大气气溶胶谱分布的多波长拟合模拟反演

在构建355,532,1064nm 3个波长的后向散射效率因子与355nm和532nm两个波长的消光效率因子查算表的基础上,正演计算出气溶胶的3个波长的后向散射系数与两个波长的消光系数(3β和2α)。通过非线性拟合,模拟反演了对数正态单峰分布情况下气溶胶的谱分布参数。结果表明:该方法可以反演得到单峰分布的气溶胶谱分布参数,不同初始值对反演结果的影响较小;复折射指数对气溶胶谱分布的反演起重要作用,当复折射指数的实部和虚部分别具有±1步长范围内的不确定性时,反演得到的粒子数浓度、几何标准偏差和峰值半径3个参数的相对误差分别为20.32%、33.50%和24.72%,其中实部比虚部的误差贡献更大。该研究为多波长激光雷达反演气溶胶谱分布垂直廓线的研究提供了理论基础。     

相态对冰水混合云微观特性反演的影响研究

当云层的温度在－40℃~0℃之间时, 云层中会存在冰和水两种相态的云滴, 其散射特性与纯水云以及纯冰云特性有较大差异, 因此遥感反演混合相云层的微观和宏观物理特性具有重要的意义。本文采用冰水双层球模型模拟了冰水混合云中的云滴, 利用Mie理论计算了纯水、纯冰和冰水颗粒的单次散射特性, 分析了单次散射相函数, 不对称因子, 单次散射反照率等随着有效半径、相态、内外半径比等的变化特性。利用离散纵标法(DISORT)计算了水云和冰云对0.75 μm、2.16 μm和3.3 μm的双向反射函数, 讨论了利用纯水滴和纯冰滴反演冰水混合云滴的误差。分析结果表明, 利用0.75 μm和2.16 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较大, 有效半径误差较小; 结合0.75 μm和3.3 μm的太阳光反演冰水混合云的光学厚度和有效半径时, 光学厚度误差较小, 有效半径误差较大, 其会高估其有效半径; 另外结合0.75 μm和3.3 μm这两个波长的反射函数反演冰水云的冰水混合比更为有效。     

利用冰水同心球模型反演冰水混合云

将云看作由众多冰水同心球粒子所构成,建立冰水同心球模型。模拟冰水混合云,计算可见光(0.66μm)和近红外波段(1.64μm和2.14μm)的反射函数和光学厚度,建立查找表。选取MODIS卫星数据中1通道、6通道和7通道数据,用最小方差拟合法反演光学厚度、有效粒子半径,和MOD06数据中的光厚度和有效粒子半径对比结果较一致,实验结果表明提出的冰水混合云的反演方法具有合理性。     

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     

一种新型云粒子探测仪的研制及初步观测结果分析(英文)

云粒子探测仪效率高、结构简单,在人工影响天气的活动中起着重要的作用.本文提出一种使用单模光纤耦合输出的685nm激光作为光源的新型云粒子探测仪.该仪器利用小孔光阑切割激光光束,使用相对均匀的中央部分的光束照亮云滴,采用具有两个高速A/D转换芯片(10M/S)的嵌入式计算机来不断地获取和处理云滴粒子信号,将所有云滴的原始数据存储在嵌入式计算机的固态磁盘中进行云滴粒径分布计算,并将计算结果发送到机舱内主计算机中即时显示.实验中,使用固定尺寸的标准粒子对仪器进行标定,获得不同直径云滴粒子信号变化幅度,从而获取该探测仪对云滴粒子的响应曲线;将探头安装在飞机上进行了现场观测实验,结果表明这种探头具有云滴测量能力.     

基于数字全息干涉术测量液相云微物理起伏的湍流参数表征

针对云降水物理研究中湍流的测量需求,提出了一种基于数字全息干涉术测量液相云微物理起伏的湍流参数表征方法。该方法无需假设云滴谱分布函数及调整相关参数即可获得实际湍流影响的液相云微物理起伏。利用定常湍流影响的雾滴模拟液相云滴,采用像元尺寸1.67μm的相机时序记录雾滴谱,获得含水量与雾滴平均半径的起伏。根据湍流理论,计算了湍流的方差,时间相关系数,协方差和互相关系数。最终,通过分析不同间隔时间含水量的时间相关系数,获得湍流场的时间尺度为100 ms;在固定采样间隔71 ms的条件下,分析不同起始时间含水量的时间相关系数,其起伏量与平均值的最大偏差为23%,证明了测量区域流场为定常湍流。该方法可为研究液相云微物理与湍流特性及相互作用机理提供有效的测量手段。     

利用地基红外高光谱发射率数据进行云参数反演(2): 云滴有效半径和云水路径反演

云滴有效半径和云水路径等微物理参数是了解云的形成过程、辐射效应以及云、气溶胶和降水相互作用等问题的重要数据。利用地基红外高光谱辐射数据开展了云微物理参数反演方法研究。针对光谱数据的特点,进行了基于云层发射率光谱和辐射光谱的敏感性分析,在此基础上建立了云微物理参数与云发射率光谱差值和斜率等特征参数有关的查找表关系。具体特征参数包括：热红外波段862.1和934.9 cm-1的云层发射率之差、中红外波段1 900.1和2 170.1 cm-1的云层发射率之差、热红外波段900～1 000 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率、1 100～1 200 cm-1区间的发射率光谱斜率和辐射值光谱斜率等。研究了臭氧波段云层透过率的计算方法及对查找关系的约束性,选择了1 050～1 060 cm-1区间的云层透过率平均值作为约束特征参数。实现了基于逐步搜索法的多重查找反演云滴有效半径和光学厚度,并可通过经验关系计算云水路径。研究表明,该算法得到的水云的云滴有效半径与ARM计划中的MICROBASE产品基本相当,冰云的云滴有效半径相对偏小,两者的云水路径反演结果差异较大。该反演算法较适合于光学厚度小于6的薄云。     

散射模型和有效粒子半径对卷云光学厚度反演的影响

为研究不同散射模型和有效粒子半径对卷云光学厚度反演的影响,计算了不同光学厚度下,一般种类混合模型(GHM)、实心柱状模型(SC)和聚合物实心柱状模型(ASC)取不同有效粒子半径时的反射率。理论分析了不同散射模型及其不同有效粒子半径对卷云光学厚度反演结果的影响。使用基于倍加累加法的矢量辐射传输模型RT3计算3种模型卷云光学厚度查找表,基于POLDER数据,采用查找表法进行卷云光学厚度反演实验,实验结果与理论分析一致。结果可知:采用不同散射模型反演得到的卷云光学厚度存在较大差异,相比GHM和SC模型,ASC模型卷云光学厚度反演结果更接近POLDER产品;有效粒子半径越大,光学厚度反演结果越大,GHM和SC的增幅较大,而ASC增幅很小。因此,在不具备有效粒子半径反演能力时,建议采用ASC模型反演卷云光学厚度,以减小有效粒子半径变化对反演结果的影响。上述研究对我国GF-5卫星的卷云光学厚度反演的散射模型选取及反演结果评价具有参考价值。     

基于POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性

针对利用POLDER数据反演陆地上空气溶胶光学特性和地表反射率进行研究.POLDER探测器能够提供可见光到红外的地气系统反射太阳光的反射率和偏振反射率的多方向数据.发展了一种基于多角度的总反射率和偏振反射率联合反演气溶胶光学参数的算法,根据倍加累加法矢量辐射传输模式构建查找表,反演过程中还考虑了测量数据的云检测处理,气体吸收校正和平流层气溶胶校正,通过865 nm波段总反射率和偏振反射率的模拟计算值和实际测量值的对比实现局部区域的气溶胶光学特性参数和地表反射率分布图的同时反演.并用CNES提供的POLDER气溶胶产品对反演结果进行了验证,该方法能够得到气溶胶光学厚度、折射指数、粒子有效半径和地表反射率较合理的反演结果.     

基于脉冲数字全息干涉术的云滴谱离散度研究

为了研究云滴谱的离散度与云微物理参量之间的相关性,提出了基于现场可编程门阵列的短脉冲调制激光、高分辨率显微光学系统和同轴数字全息干涉术相融合的观测技术,该技术探测云滴粒子的最小尺寸为2μm,还可以获得完整的云滴谱谱宽数据。在膨胀云室中连续三天的不同气溶胶数浓度下,开展了生消过程中云滴粒子的三维位置与直径的观测,利用观测结果计算了云微物理参量。进一步分析了云滴谱的离散度与云微物理参量在生成与消散过程中的正相关关系。通过比对不同气溶胶数浓度条件下云滴谱离散度的分布情况,得到了随着云滴数浓度的增多,离散度的取值范围会逐渐减小,且离散度相对拟合线的离散性降低的结论。     

利用云廓线雷达数据分析云光谱结构特征

云在地气系统中扮演着非常重要的角色,当前气候模式的模拟仍然缺乏云体内部精细结构的数据。而用传统的被动卫星辐射计遥感,则会丢失大量的云层垂直分布的信息。正是基于这些原因,NASA提出了CloudSat的发射项目,提供必要的观测以使我们更好的理解云的内部结构。CloudSat于2006年4月28日发射成功,搭载第一个W带(94 GHz)云廓线雷达(cloud profile radar, CPR),可提供连续地、全球时间序列的云的垂直结构和特征。利用CloudSat卫星数据对2009年第8号台风云系“莫拉克”和2009年的第15号台风云系“巨爵”进行分析,根据云检测的结果,获取了雷达反射率、云类型以及云层光学厚度的连续变化特征。这将为我们后续台风云系光学特性的研究提供参考。     

基于多角度偏振特性的云相态识别及验证

云相态识别是云参数研究的重要组成部分,为了有效识别水云和冰云,根据水云和冰云微物理性质的差别,研究了水云和冰云的单次散射特性,采用基丁倍加累加法的,人量辐射传输方程模拟了水云和冰云的多角度偏振特件.模拟结果表明,光谱的多角度偏振特件能够体现山水云粒子和冰云粒子微物理性质的差异,云在特定方向反射的偏振辐射强度对云相态非常敏感,可以用米进行云相念的识别,在模拟的基础上进行了云相态识别算法的研究,并利用多角度偏振卫星数据--POLDER 0.865μm通道数据进行了实例分析.识别结果与MODIS云相态产品及其1.38μm卷云榆测结果进行了比较.分析结果表明,基于多角度偏振特性云相态识别算法可以有效地进行云相态识别.     

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.     

测云技术研究进展

云的形成和变化是非常复杂的,是气象预测和航空航海等领域中非常重要的因素之一,云对大气辐射平衡影响也很大,直接影响气候和水文学变化,因此,对云进行观测具有重要的现实意义。通常对云的气象观测主要有:云状、云量和云高三项。简要介绍了关于云的一些基本概念和观测标准。目前,对于云量和云状的观测主要还是靠目测,但云高测量的各项技术业已成熟,出现了许多用于测量云高的仪器。激光雷达是用来测量云高最实用的方法,世界各国都投入大量费用和精力进行研究。     

基于多视场拼接光电经纬仪的成像系统指向校正方法

云相机用于对目标区域进行云识别和云覆盖率的判别,其采用阈值法进行云判。为满足云判的准确性,确定探测器响应值与辐亮度之间的关系尤为重要。以云相机采用的基于拜耳阵列的面阵彩色CCD相机为研究对象,分析其成像过程,发现其红(R)、绿(G)、蓝(B)通道的辐射响应光谱存在重叠;以此为基础,建立了多通道CCD探测器辐射响应定标模型。针对云相机使用的R和B通道,使用747 nm LED和443 nm LED作为积分球的光源,设置光谱辐亮度的最小值、典型值、最大值,在单光源条件下进行云相机的绝对辐射响应定标实验以确定相应的绝对辐射响应系数,在双光源条件下验证了提出的辐射响应定标模型的正确性。该方法消除了探测器响应混叠带来的定标不确定性,有效提高了绝对辐射定标的准确度。     

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。     

Quantum Point Cloud and its Compression

Quantum computation is becoming an important and effective tool to overcome the high real-time computational requirements of classical digital image processing. The quantum representations of two-dimensional images have been a lot of achievements. However, there are only few methods to express a three-dimensional image by quantum representation. In this paper, a three-dimensional quantum representation for digital images — quantum point cloud is proposed. Moreover, a lossy compression method is used to reduce the complexity of preparation.     

Localization in an Acoustic Cavitation Cloud

Using a nonlinear sound wave equation for a bubbly liquid in conjunction with an equation for bubble pulsation,we theoretically predict and experimentally demonstrate the appearance of a gap in the frequency spectrum of a sound wave propagating in a cavitation cloud comprising bubbles.For bubbles with an ambient radius of 100 μm,the calculations reveal that this gap corresponds to the phenomenon of sound wave localization.For bubbles with an ambient radius of 120 μm,this spectral gap is related to a forbidden band of the sound wave.In the experiment,we observe the predicted gap in the frequency spectrum in soda water.However,in tap water,no spectral gap is present because the bubbles are much smaller than 100 μm.     

Current Problems of Electrodynamics of a Thunderstorm Cloud

Electrodynamics of a thunderstorm cloud is considered with allowance for recirculation and multiflow motion of charged intracloud particles. In this simulation, the large-scale electric-field emerges due to the charge separation at the process of air convection and develops through the oscillation regime in the initial and final stages of the thunderstorm evolution. These oscillations qualitatively explain the observed behavior of the electric field of a thunderstorm. On the other hand, the multiflow convection is unstable and leads to generation of small-scale electrostatic waves (wavelength from 1 to 100 m) with amplitude reaching the conventional breakdown value. Such an instability can initiate microdischarge intracloud activity at the preliminary stage of the lightning discharge and between individual return strokes. We propose a three-dimensional cellular automata model which describes the main features of the preliminary stage of the lightning. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Radiofizika, Vol. 48, No. 9, pp. 810–822, September 2005.