大气云层分布的偏振激光后向散射研究

 利用大气激光后向散射垂直剖面图与消偏振度相结合的方法,分析CALIPSO卫星偏振激光雷达的后向散射信号。以2008年11月23日和24日的CALIPSO卫星数据为例,研究了北京地区大气中云层在可见光和红外光波段的垂直和水平分布特征。利用交互式数据语言IDL(interactive data language)得到大气后向散射强度的垂直分布及其消偏振度,根据垂直剖面图可以直观地观测大气中各成分（如气溶胶、低空云和卷云等）的空间分布情况,并且能清楚地显示大气边界层的高度,由消偏振度可准确获得云层的分布高度及厚度。观测数据的处理结果表明：在海拔高度3 km~7 km存在厚度为2 km~2.5 km的云,其消偏振度约为0.2。     

基于最优估计理论、联合星载主被动传感器资料的液态云微物理特性反演研究

针对液态云微物理特性精确反演的迫切需求, 综合主被动传感器的探测优势, 联合CloudSat雷达反射率和Aqua光学厚度资料, 提出基于最优估计理论的液态云微物理参数反演算法.通过假设粒子谱服从对数正态分布, 基于前向物理模式建立测量变量与反演变量的函数关系, 借助谱分布参数的先验信息、通过算法迭代得到谱参数的最优解, 进而利用前向物理模式反演液态云微物理参数, 并根据误差传递理论计算反演不确定度.通过设计反演方案, 基于实测个例数据并与CloudSat官方发布产品和经验算法反演结果对比验证.结果表明: 基于最优估计理论、联合主被动传感器资料的液态云微物理参数反演结果与官方发布产品一致性较好, 弥补了经验算法误差大、扩展性差的不足, 对于开展国内星载和机载W波段毫米波雷达液态云微物理参数反演研究具有重要的借鉴意义. 关键词： CloudSat Aqua 液态云 最优估计理论     

云探测中的激光雷达技术研究进展

云宏微观参数的探测对云物理和气候变化研究具有重要意义。激光雷达是实现云宏微观参数高时空分辨率探测的有效的重要科学仪器。回顾和总结了激光雷达在云参数探测中的主要技术及其研究进展,讨论了激光雷达在云探测研究中的不足和局限性及目前在云探测应用中亟待解决的关键问题,展望了激光雷达未来在云探测中的应用潜力,并提出了研究思路与方案。内容涉及云检测和云相态识别的多波长及偏振激光雷达和云内温度、湿度、风速风向与垂直气流探测等激光雷达技术与方法,分析讨论了云系降水潜力探测的激光雷达应用案例。激光雷达对于探测初生云团及稀薄云层具有较好的穿透性及精细探测优势,但对于强对流云等厚云层,需将其与其他探测手段如微波雷达等联合观测,并开展多源数据融合技术研究,以实现云全生命周期的精细化监测。随着激光与光电子技术和大数据及人工智能技术的发展,激光雷达技术日趋成熟,面向业务化应用所需的系统稳定性、可靠性及探测能力的激光雷达产品将越来越受到气象与环境领域行业专家的关注,并将在云探测领域中发挥越来越重要的作用。     

基于蒙特卡罗方法的卫星光学波段闪电辐射观测模拟

我国下一代静止气象卫星风云四号将首次搭载光学闪电成像仪上天,对闪电和与之相联系的强对流天气进行实时、连续观测。对未来风云四号卫星闪电观测资料的特性进行预先研究,一个重要的途径就是建立光学波段的闪电辐射传输模拟算法,对闪电辐射的物理过程及卫星观测到的闪电辐射光学特征进行模拟研究。结合风云四号卫星闪电成像仪观测的几何和波长参数,在构建简化的闪电光源模型和雷暴云模型的基础上,利用蒙特卡罗随机模拟和光子追踪方法,模拟得到了风云四号卫星闪电成像仪观测到的云顶闪电信号,并对其辐射特征进行了初步研究。结果表明,基于蒙特卡罗方法的闪电辐射传输模拟,可以从理论上揭示卫星光学波段闪电辐射观测与最重要影响参数之间的联系,这将为未来星载闪电资料的应用提供非常有价值的信息。     

应用单波段亮度变化率获取无云干扰的卫星数据

在卫星遥感检测中,云对数据的反演带来了严重的干扰。精确地确定云区及减弱云的干扰是具有挑战性的问题。根据云的大气辐射特性给出了卫星图像亮度变化率计算公式、图像反射率的变化率计算公式和热红外波段图像亮度温度变化率的计算方法。利用单波段亮度变化率检测卫星数据中云干扰相对强度的新方法,快速、精确地获取云区位置,得到云区以外无云干扰的数据。根据各光谱波段具有不同的透射云层能力的特点,文章还给出了卫星各红外波段对云层透射能力的客观评价以及影响透射效果的因素。在此基础上利用红外波段对伪卷云透射图像数据完成了多波段数据融合。很好地恢复了可见光波段云区下面的真实数据。统计数据表明,融合后的云区图像数据与可见光波段相关性保持一致。     

高分四号卫星数据云和云阴影检测算法

高分四号卫星(GF-4)是我国研制的首颗地球同步高分辨率光学成像卫星,具有高时间分辨率和较高的空间分辨率。针对高分四号卫星数据的特点,提出了一种光谱分析与几何算法相结合的云和云阴影检测算法。使用几何校正和辐射定标后的高分四号影像,基于云与典型地表的光谱特征,采用光谱差异分析技术识别出潜在云像元,根据有云地物和无云地物的光谱变化率差异计算云概率;由云和云阴影的几何关系,并结合传感器参数识别云阴影的投影带,然后根据阴影的光谱特征在投影带中设定基于影像的动态阈值,用于检测云阴影。该算法能较好地识别薄云,而且可以显著提高云阴影的检测精度。采用目视解译法对检测精度进行验证后发现,不同区域类型的云像元识别位置准确,形状完整;将所提云阴影检测方法与云和云阴影匹配算法进行对比后发现,前者识别的云阴影更为精确。     

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     

降雨融化层后向散射的蒙特卡罗仿真

云层上端冰雪粒子的融化形成了降雨融化层，随着粒子的下落融化过程开始，因此融化层的微观特性在垂直方向上是连续变化的.建立了降雨融化层的仿真模型，应用更为切合实际的三层球形粒子代替了融化层中的粒子.根据降雨过程中雨滴的尺寸分布推导了融化层中融化粒子的尺寸分布.根据Mie理论，计算了降雨率小于12.5 mm/h时，降雨融化层对5，10，35，94 GHz电磁波的雷达反射率和特征衰减因子的垂直廓线.计算结果表明，当电磁波频率高于20 GHz时，将无法观测到“雷达亮带”，这与实验结果相符.根据辐射传输理论，应用蒙特卡罗方法计算了垂直方向微观特性连续变化的降雨融化层对不同频率电磁波的反射率，比较了两种不同尺寸分布(Gamma分布和Marshall-Palmer分布)融化层反射率的差别，这为利用高频电磁波对降雨融化层进行遥感提供了理论和数值依据. 关键词： 降雨融化层 蒙特卡罗方法 后向散射 电磁波     

海雾的遥感光学辐射特性

为实现海雾的卫星自动监测,利用大量AVHRR3/NOAA17卫星观测数据,比较不同目标物(海雾区、不同云系及晴空下垫面)在可见光、近红外波段的反射辐射特性差异,统计分析了海雾的遥感光学辐射特性.结果表明,海雾区三通道反射率满足RCh1RCh3a>RCb2,甚至出现RCh3a>RCh1>RCh2不同于其它目标物(RCh1>RCh2>RCh3a.运用Streamer辐射传输模式模拟了海雾、不同云系在卫星高度处的三通道反射率特性,从理论上进一步验证了海雾所具有的光学辐射特性,同时指出,Ch3a的反射率对粒子粒径的响应明显,即粒子粒径越小,Ch3a的反射率越高.通过米氏散射理论对这一现象进行原因分析.     

星载激光雷达云和气溶胶分类反演算法研究

激光探测对于获取云和气溶胶的垂直廓线,研究大气中云和气溶胶的垂直分布特征以及对全球气候变化的影响意义重大。而星载大气激光雷达云气溶胶分类算法的研究,对于激光雷达数据的参数反演及应用极为重要。针对激光条件下探测的云和气溶胶特有的光学信息和空间分布,结合概率统计与机器学习算法,提出了一种对于云/气溶胶、云相态及气溶胶子类型识别的分类算法,实现了星载激光雷达的大气特征层快速、有效分类。算法采用中国地区2016年CALIOP的观测数据作为样本数据,主要由三部分组成：（1）基于激光探测的云和气溶胶层不同的光学特性以及地理空间分布特征,分别构建了云和气溶胶的γ₅₃₂,χ,δ,Z和lat的五维概率密度函数,以此为基础构建云气溶胶的分类置信函数,并基于此实现了云和气溶胶类型的反演;（2）选取支持向量机(SVM)作为随机朝向冰晶粒子(ROI)和水云分类的算法模型基础,结合云层的γ₅₃₂,χ,δ Z和云顶温度T的概率密度函数构建ROI,水平朝向冰晶粒子(HOI)和水云的分类置信函数以修正SVM误分的特征层以及筛选出水云中少部分的HOI冰云,获得云相态的分类结果;（3）以各气溶胶子类型的光学以及空间分布特性为基础,采用决策树策略的气溶胶子类型识别算法实现了对气溶胶子类型的区分,完成气溶胶子类型的识别。利用现有CALIOP观测结果作为样本数据构建分类数据库,避免了对于地面以及航测数据的依赖,而机器学习则大大简化了算法的实现过程,使得云气溶胶分类更加高效。算法结果与正交极化云气溶胶激光雷达垂直特征层分布数据(CALIPSO VFM)产品对比分析：云层有98.51%一致性,气溶胶有88.43%的一致性,且白天比夜间一致性高。对于云相态分类,可以有效区分出水云和冰云,其中二者水云一致性高达93.44%。在气溶胶子类型反演结果中,可以准确识别出大多数气溶胶特征层子类型。霾、沙尘以及晴空三种典型情况下的反演结果均与CALIOP VFM产品数据具有较好的一致性。其中,霾天的大部分煤烟型以及污染型（污染沙尘以及污染大陆）气溶胶反演结果与VFM具有较好的一致性。沙尘天也能够获得较好的沙尘以及污染沙尘的结果。晴空为数不多的气溶胶层也取得了较为一致的结果。对于实现的星载大气激光雷达特征层分类算法,针对CALIOP激光测量的云气溶胶层的分类进行了重要的改进,在保证一定精度的基础上,简化了算法,提高了数据处理的效率,在下一步工作中,将分别构建不同时段和季节的分类模型以及提高两种不同偏振特性的冰云和气溶胶子类型的分类精度。     

Cloud Height, Cloud Temperature and Cloud Attenuation in Microwave and Millimeterwave Frequency Bands over Indian Tropical East Coast

Based on radar RHI (Range height indicator) measurements, cloud height has been deduced during the worst months (July–August) over Kolkata. Such cloud height results have been utilized to estimate cloud temperature. The attenuation of radiowave due to cloud in various probability levels has been determined in millimeter wave and microwave frequency bands. Such results on different probability levels are useful for satellite communication and remote sensing application over the aforesaid station in tropical India.     

Optical properties of mixed phase boundary layer clouds observed from a tethered balloon platform in the Arctic

A tethered balloon system was used to collect data on radiometric and cloud microphysical properties for mixed phase boundary layer clouds, consisting of ice crystals and liquid water droplets during a May–June 2008 experimental campaign in Ny-Ålesund, Norway, located high in the Arctic at 78.9°N, 11.9°E. The balloon instrumentation was controlled and powered from the ground making it possible to fly for long durations and to profile clouds vertically in a systematic manner. We use a radiative transfer model to analyze the radiometric measurements and estimate the optical properties of mixed-phase clouds. The results demonstrate the ability of instruments deployed on a tethered balloon to provide information about optical properties of mixed-phase clouds in the Arctic. Our radiative transfer simulations show that cloud layering has little impact on the total downward irradiance measured at the ground as long as the total optical depth remains unchanged. In contrast, the mean intensity measured by an instrument deployed on a balloon depends on the vertical cloud structure and is thus sensitive to the altitude of the balloon. We use the total downward irradiance measured by a ground-based radiometer to estimate the total optical depth and the mean intensity measured at the balloon to estimate the vertical structure of the cloud optical depth.     

基于机器学习的偏振遥感云检测优化算法

偏振遥感经验阈值云检测算法受主观因素影响较强,极易在亮地表上空出现云检测不准确的问题.针对该问题,本文提出了一种主动和被动遥感卫星相结合的机器学习云检测算法.该算法基于POLDER3载荷多通道多角度偏振特性以及CALIOP载荷高精度云垂直特性展开研究,利用POLDER3载荷和CALIOP载荷观测重合区域数据,搭建了粒子...     

Laser radar observation of the fog caused by “yamase wind” from the Okhotsk sea

A Mie scattering laser radar with a powerful flashlamp-pumped dye laser has been developed to measure “Yamase” fog which is caused by very cold air intrusion as a result of Okhotsk high pressure. The inner structure of the “Yamase” fog—height profile, horizontal distribution, speed, thickness of the fog layer and its time development, periodic movement and dominant periods were observed and analyzed for the first time by laser radar of our institute.     

宽截止窄带高反射滤光膜设计

窄带高反射滤光膜在光通讯、光学探测仪器等领域有着重要应用.探讨了"基片|H(LH)m1aL(HL)m2βCr,M|空气"膜系结构的窄带高反射滤光膜系,讨论了金属Cr层厚度,以及两种不同的匹配膜系对滤光膜特性的影响,计算了Cr层内部的电场分布.结果表明,较厚的金属层可实现更宽的截止带宽,匹配层的加入有效地实现了宽截止带的深截止,使中心波长处导纳为较大值的匹配膜系可以更好地实现滤光膜宽截止、窄带高反射特性;匹配膜层使中心波长处Cr层内部的电场强度趋于零,有效地降低了整个膜系的吸收,提高了反射率.     

车载多轴差分吸收光谱探测对流层NO2分布研究

对流层NO₂垂直柱浓度在水平分布上具有较大不均匀性, 研究对流层NO₂分布特征对于研究污染的形成具有重要作用. 本文在国内首次采用车载多轴差分吸收光谱技术探测对流层NO₂的水平分布, 着重研究了基于车载移动平台上的多轴差分吸收光谱技术反演对流层NO₂垂直柱浓度的方法. 采用低阶多项式拟合扣除夫琅禾费参考谱和平流层对对流层NO₂的贡献, 反演得到移动平台上对流层NO₂垂直柱浓度. 结合大气辐射传输模型, 通过设置不同气溶胶光学厚度及层高、NO₂层高、方位角等对反演误差进行分析, 得出对流层NO₂垂直柱浓度的总误差小于25%. 在合肥开展观测实验, 获取观测时间段内合肥市对流层NO₂垂直柱浓度的水平分布特征. 并将观测结果与OMI卫星过顶数据比对, 在洁净和车载观测点较多的像元内, 两者结果符合较好; 在污染区域, 两者结果有一定差别. 研究显示, 采用车载多轴差分吸收光谱技术能较好的探测区域对流层NO₂的分布特征, 这对模型验证、卫星校验及研究输送过程具有重要意义.     

Dual-Site Lidar Observations and Satellite Data Analysis for Regional Cloud Characterization

Lidar data observed by two continuously operated portable automated lidar (PAL) systems and images from the visible and thermal infrared channels of the advanced very high resolution radiometer (AVHRR) sensor on board the noaa16 satellite are employed for the characterization of cloud heights and cloud types. The PAL systems are located in Chiba and Ichihara city areas, separated by approximately 10 km. Measurements from October 2003 to March 2005 reveal that monthly averages of cloud base height and cloud cover ratio show good agreement between the two sites. The characteristics of the vertical (Chiba) and slant (Ichihara) measurements are also discussed. The PAL data are used to adjust threshold values of a cloud-type classification method in split-window data of noaa16-AVHRR. Comparisons between the lidar signals and the cloud classification results from the concurrent AVHRR images show that the classification method can reasonably be applied to this mid-latitude case, although the split-window technique was originally developed for tropical clouds.