地基多通道微波辐射计在大气遥感中的应用

地基多通道微波辐射计可实时探测大气微波辐射亮温并反演出大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线等。本文主要介绍了自主研制的地基多通道微波辐射计以及数据反演方法,同时将微波辐射计反演的大气参数与探空资料对比分析了反演精度,结果表明微波辐射计观测反演大气温度、湿度和液态水廓线具有很好的精度。同时辐射计可实时精确的探测反演大气边界层逆温,能够很好的探测到地表辐射逆温的强度和逆温厚度,这对研究大气边界层有着重要作用。     

用于星载太赫兹波被动遥感卷云参数的通道辐射特性及反演影响因素研究

太赫兹波是理论上遥感卷云微物理参数的最佳波段,但星载太赫兹波被动遥感的结果易受到非卷云因素(地表反射率、大气廓线、中低层水云等)的影响.利用辐射传输模式分别模拟计算了地表反射率、大气廓线、中低层水云对大气层顶太赫兹辐射光谱的影响,并基于多重查找表法定量分析了这些因素的变化所造成的反演误差.结果表明:地表反射率对太赫兹辐射光谱的影响主要集中在300 GHz以下,对反演所选取的波段没有影响;实际大气廓线中水汽廓线和温度廓线的改变对反演结果产生影响,当温度廓线的变化在±2 K范围以内,或水汽廓线变化±20%时,对于粒子尺度大于50μm、冰水路径大于10 g/m2的卷云,反演误差均保持在±20%以内;低云(云底高小于2 km)对所选通道的辐射没有影响,中云所产生的误差随着光学厚度和云底高度的增加而增大.     

K波段辐射计的超宽带多通道接收机设计与实现

K波段微波高光谱辐射计应用于大气探测方向, 能够在高湿度条件下改善大气温湿度廓线精度。为解决传统辐射计接收机未考虑在微波高光谱条件下频谱测量时间和系统复杂度增加的问题, 设计与实现了一种用于K波段微波高光谱辐射计的超宽带多通道线性接收机。通过结合传统微波辐射计接收机的数项优点, 改进的接收机结构拥有良好的宽带谱特性、高线性度和短频谱测量时间。在18~26 GHz频率范围内, 接收机的实测频率增益为77~80 dB、噪声系数为2.1~3.2 dB、线性度为0.999~0.9999和频谱测量时间平均为5.8 ms。实测结果表明, 设计的高频谱分辨率接收机适合K波段微波高光谱辐射计在大气遥感和快速天气变化观测中应用。     

利用温度权重函数反演大气温度廓线的相关理论研究

要利用温度权重函数反演大气温度廓线,首先要了解相关概念和理论。本文的主要研究内容是地基双通道微波 辐射计在大气温度廓线遥感和反演中的相关理论：5mm频段氧气吸收带的吸收特征;微波遥感大气温度辐射方程特性; 大气透过率和权重函数的计算。得出了上行和下行大气辐射方程温度权重函数的特性、不同观测高度和观测角度的大气 透过率、地基微波辐射计的权重函数。     

地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演研究综述

作为气象学和气候学研究的重要参量,温湿廓线在辐射传输过程、层结稳定度、对流有效位能、降水过程以及云的形成和演变过程中具有重要作用。目前,对大气温湿廓线的遥感探测主要有激光雷达、微波辐射计以及红外高光谱分辨率探测器等探测技术。总结了地基红外高光谱遥感大气温湿廓线在仪器、反演算法等方面的研究进展,重点介绍了统计反演算法和物理反演算法的基本原理,具体分析了不同算法在反演精度、稳定性和计算时间等方面的技术特点。最后,对目前地基红外高光谱遥感大气温湿廓线反演中存在的问题及未来的发展趋势进行了探讨。     

利用 IASI资料反演平流层大气温度

红外大气探测干涉分光仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer, IASI)能够获取平流层的大气温度廓线,而且由其 提取的大气温度扰动信息可用于平流层的重力波特征分析。基于神经网络方法,利用典型 大气廓线库和大气辐射传输模式建立了由IASI反演25～60 km高度范围内的平流层大气温度廓 线的算式,并结合再分析资料对反演结果进行了检验。模拟试验结果表明,平流层大气 温度反演的偏差主要在0 K附近且不超过1 K,均方根误差处在2～6 K之间,且50～5 hPa之间的均方 根误差在3 K以内。对比验证结果表明,本文的平流层大气温度反演与欧洲中期天气预报中心(European Centre for Medium-range Weather Forecasts, ECMWF)的再分析资料在总体上具有可比性,而且反演速度更快,覆盖的区域更完整。     

基于地基微波辐射计的大气参数廓线遥感探测

介绍了实时连续遥感探测大气温度廓线、湿度廓线和液态水含量廓线的地基微波辐射计。通过无线电气球探空测量的温度、湿度廓线、太阳辐射计测量的晴天水汽总量与微波辐射计探测结果的对比,证明该微波辐射计可以可靠地探测大气温度、湿度和水汽总量。通过对两个典型天气事件微波辐射计的观测数据分析表明：微波辐射计还可以监测云和天气变化的过程信息。     

地基和星载微波辐射计数据反演大气湿度

分析了地基和星载微波辐射计设计指标和探测特点.利用大气辐射传输理论和毫米波传播模型,1993(MPM93)和大气吸收系数模型,建立大气正演辐射传输模型.仿真风云三号A星(FY-3A)星载微波湿度计和地基探测仪的亮温数据,误差在允许范围内.对比星载和地基微波辐射计不同高度反演精度和均方差,建立基于3层神经网络算法的联合地...     

FY-3C微波湿温探测仪118 GHz和183 GHz通道辐射特性仿真分析

我国第二代极轨气象卫星的第三颗星——风云三号C星(FY-3C)已于2013年9月发射.为探讨微波湿温探测仪大气探测通道对大气参数的探测能力,采用威斯康星大学的非流体静力学中尺度模式系统(UW-NMS)模拟Katrina飓风的基础数据集,结合微波辐射传输模式,正演模拟分析了微波湿温探测仪118 GHz和183 GHz通道的辐射特性.仿真结果表明118 GHz和183 GHz通道作为星载亚毫米波大气探测通道,能够提供更加精细的大气温度和湿度廓线信息;冰态粒子的散射作用可使(118.75±5.0)GHz和(183.31±7.0)GHz通道亮温分别下降108 K和76 K,新增的探测频点和通道能提升对云雨大气的探测能力;118 GHz和183 GHz通道亮温对云中各种水凝物粒子响应的模拟分析结果证明了这两组通道在云中水凝物分布特性反演方面的潜在探测能力;大气中雨水含量的增加可以导致(118.75±5.0)GHz通道亮温下降4.5 K,118 GHz对液态粒子特有的响应能力,显示了其作为降水反演频点的优势;大气中雪粒子含量的增加会使(118.75±5.0)GHz通道亮温下降10 K,可利用该通道探测云中的雪晶含量.     

月表微波辐射对月壤厚度及其物理温度廓线的反演

以中国"嫦娥"1号(CE-1)卫星多通道微波辐射计对月球辐射亮度温度测量数据,选取月球两极、赤道与沿经度150°W作为目标区域,结合月表面地形的数字高程模型(DEM),讨论环形山月球表面(特别是光照度低的两极区域)微波辐射亮度温度的分布。由昼夜温度变化产生的月壤物理温度分布廓线的三层辐射传输理论模型为基础,结合阿波罗登月点月壤厚度测量数据,用CE-1多通道微波辐射观测数据反演与讨论了目标区域的月壤层物理温度廓线及其月壤层厚度。     

One-dimensional variational retrieval algorithm of temperature, water vapor, and cloud water profiles from advanced microwave sounding unit (AMSU)

The measurements from satellite microwave imaging and sounding channels are simultaneously utilized through a one-dimensional (1-D) variation method (1D-var) to retrieve the profiles of atmospheric temperature, water vapor and cloud water. Since the radiative transfer model in this 1D-var procedure includes scattering and emission from the earth's atmosphere, the retrieval can perform well under all weather conditions. The iterative procedure is optimized to minimize computational demands and to achieve better accuracy. At first, the profiles of temperature, water vapor, and cloud liquid water are derived using only the AMSU-A measurements at frequencies less than 60 GHz. The second step is to retrieve rain and ice water using the AMSU-B measurements at 89 and 150 GHz. Finally, all AMSU-A/B sounding channels at 50-60 and 183 GHz are utilized to further refine the profiles of temperature and water vapor while the profiles of cloud, rain, and ice water contents are constrained to those previously derived. It is shown that the radiative transfer model including multiple scattering from clouds and precipitation can significantly improve the accuracy for retrieving temperature, moisture and cloud water. In hurricane conditions, an emission-based radiative transfer model tends to produce unrealistic temperature anomalies throughout the atmosphere. With a scattering-based radiative transfer model, the derived temperature profiles agree well with those observed from aircraft dropsondes.     

基于FY-3C/MWHTS资料的海洋晴空大气温湿廓线反演方法研究

针对搭载于风云三号C星(FY-3C)上的微波湿温探测仪(Microwave Humidity and Temperature Sounder, MWHTS), 建立了海洋晴空大气条件下温湿廓线同时反演的一维变分反演系统.通过对影响反演精度的各个因素进行分析, 确立了该系统的输入参数.对于FY-3C/MWHTS观测亮温与快速辐射传输(Radiative Transfer Model for TOVS, RTTOV)模型的模拟亮温之间的偏差和角度依赖性, 采用逐像元统计回归校正方法进行校正.选择西北太平洋海域晴空条件下的校正亮温数据进行温湿廓线的反演, 并利用欧洲中期天气预报中心再分析数据集对反演结果进行验证, 结果表明:反演的温度廓线和相对湿度廓线的最大平均偏差分别为1.09 K和5.4%, 最大均方根误差分别为1.48 K和22.69%, 与未校正亮温的反演结果相比, 温度廓线的均方根误差最大可减小1.56 K, 湿度廓线的均方根误差最大可减小14.71%.反演温湿廓线与背景廓线的精度对比表明:反演的温度廓线在10~70 hPa、300~350 hPa和700~850 hPa内的精度高于背景廓线的精度, 而反演湿度廓线的精度除了825~875 hPa, 其他范围均高于背景廓线的精度, 因此FY-3C/MWHTS观测亮温的反演结果可进一步提高预报廓线精度.     

Selection of optimum frequencies for atmospheric electric path length measurement by satellite-borne microwave radiometers

Numerical experiments using regressions by leaps and hounds have been performed to determine the optimum frequencies for satellite-borne microwave radiometers to estimate atmospheric electrical path length over the sea. The frequency range 5-40 GHz was searched. The effect of surface wind speed, sea surface temperature, and clouds was considered in the optimum frequency selection. Our analysis indicates thatsim 0.6-cm rms accuracy is possible for one-way path length measurement using a proper pair of frequencies. The best two-channel subset selected by the leaps and bounds technique is [16.0, 21.0] GHz.     

瑞利-拉曼散射激光雷达探测大气温度分布

介绍一台用于夜晚探测大气温度分布的L625瑞利-拉曼(Rayleigh-Raman)散射激光雷达。采用Nd：YAG激光器三倍频输出355nm作为发射激光，利用弱光子计数技术检测大气中分子的瑞利散射和N2分子振动拉曼散射回波，分析得到了平流层和对流层中上部大气温度的垂直分布廓线。其观测结果分别与HALOE／UARS卫星和无线电气象探空仪结果进行了对比分析。其中，激光雷达观测的平流层温度与HALOE卫星的结果对比表明，它们在高度25～65km内显示出较好的一致性，20个夜晚的平均温度差别基本上小于2K。激光雷达与无线电气象探空仪探测的对流层温度在高度为5～18km内反映了较为一致的分布趋势，15个夜晚的平均温度差别在6～16．5km高度内小于3K。这些结果表明，L625瑞利-拉曼散射激光雷达观测数据可靠，可用于大气温度分布的常规观测和分析研究。     

高光谱分辨率资料通道选择方法研究

从用经典物理法反演大气参数的误差分析角度出发,利用贝叶斯原理探究了通道特性、背景误差、观测误差和仪器噪声等在反演大气参数时对反演精度的影响,提出了一个定量衡量通道对反演大气参数精度的贡献指标。以此指标为准则,对用高光谱分辨率资料反演大气温度廓线时的通道选择方案进行了设计和论证。以欧洲中心在2012年发射的第二代红外大气探测干涉仪(Infrared Atmospheric Sounding Interferometer,IASI)为对象,从8461个通道中选出了300个贡献指标最大的通道,并将它们与AAPP发布的应用通道作了比较。结果证明,本文选用的方法在选择反演大气温度廓线的通道时是有效可行的。     

探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达

为了研制一种测量边界层大气温度的激光雷达,采用氮气和氧气的转动喇曼谱的强度比反演大气温度垂直分布的方法,对转动喇曼激光雷达系统进行了理论分析与实验研究,取得了边界层内的大气温度数据。结果表明,该激光雷达测量的大气温度在0km~2.5km处与大气模式表现出了较好的一致性,激光能量为100mJ,测量时间约为17min,垂直分辨率为7.5m;2.5km处信号随机起伏引起的统计误差达到1K,可以对边界层内2.5km以下的大气温度进行高精度测量;如果要使测量的高度进一步增加,可以增大激光脉冲的能量或选用口径大的望远镜。这对探测边界层大气温度的转动喇曼激光雷达系统的研制提供了有益的指导。     

Radiometric profiling of temperature using algorithm based on neural networks

The retrieval of atmospheric temperature profiles from microwave radiometer brightness temperatures requires the solution of a nonlinear inversion problem. An inversion technique based on neural networks (NN) is developed. The NN technique, compared with the classical inversion methods, exhibits better results in terms of retrieval accuracy, vertical resolution and elaboration time.     

An Investigation of the Thermal and Athermal Effects of Microwave Irradiation on Erythrocytes

Erythrocytes heated by either microwave irradiation or conventional techniques were examined for loss of hemoglobin (Hb) and potassium (K+). In all experiments, microwave heated red blood cells (RBC's) were directly compared with RBC's warmed to the same temperature by use of an adjustable incubator and with RBC's maintained at room temperature. Microwave irradiation was carried out at either 2.45 GHz or in selected 0.5 GHz swept frequency regions in the 12.5-18 GHz range. Sample temperature was continuously monitored in both microwave heated and conventionally heated samples by use of a relatively nonperturbing liquid crystal optic fiber temperature probe. When rabbit RBC's were warmed by 3.7°C for 45 min by either irradiation (2.45 GHz, 10 mW/cm2) or conventional heating, no additional Hb or K+ was released into the supernatant. In contrast, when rabbit RBC's were rapidly warmed from room temperature to 37°C by either technique, the heated erythrocytes lost significantly more of both Hb and K+ than equivalent RBC's maintained at room temperature. In addition, RBC's warmed to 41.5°C by either technique lost far more Hb and K+ than those warmed to 37°C. In all experiments, Hb and K+ were lost in equal amounts by microwave heated and conventionally heated erythrocytes warmed at the same rate to the same final temperature. Thus, at all frequencies and power levels tested, any increased loss of either Hb or K+ from microwave irradiated rabbit RBC's should be ascribed to thermal effects on the stability and/or permeability of the erythrocyte membrane.