夜晚整层大气透过率与水汽总量同步测量

为了同步获取夜间晴空视线无云下整层大气透过率和水汽总量,将望远镜、多波段滤光片与近红外增强型CCD相结合,搭建了利用恒星辐射进行测量的研究平台。首先通过望远镜收集恒星辐射,辐射通过分波段滤光片滤光,利用CCD采集恒星图像。进一步提取拍摄图像的灰度值,采用Langley标定法计算整层大气透过率,同时利用改进的Langley法计算大气水汽总量。对测量结果、激光雷达和微波辐射计的测量值进行比较,验证了测量方法的可靠性。所开展的工作丰富了夜晚同步测量整层大气透过率和水汽总量的手段,对空间遥感和气象研究有一定的应用价值。     

无云情况下L波段微波辐射计快速大气校正方法

利用数值天气预报模式输出的大气温湿廓线数据与大气辐射传输模型计算了无云情况下全球海面大气在L波段的上行、下行辐射亮温及透射率, 建立三个参数与大气水汽含量及海表气压的回归关系模型——辐射-水汽模型, 利用该模型可快速计算大气辐射参数, 对L波段微波辐射计进行大气校正. 为了验证模型的实用性和可靠性, 利用SSM/I卫星水汽含量数据和数值模式地表气压数据通过模型计算大气辐射参数, 并与Aquarius卫星实测L波段微波辐射数据进行对比分析. 结果表明: 模型计算的辐射亮温比卫星观测数据偏低约0.335 K, 但改正系统性偏差后的均方根误差仅0.086 K, 且模型计算的大气透射率与卫星观测数据基本一致, 说明利用该模型对L波段微波辐射计进行大气校正具有较高的可靠性, 相比于传统利用大气辐射传输模型进行大气校正, 该模型更为简单快速, 输入参数更易获取, 更适于工程应用.     

大气下行长波辐射快速实验测量方法研究

采用辐射传输模式模拟了特殊角度随气溶胶光学厚度及大气温湿度的变化情况,结果显示晴空下该角度不受气溶胶影响,受大气温度影响小,但受大气水汽含量影响显著,因此晴空下热红外光谱仪测量下行辐射时特殊天顶角可只根据大气水汽含量确定。西部荒漠地区下行辐射测量实验结果表明,据大气水汽含量确定的特殊角度值与实验结果一致,且该角度处辐射作为积分辐射符合精度要求。特殊角度值可用研究区大气水汽含量确定,该快速测量法可广泛用于野外实验,方便快捷测量准确瞬时下行辐射。     

法拉第旋转对空间被动微波遥感的影响及消除

法拉第旋转是空间被动微波遥感重要的误差来源之一.本文研究了法拉第旋转变化的机理;分析了法拉第旋转对微波辐射计观测精度的影响;着重就1.4 GHz 正交极化通道亮温T_v以及10.7 GHz 相关极化通道亮温U的法拉第旋转校正展开讨论.通过仿真2006年海南某观测站点全年的星载微波辐射计观测数据并利用蒙特卡罗法模拟噪声的影响,分析比较了使用辅助数据(IRI 模型法)和极化模式(Yueh方法和Ribó方法)两种途径对法拉第旋转的校正效果,进而提出了一种应用IGS 关键词： 法拉第旋转 微波遥感 微波辐射计 国际GNSS服务网(IGS)     

激光外差光谱仪的水汽柱浓度反演研究

水汽是地球大气的重要组成部分,也是平衡地气系统辐射收支的一个重要因素,对天气和气候变化有着重要的影响。常用的水汽柱浓度测量设备,如无线电探空仪、激光雷达、微波辐射计、太阳光度计、DOAS仪器以及傅里叶变换红外光谱仪等,难以兼顾高分辨率以及便携机动等应用需求。为此,基于一种高灵敏度、高分辨率光谱探测技术,围绕水汽柱浓度的探测开展了相关研究,取得的主要成果有：(1) 基于激光外差光谱技术,利用窄线宽带间级联激光器作为本振光源,与太阳跟踪仪结合,建立了一套高分辨率激光外差太阳光谱测量装置,光谱分辨率达到了0.002 cm-1。(2) 采用Langley-plot方法对高分辨率激光外差太阳光谱测量装置进行了现场定标,并于云南紫金山天文台观测站开展了外场测量,获得了2 831~2 833 cm-1波段太阳光谱的直接测量数据。对实测的太阳光谱进行归一化处理后,获得了高分辨率的整层大气透过率谱。(3) 利用逐线积分辐射传输模式（line by line radiative transfer model,LBLRTM）计算了整层大气透过率谱,并与实测的透过率谱进行了非线性最小二乘拟合,实现了水汽柱浓度的反演。同时利用微波辐射计进行了水汽柱浓度的观测,将反演结果与实测结果进行了对比分析,两者的一致性相对较好,最小相对偏差为16.59%,最大相对偏差为21.69%。(4) 反演结果与实测结果的偏差主要由反演算法误差和装置测量误差所导致。反演算法误差包括辐射传输模式的计算误差、实际大气温度的测量误差、甲烷浓度不确定性引入的误差、HDO丰度与自然丰度的偏差,装置测量误差包括装置定标误差、波长标定误差、系统噪声影响、背景信号以及直流信号的微弱起伏引起的误差。(5) 文中选取的2 831~2 833 cm-1波段同时包含了水汽和甲烷的吸收,在反演水汽柱浓度的同时,同步进行了甲烷柱浓度的反演。以甲烷初始柱浓度作为参考值,发现反演后的甲烷柱浓度相对初始柱浓度的数值平均增加了14.41%。高分辨率激光外差太阳光谱测量装置结合反演算法是一种有效的整层大气透过率以及水汽、甲烷柱浓度探测的综合设备,在多组分气体浓度探测方面具有广泛的应用前景。     

空中目标红外辐射多波长大气透过率实时反演算法

 针对空中目标红外辐射大气传输衰减的主导因素,通过Mie散射理论分析和计算得到了不同波长红外大气透过率之间的相关性关系。采用自主研发的激光遥感大气透过率测量仪并利用激光大气透过率多点断层测量技术,实测了1 060 nm波长激光的大气透过率,同步实时反演计算了临近波长红外辐射的大气透过率。实验数据验证了该方法可用于建立红外观测低空修正系统,实时计算获取大气对空间目标红外辐射的衰减特性。     

基于星地测量和辐射传输模式的特定地域大气中分辨力光谱辐射特征

 利用中分辨力成像光谱仪数据,采用星地测量并结合中分辨力辐射传输模式,以巢湖流域及周边为实验区,计算得到该地区夏季实际大气层结下沿观测路径整层大气透过率、大气辐射、大气热辐射和大气散射的太阳辐射在中分辨力光谱上的特征,以及整层大气廓线。研究结果表明：受能见度影响,实验区两地点水体像元处的整层大气透过率数值略高于植被像元处;两地卫星入瞳处的程辐射和卫星探测器探测到的程辐射谱分布相似;在可见至近红外波段,大气程辐射和散射的太阳辐射谱分布相似性较强,且随着波长增加而数值均逐渐减小,而大气热辐射数值很小;两个地点在短波范围内路径热辐射很低且接近,随着波长的增加,热辐射明显增强,波长越长,两地点热辐射差别越明显;当日天气晴好,气溶胶含量较低,而且两地距离很近,因此两地的大气廓线数据基本相似。     

太赫兹电磁波大气吸收衰减逐线积分计算

大气对太赫兹辐射传输存在一定的非协作性,即存在吸收衰减。为了实现太赫兹辐射的有效应用必须细致地了解太赫兹辐射大气传输的窗口位置、宽度及大气透过率。选取了处理大气非均匀路径、吸收带重叠等大气辐射传输问题的最精确方法逐线积分法,发展计算程序,并基于HITRAN分子谱线数据,对水汽、氧气、臭氧、氮气、二氧化碳等单组分气体分子对太赫兹辐射传输的吸收衰减情况进行了计算与分析,并给出了在太赫兹电磁波大气传输衰减中占主要因素的水汽和氧气的衰减峰位置。     

同轴虚阴极微波输出模式分析

 对不同透过率的阳极网进行实验研究，得到了主频为3.4 GHz和3.7 GHz的辐射微波，对同轴虚阴极内的电子束分布进行了分析。对同轴虚阴极内的本征模式进行了计算，并与实验结果进行比较。实验结果表明：网内电子束的分布对微波输出模式有重要影响；同轴虚阴极微波频率是阴阳极间距及谐振腔共同作用的结果；阳极网透过率对频率有显著影响，透过率越高，则微波频率相应提高。     

星载多普勒差分干涉仪杂散光特性与抑制

星载多普勒差分干涉仪通过探测气辉光谱测量中高层大气风场,为降低低层大气背景辐射的影响,需要设计杂散光抑制结构。以基于500 km轨道高度的卫星平台对60～90 km高度的中层大气风场探测为例,选取典型气辉辐射强度与大气背景辐射,依据不同高度下大气背景辐射强度变化,结合光学系统参数设计遮光罩。仿真分析多普勒差分干涉仪系统内部产生杂散光的关键面,设计杂光抑制结构,并评估干涉仪非工作级次能量对成像造成的影响。点源透过率分析和像面照度仿真结果表明：水平方向和对角线方向上,视场外0.2°处点源透过率下降到10^-5以下,竖直方向上,视场外0.04°处点源透过率下降到10^-5以下;大气背景辐射和鬼像占像面总能量的1.35%。所提杂散光抑制方法满足星载多普勒差分干涉仪对杂散光抑制的技术要求。     

FY-2水汽通道光谱响应测量大气污染评估和订正

由于无法实现真空测量,大气吸收作用会对实验室光谱响应(SRF)测量产生污染。为了提高光谱定标精度,通过敏感性试验定量评估了大气污染对水汽通道实验室光谱响应测量的影响,并以FY-2D为例进行了光谱响应污染订正,分析了光谱污染带来的通道辐射计算误差。不同测量环境的敏感性模拟结果表明： 大气吸收导致光谱测量曲线产生显著波动,强吸收光谱处的响应减弱,致使依赖于SRF的通道辐射计算结果被高估。光谱污染带来的通道亮温偏差随着水汽含量的增加呈指数增长趋势,偏差大于0.5 K且仅在等效水平路径小于1 m相对湿度低于15%的干燥环境下小于1 K。4 m水平路径35%相对湿度的情况下,亮温偏差可大于4 K。FY-2系列卫星水汽通道的光谱响应都存在不同程度的大气污染现象。利用水平大气透过率光谱,通过光谱比值的方法,对FY-2D的SRF进行订正。订正后SRF的异常波动被基本消除,曲线分布更加光滑合理。理论分析结果表明： 大气污染导致FY-2D在典型大气条件下大气层顶的通道亮温模拟偏高2.2 K,黑体辐射进而辐射定标高估7.6%。大气吸收对实验室光谱定标的影响非常显著,不仅对水汽通道对所有气体吸收通道都不能忽略。实验室光谱定标不能忽略大气吸收的影响,应该通过扣除大气透过率的影响的方式对测量光谱响应进行订正。     

AIRS与COSMIC反演大气温湿廓线比较

将福卫三号星系计划(COSMIC)气象、电离层及气候卫星探测系统、大气红外探测器(AIRS)反演的大气温度和湿度廓线与时间、空间匹配的欧洲中心中期天气预报(ECMWF)、美国环境预报中心(NCEP)分析值和无线电探空观测值进行比较, 结果表明, COSMIC具有垂直分辨率高、全天候的观测特点, 反演的大气温度和湿度廓线相对于AIRS而言与无线电探空观测值更接近, 能提供大气廓线的更精细结构, 但受掩星事件发生时所能探测最低高度的限制, 不能得到该高度以下的大气信息。AIRS在晴空时大气温湿廓线反演精度较高, 但受云天的限制, 在云层以下, 反演精度就大大降低。     

云和降水扰动对黄土高原半干旱草地辐射收支及能量分配的影响

地表辐射收支和能量分配对陆-气系统的反馈是气候模式中最重要的物理过程之一. 认识半干旱地区云和降水的扰动对辐射收支和能量分配的影响规律, 是提高数值模式中评估地表辐射收支和能量平衡参数化效果的关键环节. 利用兰州大学半干旱气候与环境观测站2008年的观测资料, 研究了云和降水的扰动对辐射收支各分量的削弱作用及对地表能量平衡的影响规律. 年平均结果表明, 多云状况可以作为年平均的气候背景; 云和降水对短波辐射削弱最强, 大气向下长波辐射随天空云量的增加而增强, 地表向上长波辐射随着云量的增加而减小, 净辐射占总辐射的比率受云和降水的影响较小. 季节平均结果显示, 短波辐射日积分量在生长季和非生长季均随云量的增加而降低, 生长季云和降水对短波辐射的削弱作用明显强于非生长季. 生长季, 晴天、少云和多云时向上长波辐射差异不大, 阴天时向下和向上长波辐射明显减小. 非生长季, 地表向上长波辐射受云和降水的影响较小, 日积分量变化不大, 向下长波辐射随云量的增多而增强. 地表反照率具有明显的日变化和季节变化, 冬季大, 秋季小; 地表反照率日变化呈不对称的“V”形分布. 生长季, 感热通量和土壤热通量随云量增多而减小; 潜热通量在晴天、少云和多云状况下随云量增多而增大; 阴天时受降水影响, 净辐射的严重削弱导致了潜热通量大大降低. 非生长季, 少云时净辐射日积分量最大, 晴天时的净辐射与多云和阴天状况接近; 感热和潜热通量随云量的增多而减小, 土壤热通量日平均积分值在非生长季为负. 生长季, 多云状况的能量闭合度最好, 能量不平衡差额占净辐射的3.9%; 阴天时最差, 不平衡差额占净辐射的16.8%; 晴天和少云状况不平衡差额约占净辐射量的7%. 非生长季受积雪影响, 能量不闭合差额明显大于生长季. 关键词： 半干旱草地 云和降水的扰动 辐射收支 能量平衡     

Studying the Polarization Characteristics of Thermal Microwave Emission from a Cloudy Atmosphere

We present the results of spectral studies of thermal microwave emission from a cloudy atmosphere at 37 and 85 GHz. The experimental data are interpreted on the basis of modeling of microwave radiation transfer in the mixed-type clouds containing ice crystals of different shapes and supercooled water drops. All orders of scattering are taken into account. It is shown that polarization radiometric measurements allow one to separately determine ice-water and liquid-water contents of the clouds and also to diagnose the cloud microstructure (crystal shapes and characteristic sizes).     

典型光谱吸收模型对静止轨道毫米波辐射分析

为分析我国未来拟发展的高轨静止卫星毫米波大气辐射特征,选择最佳模拟其毫米波辐射的光谱吸收线库方案,选取了三种基于典型光谱吸收线库逐线吸收模型（毫米波传播模型(MPM)、罗氏模型(ROS)和高分辨率分子吸收传输模型(HITRAN)）,针对拟新增的静止轨道毫米波探测频率424 GHz,分析了三种大气吸收模型模拟该频率大气吸收系数随大气温度、大气压强和大气湿度的变化差异。构建了一种多层毫米波辐射传输模型,利用上海探空站加密观测数据,模拟风云三号B星微波湿度探测仪(FY3B/MWHS) 183.31 GHz三个毫米波通道辐射值,并与真实观测值对比,分析三种光谱吸收线库在模拟海陆边界地区毫米波辐射时的性能差异。分析结果表明,对于424 GHz通道三种大气吸收模型对大气温度、大气压强和大气湿度的敏感变化趋势一致,数值上MPM模型与ROS模型更接近,HITRAN模型要显著低于其他模型。对于183.31 GHz,在海陆交界地区MPM模型模拟误差相比ROS和HITRAN模型最小,所有模型的第五通道模拟误差比第三通道和第四通道要小。     

从多波段图像中获取大气透过率的测量方法

提出了一种基于单帧多波段图像测量非气体吸收波段和弱气体吸收波段大气透过率的方法,可应用于相关光电工程中评估和修正大气衰减影响.首先,利用经过绝对辐射定标的图像采集设备获得辐射图像;其次,基于大气中图像退化光学模型与暗通道先验统计理论得到辐射图像暗通道对应的宽波段平均大气透过率;最后,结合特定波段消光系数和宽波段平均消光系数间的关系得到特定波段的大气透过率.实验对比分析表明:本文方法与能见度仪、激光雷达测量结果相关性较高,其中与能见度仪相比,相关系数在0.89和0.95之间,与激光雷达相比,相关系数在0.95和0.97之间;在1km近距离条件下与能见度仪、激光雷达测量结果平均相对偏差最高分别为9%和6%,在远距离条件下,与能见度仪测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为15%和30%,与激光雷达测量结果相比,4km和6km平均相对偏差最高分别为9%和18%.     

一种改进的光谱图像反演地表目标遥感反射率的方法

提出一种改进的反演地表目标遥感反射率的方法.利用光谱图像中的太阳耀光估计当时气象条件下的大气透过率,分析了天空辐射和色散现象对反演的影响,据此构建遥感反演模型,计算出地表目标的遥感反射率.由于消除了天空漫射辐射带来的额外影响使得可见光波段的反演准确度大为提高,此外将菲涅尔反射率表示为波长的函数进行计算使反演光谱在整个波段范围内能更好地匹配实验室光谱.实验结果表明,改进算法计算的反射率能更好地匹配实验室光谱,具有更高的反演准确度.     

MPM—An atmospheric millimeter-wave propagation model

A broadband model for complex refractivity is presented to predict propagation effects of loss and delay for the neutral atmosphere at frequencies up to 1000 GHz. Contributions from dry air, water vapor, suspended water droplets (haze, fog, cloud), and rain are addressed. For clear air, the local line base (44 O₂ plus 30 H₂O lines) is complemented by an empirical water-vapor continuum. Input variables are barometric pressure, temperature, relative humidity, suspended water droplet concentration, and rainfall rate.