衰减特性

大气中的水汽对DF激光主要强线的吸收相对较小,而HF激光的大多数谱线受水汽和CO2分子等的吸收较大。利用较新的HITRAN96数据库和我国不同地区的气象资料,采用逐线积分法计算了HF/DF 激光的大气衰减情况。所选的谱线中,在合肥地区（年平均）, HF的水汽吸收系数最大值可达到10km-1的数量级,二氧化碳吸收系数最大可达10-4~10-3km-1量级,P2(8)线吸收最弱;DF激光水汽吸收系数最大值可达到10-1km-1,比HF低2个量级,且随高度衰减很快,10km处就到10-5~10-4km-1量级,P2(8)线吸收最弱。在我国,由南向北,由夏季到冬季,水汽浓度减少,大气对HF/DF激光的吸收率也相应地递减。     

降雨对532nm和1064nm激光传输的衰减特性研究

降雨会对激光信号产生严重的衰减,从而给激光目标探测的应用带来一定影响.激光在降雨中的传输衰减已在红外波段做了大量的实验研究,而可见光波段激光在雨中的传输衰减特性还未见报道.基于夫琅禾费衍射和几何光学散射理论,建立雨滴对532 nm绿激光和1064 nm近红外激光光束的传输衰减模型,对比分析两波长激光在不同降雨量下的衰减...     

卷云短波反射特性的模拟计算研究

利用通用大气辐射传输(CART)软件模拟计算了0.4～2.5μm波段卷云大气反射率,分析了卷云大气的反射率随波长、光学厚度、有效尺度、卷云高度和地表类型变化情况,并模拟计算了0.55,1.38,2.75μm波段卷云大气反射率间关系。结果表明,可见光到近红外波段,卷云大气反射率随卷云光学厚度的增大而增大。可见光波段,卷云大气反射率随卷云粒子有效尺度变化很小;近红外波段,卷云大气的反射率随卷云粒子有效尺度增大而减小;近红外大气强吸收波段,卷云大气的反射率随卷云高度的增大而增大。大气窗口区卷云大气的反射率随地表类型的变化有显著的变化。通过0.55μm和2.75μm波段,1.38μm和2.75μm波段的卷云大气反射率间关系可以反演卷云光学厚度和有效尺度。     

可见光波段卷云散射特性的研究

卷云一般分布在对流层上部到平流层下部,主要由各种形状的冰晶粒子组成。卷云散射特性的研究利用了前期建立的单个冰晶粒子散射性质数据库,并且假定卷云中粒子谱分布符合Г分布,计算得出可见光波段卷云平均散射性质：消光效率因子、吸收效率因子、单次散射反照率、非对称因子与有效尺度以及波长的变化关系。其次对计算得出的变化曲线进行分析得...     

激光在不同类型气溶胶中传输特性研究

激光在大气中的传输衰减特性是激光工程应用中需要考虑的一个重要问题.本文针对常用的1.06 μm和10.6μm激光,基于Mie散射理论计算了气溶胶粒子的单次散射参量;对于激光在气溶胶中多次散射传输衰减,建立了蒙特卡罗模拟计算模型,利用Matlab语言编制了相应的计算程序,计算分析了两种波长的激光分别在沙尘性、水溶性、海洋性和煤烟性四种不同类型气溶胶中透过率与传播距离、能见度的关系,并将蒙特卡罗方法和单次散射的计算结果进行了比较.结果表明,当能见度较低、气溶胶粒子反照率较高时,单次散射计算存在很大的误差,用蒙特卡罗方法更能揭示多重散射现象;煤烟性气溶胶对1.06 μm激光的传输衰减影响最大,沙尘性气溶胶对10.6 μm激光的传输衰减影响最大.     

激光在烟幕中传输的蒙特卡罗模拟

建立蒙特卡罗计算模型,模拟计算1.06μm脉冲激光在石墨烟幕中的传输.分析透过率与石墨粒子粒径、烟幕浓度、烟幕厚度的关系,用卷积方法计算一定宽度的脉冲激光穿过烟幕后的波形,数值仿真δ脉冲和矩形脉冲激光在各种石墨烟幕中的时间展宽特性.模拟结果表明:石墨粒子存在一最佳半径(0.16μm),该半径的石墨粒子烟幕不仅使激光能量衰减最强,而且产生的时间展宽也最显著;激光脉冲宽度越小,其波形变化和时间展宽越显著,微秒量级脉宽的激光脉冲穿过烟幕后波形变化和时间展宽效应不明显.     

AIRS红外高光谱卫星数据反演卷云光学厚度和云顶高度

基于大气红外探测器L1B红外高光谱辐射观测资料,结合中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer, MODIS)云产品数据,利用通用大气辐射传输模式(combined atmospheric radiative transfer model,CART),根据模式模拟和AIRS实际观测亮温的亮温差,研究从AIRS红外波段1 070～1 135 cm-1高光谱数据反演卷云的光学厚度和云顶高度。将反演的卷云光学厚度与云顶高度作为输入参数模拟计算650～1 150 cm-1波段卷云大气顶的辐射亮温谱,并将模拟值与AIRS观测亮温谱进行了对比分析。将反演的卷云光学厚度和云顶高度和AIRS的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温以及MODIS卷云反射率进行了对比分析。最后将反演的卷云云顶高度和MODIS云顶高度进行了对比分析。研究结果表明：反演所使用的650～1 150 cm-1波段模式模拟和观测亮温谱吻合得很好,说明CART可以较好的模拟AIRS亮温谱。反演的卷云参数与AIRS在大气窗口区的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温的分布满足低亮温对应较大的卷云光学厚度和高云顶高度。反演的卷云参数和MODIS卷云的反射率分布满足高卷云光学厚度和云顶高度对应高卷云反射率。反演的卷云云顶高度和MODIS的卷云云顶高度之间线性相关系数相对较高,且都在8.5～11.5 km的概率较高,两者的概率分布趋势一致。说明CART可以用于反演卷云的性质,反演结果具有一定的可靠性。     

激光在雾中传输的衰减研究

根据雾滴的尺寸分布模型及辐射雾和平流雾含水量与能见度的经验关系,运用Mie理论及其Van de Hulst近似计算了衰减效率因子, 并结合Deirmendjian对其进行修正,详细分析了激光在雾中的衰减计算公式。 在考虑前向散射时进一步结合Adarsh Deepak和O.H.Vanghan提出的前向修正系数, 得出前向散射修正后的衰减公式, 分析了雾的前向散射对激光传输的影响。 最后将修正后的衰减与常用经验衰减模式相比较, 表明前向散射修正后雾对激光的衰减更加接近实际工程应用。     

Modeling single-scattering properties of small cirrus particles by use of a size-shape distribution of ice spheroids and cylinders

In this study, we model single-scattering properties of small cirrus crystals using mixtures of polydisperse, randomly oriented spheroids and cylinders with varying aspect ratios and with a refractive index representative of water ice at a wavelength of 1.88 μm. The Stokes scattering matrix elements averaged over wide shape distributions of spheroids and cylinders are compared with those computed for polydisperse surface-equivalent spheres. The shape-averaged phase function for a mixture of oblate and prolate spheroids is smooth, featureless, and nearly flat at side-scattering angles and closely resembles those typically measured for cirrus. Compared with the ensemble-averaged phase function for spheroids, that for a shape distribution of cylinders shows a relatively deeper minimum at side-scattering angles. This may indicate that light scattering from realistic cirrus crystals can be better represented by a shape mixture of ice spheroids. Interestingly, the single-scattering properties of shape-averaged oblate and prolate cylinders are very similar to those of compact cylinders with a diameter-to-length ratio of unity. The differences in the optical cross sections, single-scattering albedo, and asymmetry parameter between the spherical and the nonspherical particles studied appear to be relatively small. This may suggest that for a given optical thickness, the influence of particle shape on the radiative forcing caused by a cloud composed of small ice crystals can be negligible.     

The Numerical Analysis of Two-Frequency Mutual Coherence Function for Infrared Laser Propagation in Clouds

The relations of the amplitudes and phases of the for laser pulse propagation in clouds to _d are given by Ishimaru et al, based on average particles in clouds. In practice, since the particles size in clouds is according to a size distribution spectrum, the ought to be derived from a particles size distribution. Based on the approximately solution which has been presented by Ishimaru and Hong, these examples of infrared laser pulse propagating in cloud are described and numerical analyses show the 's amplitude and phase obvious changes for tenuous and dense clouds. For a kind of cumulus and stratocumulus over Xi'an areas, considering cloud particles size distribution and mean particle size, respectively, the 's amplitudes and phases are calculated. These numerical results show that the differences between results calculated by applying particle size spectrum and mean size in clouds are remarkable, especially for the phase calculation. Therefore, It is shown that the calculated according to particles size distribution is more reasonable than by average particle size. This study is important for us to improve infrared laser ranging and image systems performances and atmospheric remote-sensing techniques.     

雾对激光的衰减特性研究

基于gamma雾滴分布模型以及辐射雾和平流雾粒径分布与能见度的经验关系,计算并分析了不同波长激光在两种雾中的衰减率随能见度的变化,透射率随传输距离的变化.结果表明,不同波长激光在两种雾中传输时,波长较长激光的衰减率都比波长较短激光的衰减率低;10.6μm激光在平流雾中衰减率大于在辐射雾中的衰减率;对不同波长激光在两种雾...     

Microwave and Millimeter Wave Characteristics and Attenuation of Clouds over some Malaysian Equatorial Stations

Based on radar range height indicator (RHI) measurements, cloud characteristics in relation to radiowave propagation over three locations in different geographical region in western Malaysia have been presented. It is seen that low cloud occurrence over these locations are quite significant. Cloud attenuation and noise temperature can result in serious degradation of telecommunication link performances. This paper presents cloud coverage in different months, 0°C isotherm height and cloud attenuation results at 12 GHz, 20 GHz, 36 GHz, 50 GHz, 70 GHz and 100 GHz over measurement site. The low level cloud over the measurement sites has been found to occur for many days and nights and particularly in the months of April to May and October to December. Such results are useful for satellite communication and remote sensing application in Malaysia.     

沙尘天气下激光信号的传输特性

以小角度近似为条件,利用逐级递归的方法推导了激光信号在沙尘天气下的辐射传输方程,得到了多次散射下的光强分布函数,以及波长和不对称因子对光强的影响。同时,通过比较不同散射相位函数及沙尘粒子的散射特性,采用了修正的TTHG(Two Term Henyey-Greenstein)散射相位函数,更加全面地反映了沙粒散射后光强的变化规律。研究结果表明,随着光学厚度的增加,散射光强呈现出先增大后减小的趋势,且多次散射的比重相比于单次散射而言逐渐增大。当散射次数超过3次以上时,接收光强的变化可以忽略不计。相对于Mie理论下的结果而言,采用小角度近似理论,从辐射传输的角度分析沙粒的散射特性误差更小,实现了准确描述沙尘天气下激光信号传输特性的目的。     

Infrared radiative transfer modelling in a 3D scattering cloudy atmosphere: Application to limb sounding measurements of cirrus

The Monte Carlo cloud scattering forward model (McClouds_FM) has been developed to simulate limb radiative transfer in the presence of cirrus clouds, for the purposes of simulating cloud contaminated measurements made by an infrared limb sounding instrument, e.g. the Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding (MIPAS). A reverse method three-dimensional Monte Carlo transfer model is combined with a line-by-line model for radiative transfer through the non-cloudy atmosphere to explicitly account for the effects of multiple scattering by the clouds. The ice cloud microphysics are characterised by a size distribution of randomly oriented ice crystals, with the single scattering properties of the distribution determined by accurate calculations accounting for non-spherical habit.A comparison of McClouds_FM simulations and real MIPAS spectra of cirrus shows good agreement. Of particular interest are several noticeable spectral features (i.e. H₂O absorption lines) in the data that are replicated in the simulations: these can only be explained by upwelling tropospheric radiation scattered into the line-of-sight by the cloud ice particles.     

大气传输对激光后向散射式能见度测试的影响及理论研究

激光在大气传输时,大气中的气体分子、气溶胶粒子、雾、雨等对激光的吸收和散射将导致激光回波能量衰减,这是影响激光后向散射式能见度测量的主要因素。通过对大气散射、大气湍流、大气吸收和气象条件与激光后向散射的关系进行理论分析,对后向散射式能见度测量的可行性进行了理论分析和论证,并提出了利用激光后向散射进行大气能见度测试的数学模型,为进一步研究和提高激光后向散射式能见度测距仪的性能提供了理论依据。