基于反射太阳光反演气溶胶光学厚度和有效半径

根据太阳光的极化特性,提出了一种利用单波长太阳光遥感反演球形水凝物气溶胶光学厚度和有效半径的方法.根据矢量辐射传输理论,利用累加法,计算了λ=0.75μm(可见光)和3.3μm(近红外)两种波长太阳光入射时气溶胶的反射矩阵.气溶胶的有效半径为0.01—1.5μm,光学厚度为0.05—1.利用计算机模拟了反演过程,结果表明,当粒子的有效半径小于0.4μm时可以利用可见光波段进行反演;当粒子有效半径大于1.0μm时可以利用近红外波段反演;在0.4—1.0μm之间,利用这两个波段均可以得到精确性很 关键词： 光学厚度 有效半径 极化 反演     

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。     

基于Mie散射的卷云光学特性

基于中纬度卷云冰晶双峰、热带卷云冰晶三峰分布模型,利用Mie散射理论计算了1～13脚范围内中纬度及热带卷云的消光系数、散射系数、吸收系数。计算结果表明,由不同形状冰晶构成的热带卷云的相应光学参数比中纬度卷云的光学参数大些,但11支子弹玫瑰形状的相应参数要小一些;两种卷云在2．8～3．1μm,9．8～13μm范围内都存在两个基本相同的透射通带;在计算中纬度卷云的光学参数时,可以只考虑中空六棱柱与实心六棱柱中的一种,但计算热带卷云的光学参数时,实心六棱柱与空心六棱柱需要同时考虑。     

根据太阳辐射反演沙尘粒子光学厚度个案分析

本文利用邱金桓提出的根据总直接太阳辐射反演0.75微米的气溶胶光学厚度的方法,以2002年3月20日至3月22日发生在我国的沙尘天气为例,使用中国气象局国家卫星气象中心提供的总直接太阳辐射观测资料,以三个观测站点:阿克苏、吐鲁番和福山为例,反演沙尘粒子光学厚度的日变化,并进行了对比检验。结果表明同一地点一天中早晚沙尘粒子光学厚度较小,中午较大;不同地点的沙尘粒子光学厚度随着该地点离沙尘源头的远近而不同,当距离越近时,沙尘粒子光学厚度的值也就越大,反之则越小,这与沙尘粒子迁移性的特点相适应。     

云滴谱分布对FY-4A/AGRI水云光学厚度与有效粒子半径反演的影响

为了定量评估对数正态谱分布假设对水云光学厚度(COT)与有效粒子半径(Re)反演的影响,利用欧洲中期数值天气预报中心建立的RTTOV(Radiative Transfer for TIROS Operational Vertical Sounder)模式,对比模拟了基于对数正态谱和修正Gamma谱两种云滴谱分布下FY-4A/AGRI(Advanced Geosynchronous Radiation Imager)的第2、5通道液态水云的反射率,分析了这两个谱分布假设条件下水云反射率随COT以及Re的变化特征。在此基础上,建立了两种谱分布条件下的COT和Re查算表,并基于2020年夏季的一个初生对流云个例,定量分析了云滴谱分布类型对云参数反演结果的影响。结果表明,在第2通道,两个云滴谱类型假设下计算的反射率仅有0.1%～2%的差异,但在第5通道,采用修正Gamma云滴谱计算的反射率比采用对数正态云滴谱计算的反射率低10%～20%。反演结果表明,采用对数正态云滴谱反演的有效粒子半径Re比采用修正Gamma云滴谱反演的Re整体偏大,前者反演的Re集中在15～35μm,而后者反演的Re集中在...     

光学厚度对颗粒媒质的多重散射的影响

基于辐射传播方程及多重散射基础理论,利用Fraunhofer近似,对颗粒媒质的多重散射光强进行了计算。研究了光学厚度对多重散射的影响,揭示了多重光散射的角分布特征,光强大小随光学厚度的变化,以及单散射引起的误差等方面的规律。为实际的颗粒媒质的光学测量等提供了理论根据。     

卷云冰晶粒子散射相函数的展开系数研究

冰晶粒子散射相函数的多项式展开可以应用于卷云条件下大气辐射传输模式的计算。本文利用广义球函数对表面严重粗糙的冰晶粒子相函数进行展开,并对表面严重粗糙的实心棱柱模型、实心棱柱聚合物模型和一般种类混合模型3种冰晶粒子的展开系数特性进行分析研究,数值计算结果表明了广义球函数对表面严重粗糙的冰晶粒子多项式展开的有效性。     

微纳粒子光学散射分析

为实现利用光学方式对微纳尺度粒子性质的研究,探讨了亚微米线及亚微米球对光电磁波的散射效应.微纳米尺度粒子的光学散射,散射粒子尺寸与入射光波长尺寸可满足米氏(Mie)散射条件.利用Matlab数值模拟的方式,将分析结果以模拟图的形式清晰地展现出来.满足尺寸条件的层状粒子以及任意多个散射粒子存在时对电磁波的散射都可采用Mie散射分析方法,并且针对多粒子散射,分析了散射体位于不同位置时对散射造成的影响.通过分析光学散射光场相关的微分散射截面及近场散射电磁场分布,可得出散射光场随散射角度的变化趋势,以及散射光场受各类因素的影响,包括入射光偏振态、散射粒子尺寸、散射粒子结构及粒子构成层数、散射粒子数量等的影响,也包括一些隐含因素对散射光场的影响,如散射粒子与周围介质的相对折射率.本文的科学意义体现在:与入射光波长尺寸可比的亚微米尺度的粒子,可用作传感器,对于其位移的探测可通过光学方式来实现,而由于粒子本身特性对散射光的影响具有一定的参考价值,从而使通过光学方式对机械位移的读出具有更高准确度.研究结果对于光学方式探测亚微米线机械振动具有指导意义.     

基于时域有限差分法的非球型气溶胶和卷云粒子散射特性研究

本文选取3种气溶胶粒子和3种卷云粒子,利用时域有限差分法,对椭球型气溶胶粒子和六棱柱卷云粒子在不同波长下散射相位函数进行了仿真分析,并讨论了入射方向对粒子散射特性的影响。仿真结果表明,尺寸参数较小时散射相位函数变化较平稳,尺寸参数较大时曲线出现震荡,且随尺寸参数增大震荡剧烈;粒子单次散射能量主要集中在前向散射,随散射角增大呈指数下降;气溶胶粒子散射相位函数在90~150°之间出现明显的波谷;卷云粒子散射相位函数一般不出现明显波谷。当入射角度改变时,气溶胶粒子在整个0~180°之内的散射相位函数都有101数量级的变化,卷云粒子则在0~90°前向散射内保持稳定。本文的研究方法和结论可以为研究天空偏振光模式的形成机理和变化规律提供参考。     

多层高反膜光学常数和厚度的反演

基于精英保留策略的遗传算法具有良好的全局寻优能力和很强的鲁棒性,基于Levenberg-Marquardt 算法的非线性最小二乘法具有快速、高效的局部收敛能力.研究了将这两种算法结合起来求解多层膜光学常数和厚度的可行性和有效性.结果表明:基于两种算法的组合反演算法综合了这两种算法的优点,能以较大的概率、较高的精度找到在实际约束条件下多层膜的光学常数和厚度,特别是在寻找全局最优解方面表现出色.根据全光谱透射拟合法基本原理,应用组合反演算法分别在考虑测量误差与不考虑测量误差两种情况下反演 15 层规整高反膜的光学常数和厚度,得到了较为精确的薄膜参数.模拟实验表明:此组合反演算法可有效地求解多层膜反演问题,在反演多层膜光学常数和厚度方面具有实际的应用价值.     

郑州地区的气溶胶光学厚度的反演

文章中利用Elterman应用Mc Clatchey等人[1-2]提出的气溶胶光学厚度计算方法,并结合邱金桓等[3]发展的气溶胶光学厚度计算模式,利用计算机程序,综合应用郑州地区气象台站地面气象能见度和气象台站水汽压反演大气柱气溶胶光学厚度的参数化计算机计算模型。     

偏振-米散射激光雷达对卷云的探测

研制了一台偏振-米散射激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振-米散射激光雷达的探测原理,叙述了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市西郊上空卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。初步探测结果表明,合肥西郊上空高度在6～10 km的卷云的退偏振比在0.2～0.5之间,该激光雷达可以对卷云进行有效的探测,能较好地反映卷云及其光学特性的时空分布。     

偏振-米散射激光雷达对卷云的探测

 研制了一台偏振-米散射激光雷达,用于卷云和沙尘气溶胶后向散射光退偏振比的探测研究。介绍了偏振-米散射激光雷达的探测原理,叙述了偏振-米散射激光雷达的结构、技术参数、测量方法和数据处理方法。给出了偏振-米散射激光雷达对合肥市西郊上空卷云的结构、退偏振比垂直廓线以及光学厚度的典型探测结果,对这些结果进行了分析和讨论。初步探测结果表明,合肥西郊上空高度在6～10 km的卷云的退偏振比在0.2～0.5之间,该激光雷达可以对卷云进行有效的探测,能较好地反映卷云及其光学特性的时空分布。     

中纬度卷云光学特性的研究

为研究中纬度卷云的光学散射特性,介绍了冰晶粒子谱的双峰分布模型及中纬度卷云冰水含量的分布模型,并结合冰晶形状分布,建立起一个简单的研究卷云特性的模型,而后计算了在0．5～10μm范围内中纬度卷云的的消光系数、散射系数、吸收系数。计算结果表明：中纬度卷云温度上升时,卷云的光学特性参数随温度变化行为的基本一致;中纬度卷云的...     

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...     

基于深度学习反演区域气溶胶光学厚度

为了解决现有陆地气溶胶光学厚度(AOD)反演算法精度和空间分辨率较低的问题,基于深度学习的思想,使用深度置信神经网络(DBN),实现了具有30 m空间分辨率的陆地气溶胶光学厚度反演.算法的训练样本包括全球长时间序列的AERONET站点数据以及在时空上与之对应的Landsat8 OLI的观测几何数据和表观反射率数据.为了...     

窗口材料光学常数的双厚度反演方法

建立了求解单层和双层窗口光谱透射比的正问题模型,提出了一种基于两块相同厚度窗口透射光谱反演其光学常数(吸收指数k、折射率n)的方法,研究其与现有两种方法的区别,分析了三种反演方法的适用范围。将已知文献中硒化物玻璃的光学常数作为"真实值",通过正问题模型求解窗口的光谱透射比作为"实验测量值",利用反演方法计算n和k,并分析实验偏差对计算的影响。研究结果表明:1)新的反演方法与现有的双厚度方法精度基本相同;2)三种反演方法均受窗口材料的光学常数影响,但在其适用范围内计算精度较高;3)"实验测量值"存在偏差时,三种反演方法的求解精度差距较大。     

反演非球形粒子光学常数的理论建模

本文基于完整的辐射传输方程,结合T矩阵法和K-K关系式,建立反演非球形粒子光学常数(复折射率)的理论模型.首先以椭球粒子为例,分析了非球形粒子光学常数反演模型的适用范围,重点分析了不同尺度参数下椭球粒子的单值性和多值性问题;然后以非球形煤灰粒子为例,采用MC法进行正问题计算,所得的光谱透射率作为"实验测量值",采用本文模型进行反演,得到较好的反演结果,充分说明了本文所建立的反演模型的可行性,同时分析了测量误差对实验结果的影响.     

对光子和高速粒子散射的研究

由坐标变换出发，结合相对论中的多普勒公式和光行差公式，对光子和运动粒子的散射问题进行了讨论，导出了一个光子和运动粒子发生作用时的散射公式，利用该公式直接推导出了康普顿散射公式，还预言了高速电子流前存在红外线辐射。     

利用MODIS卫星资料反演北京地区气溶胶光学厚度

大气气溶胶是影响城市环境空气质量的重要因素,同时对人类健康具有重要影响。传统的气溶胶遥感反演方法多适用于海洋及植被等地表反射率较低的区域,对于城市等高亮地表区域,地表反射率较高且难以确定,气溶胶反演面临巨大挑战。针对该问题,提出一种新的地表反射率的确定方法,将下垫面划分为暗地表和亮地表两种类型,分别使用可见光与短波红外的线性关系和利用长时间序列MODIS表现反射率数据使用最小值合成技术构建先验数据集的方法,确定其地表反射率,然后基于辐射传输方程理论利用查找表方法,进行气溶胶光学厚度反演。选择下垫面复杂、空气污染问题严重的北京市作为研究区,应用MODIS数据进行气溶胶反演实验,最后使用北京站、香河站、北京CAMS站和北京RADI站4个AERONET气溶胶地基观测数据和MODIS气溶胶产品对反演结果进行对比验证。结果表明该算法气溶胶反演结果与地基观测数据具有较高的一致性（R2=0.902）,能以较高精度实现城市等高反射率地区的气溶胶反演,反演精度与空间连续性上较MOD04有显著提高。