基于MODIS参数的卷云光学厚度计算方法

卷云光学厚度是对全球气候、地球辐射收支影响较大的云光学参数之一.在军事、大气科学等领域对卷云光学参数的求解算法有广泛的应用需求.应用中分辨率成像光谱仪(MODIS)数据求解卷云参数的算法,多采用卫星多通道数据,数据处理过程较为复杂.为解决这一问题,利用RT3模型结合MODIS云参数,模拟计算卷云反射率,建立卷云光学厚度查找表,设计简单算法,实现了卷云光学厚度的有效反演.对比卷云光学厚度反演结果和MODIS实际测得的数据,可得两者相关性达到0.97,验证了此算法下卷云光学厚度反演的可靠性.选取MODIS不同时间段的数据,分析了卷云光学厚度在不同时间、空间范围的变化情况,平均误差小于0.16,进一步验证了基于RT3模型的查找表反演卷云光学厚度的有效性.研究结果有助于实现全球范围内卷云光学特性的简单有效反演.     

一种MODIS遥感图像大气校正的快速算法

本文设计了基于大气辐射传输模型对MODIS遥感图像进行大气校正的一种新的快速算法。根据Kaufman气溶胶光学厚度反演方法的基本原理,建立了简化的气溶胶光学厚度反演模型,通过6S模型获取气溶胶光学厚度参数,利用经验公式计算大气反射率及大气透过率等参数,实现了MODIS遥感图像的快速大气校正。     

基于多角度偏振信息反演海洋上空卷云云顶高度

采用偏振辐射信息反演云顶高度时,为了减小由云层及地表偏振辐射特性变化带来的反演结果不确定度,使用490 nm和865 nm通道多角度偏振信息反演卷云云顶高度.理论分析大气顶偏振特征,给出490 nm与865 nm通道偏振特性差异,说明使用此两通道偏振反射率差反演云顶高度的可行性.假设卷云为一般种类混合模型(General Habit Mixture,GHM),使用倍加累加矢量辐射传输模型计算和分析大气顶490 nm和865 nm通道偏振反射率差对卷云有效粒子半径、光学厚度和云顶压强的敏感性.分析表明,当卷云光学厚度大于3时,偏振反射率差对有效粒子半径和光学厚度的变化不敏感,对云顶压强变化敏感.根据敏感性分析结果选择适当的参数构建偏振反射率差查找表,使用查找表方法反演POLDER3数据的卷云云顶高度,并与POLDER3产品和MODIS产品进行比较.结果表明,与POLDER3的官方算法相比,使用偏振反射率差查找表方法有更宽的散射角适用范围,反演结果与MODIS产品有更好的一致性.     

通用大气辐射传输软件(CART)大气散射辐射计算精度验证

为检验通用大气辐射传输软件（CART）计算大气分子、气溶胶散射辐射的计算精度,在大观测天顶角、太阳天顶角、观测与太阳方位角之差、散射相函数不对称因子变化范围内,就CART 软件模拟的单次散射辐射和多次散射辐射,分别与MODTRAN5.0 计算的单次散射辐射和离散坐标辐射传输软件（DISORT）计算的多次散射辐射进行比较分析。结果表明:CART 软件计算的单次散射辐射与MODTRAN5.0 的相对偏差一般小于10%,最大相对偏差为15%;CART 计算的多次散射辐射与精确的DISORT 算法的相对相差小于2.5%。CART 在包括多次散射在内的大气背景辐射计算方面具有较有高的计算精度和效率。     

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。     

星敏感器白天观星的对比度分析

恒星-背景对比度是星敏感器白天探测恒星的一个重要参数,它决定了星敏感器可探测星等的极限值.叙述了恒星-背景对比度的计算方法,分析了星敏感器在3°× 3°视场角和0°与40°两个观测角下,6等K和M型恒星的对比度随观测高度、太阳天顶角、波段和恒星光谱类型的变化特征.结果表明:对比度随观测高度的增加按指数增加,40 km高度上的对比度是10 km上对比度的100倍左右;随太阳天顶角的增加按线性增加,长波波段上80°太阳天顶角的对比度是20°时的6倍左右;经过滤波片(B W 090)滤光的全波段(0.4～1.0μm)上的对比度和0.6～0.7μm分波段的对比度较接近;全波段上的对比度随恒星光谱类型几乎不变化.这些结果可用于星敏感器在大气层内白天观测恒星的星等极限估计.     

卷云在红外波段辐射传输特性模拟计算

采用离散纵标法(DISORT)耦合大气分子吸收散射,考虑地表的热辐射以及地表反射,模拟计算了卷云大气的反射率以及透过率。研究了在红外波段卷云的光学厚度、有效尺寸及不同大气模式等因素对于辐射特性的影响。结果表明,卷云大气反射率受地表热发射的影响很大,且随卷云光学厚度增大减小。大气模式对于卷云大气辐射传输特性影响显著,比较而言,卷云的粒子尺寸影响较小。     

卷云高度对大气的红外光谱辐射影响的研究

利用通用大气辐射传输软件(CART)计算了不同高度卷云大气红外光谱辐射亮温,着重分析了卷云高度对不同红外波段红外亮温谱、卷云有效尺度以及光学厚度反演的影响。研究发现:对流层顶以下,大气窗口波段的亮温随着卷云高度的变化和大气温度廓线基本一致,790~960 cm-1波段亮温的斜率随卷云高度的增加而变大。亮温差BTD[900~1 231 cm-1]对薄卷云和小的有效尺度随卷云高度的变化较明显。对于厚卷云,亮温差BTD[900~1 559 cm-1]随卷云高度的变化基本上不依赖于卷云有效尺度和光学厚度。在卷云参数的光学定量遥感中需考虑卷云高度变化的影响。     

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。     

三视场白天测星研究

白天恒星探测最大的困难在于过强的背景辐射,全天时近红外多视场探测系统将三个参数相同的探测器刚性固连在探测平台上,同时进行恒星探测。结合中国地理位置,分析了白天近红外波段三个探测视场内的恒星——背景对比度随太阳天顶角、平台方位角、平台x方向俯仰角,平台y方向俯仰角及平台高度的变化情况。结果表明,随太阳天顶角的变化,对比度近似指数增长;随平台方位角的变化,对比度呈正态分布变化;当平台有一定的倾角时,对比度变化都很低且变化范围不大,但三个视场间相差较大（相差1.5~20倍不等）;随着平台高度的变化,对比度呈指数变化明显增大;为星等修正研究奠定较好的基础。     

Optical thickness of tropical cirrus clouds derived from the MODIS 0.66and 1.375-/spl mu/m channels

In this paper, we introduce a method to retrieve the optical thickness of tropical cirrus clouds using the isolated visible cirrus reflectance (without atmospheric and surface effects). The isolated cirrus reflectance is inferred from level 1b calibrated 0.66- and 1.375-/spl mu/m Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) data. We created an optical properties database and optical thickness lookup library using previously calculated single-scattering data in conjunction with the discrete ordinates radiative transfer (DISORT) code. An algorithm was constructed based on this lookup library to infer the optical thickness of tropical cirrus clouds for each pixel in a MODIS image. We demonstrate the applicability of this algorithm using several independent MODIS images from the Terra satellite. The present method is complimentary to the MODIS operational cloud retrieval algorithm for the case of cirrus clouds.     

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.     

1.064μm波长卷云反射率的模拟研究

为了给激光测距、激光对大气的探测等实际工程应用提供理论依据,采用逐线积分方法计算大气分子吸收,结合离散纵标法,并耦合卷云的单次散射特性,对由实心六棱柱状冰晶粒子组成的卷云在波长为1.064μm时的散射特性和辐射特性进行了理论分析,得到了该波长上激光在卷云中传输时的反射率随入射光源的位置、观测器的位置以及卷云参量(云光学厚度、粒子尺度等)的关系。结果表明,卷云在1.064μm附近对激光的主要影响是散射,吸收在消光中占了很小的部分;其次,卷云的散射明显改变了光辐射的空间分布,散射的方向变化主要由卷云的散射相函数以及光线入射角度和观测角度决定。这一结果对实际工程应用(比如激光测距、激光对大气的探测等)是有帮助的。     

An algorithm using visible and 1.38-/spl mu/m channels to retrieve cirrus cloud reflectances from aircraft and satellite data

The Moderate Resolution Imaging Spectro-Radiometer (MODIS) on the Terra spacecraft has a channel near 1.38 /spl mu/m for remote sensing of high clouds from space. The implementation of this channel on MODIS was primarily based on previous analysis of hyperspectral imaging data collected with the Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS). We describe an algorithm to retrieve cirrus bidirectional reflectance using channels near 0.66 and 1.38 /spl mu/m. It is shown that the apparent reflectance of the 1.38-/spl mu/m channel is essentially the bidirectional reflectance of cirrus clouds attenuated by the absorption of water vapor above cirrus clouds. A practical algorithm based on the scatterplot of 1.38-/spl mu/m channel apparent reflectance versus 0.66-/spl mu/m channel apparent reflectance has been developed to scale the effect of water vapor absorption so that the true cirrus reflectance in the visible spectral region can be obtained. To illustrate the applicability of the present algorithm, results for cirrus reflectance retrievals from AVIRIS and MODIS data are shown. The derived cirrus reflectance in the spectral region of 0.4-1 /spl mu/m can be used to remove cirrus contamination in a satellite image obtained at a visible channel. An example of such an application is shown. The spatially averaged cirrus reflectances derived from MODIS data can be used to establish global cirrus climatology, as is demonstrated by a sample global cirrus reflectance image.     

西北半干旱区激光雷达探测卷云几何特征和光学厚度

为了研究中国西北半干旱区卷云几何特征和光学特性的时空分布特征,我们利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL,35.95°N,104.14°E）的微脉冲激光雷达（MPL-4B）探测卷云过程,分析讨论了卷云的结构、光学性质及其时间变化特征,结果表明,卷云高度分布范围为7－10km,卷云经历了薄－厚－薄的过程,平均厚度为2.0±0.5km。卷云环境温度在－51～－39℃范围之内。卷云的光学厚度在0.084－1.649之间,光学厚度随几何厚度的增加而增大,平均光学厚度为0.651±0.403。多次散射效应对光学厚度大于0.3的卷云影响较大。卷云激光雷达比为17±17sr。薄卷云的激光雷达比要比厚卷云的大。光学厚度小于0.3的光学薄卷云出现高度在8.6km以上,环境温度低于－45℃,几何厚度小于1.5km,雷达比分布在5－69 sr。     

Combined infrared emission spectra and radar reflectivity studiesof cirrus clouds

Thermal-infrared emission spectra from cirrus clouds taken with a unique prism spectrograph are combined with K_a-band radar reflectivity measurements to obtain mass concentration and size information on the cirrus ice crystals. A two-stream radiation transfer model utilizing Mie scattering theory was used to infer the averaged effective ice sphere diameter which, for the cirrus studied, was near 50 μm     

合肥地区卷云的激光雷达探测

为了研究卷云的特征,我们利用L300米散射激光雷达对安徽省合肥地区(31.90°N,117.16°E)的高层卷云进行探测.这些卷云是在晴朗夜晚激光雷达进行对流层气溶胶常规测量的同时探测到的.分析讨论了卷云的结构、光学性质及其它们的时间变化特征.结果表明:该地区卷云的云峰主要分布在8～11 km范围之内,卷云的结构呈现一定的季节变化特征.