亚毫米波冰云成像仪通道选择

依据冰云参数的多极化多散射大气亚毫米波辐射传输模型,分析了100 GHz~1 000 GHz频段内大气卷云吸收的特性,通过通道频率和带宽的不同设置,确定亚毫米波冰云成像探测仪包含15个通道,频率覆盖范围为118 GHz~900 GHz,建立其与遥感器通道灵敏度、定标精确度、不同地理位置和海拔高度上对流层卷云中冰水总量、冰晶粒子尺寸、形状、方向性等反演参数的约束模型,为设计和研制用于测量冰云参数的星载亚毫米波成像仪提供理论分析和仿真验证。     

非球形冰晶在94/220 GHz毫米波的散射特性模拟计算

针对94/220 GHz双频雷达的数据处理,分析了不同形状冰晶对这两个波段的单散射特性及衰减特性,探讨了单形状冰云及具体冰云模型的回波特性,结果表明:1)当冰晶较大时,冰晶的后向散射及衰减对冰晶形状较敏感,相同最大尺度下,六角形冰晶后向散射及衰减最大、子弹花次之、雪花最小;2)单形状冰晶云的雷达反射率因子对冰晶形状、冰水含量、滴谱的中值尺度较敏感,同样滴谱条件下,220 GHz的衰减系数约是94 GHz的5~25倍;3)具体冰云模型的雷达反射率因子随粒子浓度、冰水含量、中值尺度增加而增加,对粒子谱的形状参数敏感性较低.     

1.315 μm波长冰晶粒子辐射特性的模拟研究

利用逐线积分法(LBL)计算得到了大气分子红外吸收信息,结合不同形状冰晶粒子的单次散射特性,通过离散纵标法(DISORT),模拟计算了由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.315μm时的散射特性和辐射特性,定性分析了激光在卷云中传输时的衰减和散射规律与入射光的位置、卷云光学厚度、冰晶粒子有效尺度等参数的关系。与晴天大气相比较,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,被其他传感器探测到的可能性增大,其结果对于激光测距、激光探测等有关工程设计方面有非常重要的参考价值。     

卷云短波光学特性

卷云一般分布在对流层上部到平流层下部,它主要由分布在大气高层的各种形状的冰晶粒子组成.冰晶粒子的散射特性在气候模式、辐射传输和遥感领域都具有非常重要的意义.利用Yang等计算的几种冰晶粒子的散射特性数据库,假定卷云粒子谱分布符合Γ分布,得到了卷云的平均单次散射特性,包括实心与中空六棱柱、六角平板、子弹花、聚合物以及星形枝状六种非球形冰晶粒子在短波0.2～5.0μm波段的消光效率因子、吸收效率因子、散射相函数等.展示了卷云短波散射性质随波长、卷云有效尺度和卷云中冰晶粒子形状的变化关系,并分析了其变化的可能原因.     

水云从紫外到远红外波段的平均单次散射特性

水云出现在对流层的中下层,一般由球形液态水滴组成,是陆地大气太阳辐射通量的重要调节者之一。水云的散射特性在气候模式、辐射传输和遥感领域都具有非常重要的应用。利用Mie理论首先计算了不同大小的单个水云粒子的单次散射特性。再根据90种实际观测的水云粒子尺度谱分布,建立了一个水云在光学波段(紫外到远红外)的平均散射特性数据库。利用这个数据库,分析了8种常用的典型水云的单次散射特性分布,以及在可见到近红外、中波红外和长波红外三个波段的平均透过率特性。     

对称非球形冰晶对太赫兹波的衰减效应

水汽凝结体对太赫兹波在大气中的传输衰减起重要作用。结合T-matrix方法,数值模拟了云层中非球形冰晶在太赫兹波段的吸收和散射效应,建立了对称性非球形冰晶的太赫兹波衰减统计模型。分析了不同结构的非球形冰晶的消光特性,对比MPM模型的球形水云衰减,结果显示太赫兹波段对称非球形冰晶的散射特性明显,衰减效应强于球形水滴,衰减系数平均为20 dB左右,1 THz以上消光截面随冰晶形状的变化而变化,为太赫兹星地通信提供了参考数据。     

准球面模式下三种激光波长冰云大气反射率特性

冰云由冰晶粒子组成,是大气的重要组成部分,研究冰云条件下大气辐射传输特性有助于理解冰云对大气探测、地空链路激光通信等方面的作用。采用最新的C语言版本离散纵标法(CDISORT),比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下冰云大气激光传输的反射率差异;数值计算准球面模式下三种激光波长(065μm,106μm,155μm)入射时冰云大气反射率随冰水含量、有效半径、光学厚度、云底高度、相对方位角等因素的变化情况。结果表明:当太阳天顶角小于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差很小;当太阳天顶角大于70°时,两种模式下冰云大气激光传输的反射率相对误差明显增大。冰云大气激光传输的反射率随有效半径的增大而减小,随光学厚度或冰水含量的增大而增大。三种不同的激光波长入射时,冰云大气的平均反照率差异较大,但均值大于08。本文结果为星地激光通信、卫星遥感等工程应用提供理论支撑。     

气溶胶辐射强迫效率研究

气溶胶光学特性对气溶胶直接辐射强迫有重要的影响。采集了北京、香河、兴隆、敦煌四个不同地区的气溶胶光学特性地基观测数据,利用SBDART辐射传输模式模拟计算获取了四个地区的气溶胶直接辐射强迫,通过对比分析这四个地区的气溶胶辐射强迫得到了气溶胶辐射强迫效率同气溶胶光学特性的相关性。该研究结果对分析气候模式和评估环境能源结构具有重要的参考意义。     

非球形簇团核壳结构粒子的激光散射特性

在冰晶粒子异质核化理论基础上,建立了椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子模型,利用离散偶极子近似法(DDA)数值计算同一入射波长下,有效尺寸对核壳结构冰晶粒子消光效率、吸收效率和散射效率的影响、中间均匀混合层对核壳结构冰晶粒子散射强度的影响以及Mueller矩阵元素随散射角度的变化情况。数值结果表明:随着有效尺寸的增大,椭球形、六角平板和六角棱柱3种簇团形核壳结构冰晶粒子的消光效率、吸收效率和散射效率随着有效尺寸的增大分别呈现不同的变化趋势;在相等尺寸条件下,散射强度随散射角度的变化情况与粒子形状有密切关系,且相比于椭球形和六角平板两种簇团形核壳结构冰晶粒子,六角棱柱核壳结构冰晶粒子的前向散射强度最大,散射强度随散射角度的变化曲线振荡更明显。根据Mueller矩阵元素随散射角度的分布情况,可以看出六角棱柱簇团形冰晶结构的散射方向最明显,前向散射强度最大,六角平板和六角棱柱簇团形冰晶结构的Mueller矩阵元素相对球形和椭球形在后向散射场区域的偏差更明显。论文的研究结果为进一步分析复杂冰晶粒子的散射特性,开展高空云层中各种复杂几何形状簇团冰晶粒子的散射特性研究和分析提供支持。     

一种估测气溶胶吸收系数垂直分布的理论方法

研究气溶胶辐射强迫和激光大气传输效应,需要掌握气溶胶光吸收特性参数及其垂直分布情况.提出一种基于实测与模式相结合的方法来估测垂直高度上气溶胶吸收系数分布.首先采用太阳辐射计和激光雷达观测的数据分别反演整层气溶胶光学厚度(AOD)和消光廓线,再将辐射传输计算软件moderate spectral resolution atmospheric transmittance algorithm and computer model (MODTRAN)和santa barbara DISORT atmospheric radiative transfer(SBDART)在相应气溶胶模式下的数据结果作为约束条件,得到气溶胶吸收廓线,并通过外场实验测量数据进行反演实验.结果 表明,所提方法是可行的,可作为气溶胶吸收系数垂直分布有效获取的一种新的技术途径.     

利用FY-1C资料反演水云的光学厚度和粒子有效半径

利用FY-IC极轨气象卫星扫描辐射计的通道1(0．58—0．68μm)、通道3(3．55—3．95μm)和通道6(1．58—1．64μm)所提供的探测数据进行了水云光学厚度和粒子有效半径的反演试验．在非水汽吸收波段(如通道1)，云的反射函数主要是云光学厚度的函数，而在水汽吸收波段(如通道6)，云的反射函数主要是云粒子大小的函数．因此当云光学厚度较厚时，可利用通道1和通道6反射率，或通道1反射率和通道3亮度温度同时计算出云的光学厚度和有效粒子半径。     

Differences Between Collection 4 and 5 MODIS Ice Cloud Optical/Microphysical Products and Their Impact on Radiative Forcing Simulations

This paper reports on the comparison of two latest versions (collections 4 and 5) of ice cloud products derived from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) measurements. The differences between the bulk optical properties of ice clouds used in collections 4 and 5 and the relevant impact on simulating the correlation of the bidirectional reflection functions at two MODIS bands centered at 0.65 (or 0.86) and 2.13 mum are investigated. The level-3 MODIS ice cloud properties (specifically, ice cloud fraction, optical thickness, and effective particle size in this paper) from the collection 4 and 5 datasets are compared for a tropical belt of 30deg S-30deg N. Furthermore, the impact of the differences between the MODIS collection 4 and 5 ice cloud products on the simulation of the radiative forcing of these clouds is investigated. Over the tropics, the averaged ice cloud fraction from collection 5 is 1.1% more than the collection 4 counterpart, the averaged optical thickness from collection 5 is 1.2 larger than the collection 4 counterpart, and the averaged effective particle radius from collection 5 is 1.8 mum smaller than the collection 4 counterpart. Moreover, the magnitude of the differences between collection 5 and 4 ice cloud properties also depends on the surface characteristics, i.e., over land or over ocean. The differences of these two datasets (collections 4 and 5) of cloud properties can have a significant impact on the simulation of the radiative forcing of ice clouds. In terms of total (longwave plus shortwave) cloud radiative forcing, the differences between the collection 5 and 4 results are distributed primarily between -60 and 20 W ldr m^-2 but peak at 0 W ldr m^-2.     

基于MODIS云产品的北京地区卷云特性统计分析

利用2007年1月到2008年12月北京地区MODIS云产品数据（MYD06）,对北京地区卷云的光学厚度、有效尺度、和卷云云顶高度的概率分布和季节变化进行了统计分析,并对卷云出现的概率分布进行了研究。结果表明,卷云的云顶高度主要分布在6~12 km处,典型高度在9 km左右,卷云云顶高度分布随季节变化而变化。卷云的有效尺度主要分布在20~80 um之间,40~50 um间概率最大。卷云有效尺度随季节变化不大,并在一定程度上依赖于卷云的云顶高度。北京上空出现的冰云基本上都是不透明冰云。卷云光学厚度主要分布在0~10间,光学厚度小于5出现的概率大。冬季北京地区卷云出现的概率较小,光学厚度较小。     

A new concept on remote sensing of cirrus optical depth and effective ice particle size using strong water vapor absorption channels near 1.38 and 1.88 /spl mu/m

Techniques for retrieving cloud optical properties, i.e., the optical depths and particle size distributions, using atmospheric "window" channels in the visible and near-infrared spectral regions are well established. For partially transparent thin cirrus clouds, these "window" channels receive solar radiances scattered by the surface and lower level water clouds. Accurate retrieval of optical properties of thin cirrus clouds requires proper modeling of the effects from the surface and the lower level water clouds. In this paper, we describe a new concept using two strong water vapor absorption channels near 1.38 and 1.88 /spl mu/m, together with one window channel, for remote sensing of cirrus optical properties. Both the 1.38- and 1.88-/spl mu/m channels are highly sensitive in detecting the upper level cirrus clouds. Both channels receive little scattered solar radiances from the surface and lower level water clouds because of the strong water vapor absorption below cirrus. The 1.88-/spl mu/m channel is quite sensitive to changes in ice particle size distributions, while the 1.38-/spl mu/m channel is less sensitive. These properties allow for simultaneous retrievals of optical depths and particle size distributions of cirrus clouds with minimal contaminations from the surface and lower level water clouds. Preliminary tests of this new concept are made using hyperspectral imaging data collected with the Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer. The addition of a channel near 1.88 /spl mu/m to future multichannel meteorological satellite sensors would improve our ability in global remote sensing of cirrus optical properties.     

SBDART对云地面长波辐射强迫的模拟研究

为了研究云的地面长波辐射强迫与云的关系,利用SBDART辐射传输模式模拟了云量、云底高和云光学厚度对云的地面长波辐射强迫的影响,并对国内外学者研究的云的地面长波辐射强迫随云量变化的非线性原因进行了理论分析.结果表明:对相同的云,在不同的大气条件下,地面长波辐射强迫是不同的;云的地面长波辐射强迫随云量的增大而增大,随云底高的增大而减小,随云光学厚度的增大而增大,当光学厚度大于10以后,几乎不再增大.随云量的增加,低云和光学厚度大的云出现概率增大,是云的地面长波辐射强迫随云量变化呈非线性的两个原因.     

EOS MLS cloud ice measurements and cloudy-sky radiative transfer model

A cloud ice retrieval technique is described here using measurements at frequencies near 118, 190, 240, and 640 GHz and 2.5 THz from the Earth Observing System Microwave Limb Sounder on the NASA Aura satellite. Measurement principles, methods for cloud detection, and radiative transfer models for retrieving cloud properties are discussed. The 240-GHz data from high-tangent heights are used to retrieve ice water content at pressures <215 hPa, and the 118-, 190-, 240-, and 640-GHz radiances from low-tangent heights are used to retrieve ice water paths with different penetration depths. Some early Microwave Limb Sounder (MLS) results are highlighted, and the observed cloud signatures are consistent with the expectation from model simulations, in general. The simultaneous measurements from MLS 240 and 640 GHz radiometers contain useful information on particle sizes. There are significant cloud-induced radiances at 2.5 THz, despite strong attenuation from the atmosphere. Cloud-scattering signatures are polarized at 122 GHz, but the polarization differences are typically less than 10% of the total cloud-induced radiance.     

基于CloudSat的台风深对流云微物理参数相关性分析

以2009年14号台风“彩云”为例，基于CloudSat相关云产品统计了台风深对流云中水云和冰云的有效粒子半径、云水含量谱分布的特征。在此基础上探讨了两个云微物理参量的相关性，并对不同发展时期的多个台风进行了该关系的应用检验。研究结果表明，不论是水云还是冰云，若以云水含量为横坐标，以云有效粒子半径为纵坐标，台风深对流云像元散点图的分布存在明显的下边界线，且边界值随着有效粒子半径和云水含量参数值的增大而逐渐提高；零度层以下低层水云的有效粒子半径与液态水含量呈正相关关系，可采用对数关系式进行拟合。经检验，该拟合关系式对其他发展阶段的台风同样适用，证实了该关系的普适性。     

激光雷达和毫米波雷达的卷云微物理特性的联合反演方法

联合激光雷达和毫米波雷达对卷云观测可以得到更全面的卷云特性信息,是卷云观测的一种发展趋势。使用美国大气辐射观测(Atmospheric Radiation Measurement,ARM)计划中卷云观测数据,将激光雷达和毫米波雷达反演的云边界信息相结合,得到更为准确的卷云边界信息。提出卷云微物理特性的激光雷达和毫米波雷达联合反演算法,该联合反演算法能在激光雷达不能穿透或毫米波不能识别卷云的情况下,反演出整个卷云的冰水含量、光学厚度。使用联合反演算法对一次卷云过程进行反演,其中激光不能穿透的区域冰水路径含量反演精度提高24%,毫米波雷达无法识别的区域冰水路径含量反演精度提高48%。在正确反演冰水含量的基础上,利用冰水含量、粒径分布与光学厚度的关系得到卷云过程的光学厚度,克服了由于卷云对激光雷达强衰减导致的光学厚度观测的困难。     

基于MODIS资料的陕西水云特征研究

陕西位于西北内陆地区,是中国气候的敏感区,为准确认识其上空的水云特征,利用MODIS的MYD06二级云产品数据,对陕西水云的概率分布、云顶高度、粒子有效半径、光学厚度进行了统计分析。结果表明:(1) 水云概率分布显示出单峰结构,峰值出现在11月, 5月出现概率最低。水云在秋季出现概率最高,春季出现概率最低。 (2) 7月和9月水云云顶高度的概率分布会产生显著的变化,7月和8月的分布形态与其余各月有显著差别。水云云顶高度平均最大值出现在春季的4~5月,最小值出现在冬季的12~2月。(3)水云的粒子有效半径在10月~次年5月, 分布形态相似,6~9月分布形态与之明显不同。水云粒子尺度平均最大值出现在夏季的6~8月, 最小值出现在秋季的11月。(4) 光学厚度在0~5之间的水云在10月~次年5月,出现概率最高, 峰值出现在12~2月; 6~9月光学厚度在5~10之间的水云出现概率最高, 峰值出现在7~8月。水云光学厚度最大值出现在秋季的9~11月,最小值出现在夏季的7~8月。     

团聚形核壳结构冰晶粒子的激光散射特性

地空链路无线光通信链路上,云层是影响激光传输散射特性的主要因素之一,主要是由水滴、冰水或者具有其他混合的核壳结构冰晶粒子等组成。建立了考虑晶核以及中间混合层结构的2、8和39个球形核壳结构团聚冰晶粒子模型,分析了晶核尺寸对于理想团聚形核壳结构冰晶粒子消光、吸收和散射系数的影响;且通过对均匀混合层折射率的计算,对比了纯冰晶、理想核壳和考虑中间混合层的核壳三种多球团聚形冰晶粒子散射强度随散射角度的变化情况。数值结果表明:理想核壳结构和中间混合层的核壳结构对冰晶粒子的散射特性影响较大;相同条件下,三种不同团聚形核壳结构冰晶粒子消光、吸收和散射系数存在显著差异。该研究结果对冰晶粒子的散射特性研究结果更为精确,为开展无线光信号在随机分布冰云中的传输分析奠定理论基础。