多波段微波辐射计反演大气温湿廓线性能分析

为了为星载、机载以及地基微波大气温湿廓线探测仪通道的设置、大气参数反演指标的论证、反演算法的开发以及反演产品的质量评定提供参考依据,基于快速辐射传输模式(RTTOV10)和大气参数廓线库,建立了基于神经网络的微波大气温湿廓线反演性能分析方法,分析了反演方法、通道选择、亮温观测误差和地表比辐射率等因素对大气温湿廓线反演性能的影响。模拟试验分析表明:1神经网络反演算法显著优于线性统计回归反演算法,特别是对亮温观测噪声的敏感性相对较弱;2183.31GHz附近的水汽探测通道能够为大气温度廓线反演提供一定的信息;118.75GHz附近的温度探测通道对整个大气的温度反演均有明显影响,在200hPa附近误差的影响量达0.4K;350~60GHz和118.75GHz附近的温度探测通道对基于183.31GHz附近通道的湿度廓线反演具有重要影响,而且存在一定的互补性;4微波亮温观测误差以及地表比辐射率假定对大气温湿廓线反演有着显著影响。     

新型地基大气廓线微波探测仪及其参数反演

介绍的新型地基大气廓线微波探测仪样机,对进口并普遍使用的MP3000地基大气探测仪进行了结构创新,采用温度廓线测量的V波段（50~59 GHz）和湿度廓线测量的K波段（22~31 GHz）,每个频段采用7个通道。与MP3000不同,采用独立反射面,而非共享反射面的形式。接收机采用直接检波方式,而不采用超外差检波方式,避免了接收机下变频部分,结构上更简单,空间分辨率更高,维修更容易。这种新型设备具有体积小、质量轻、空间分辨率高和非线性误差低的特点。利用辐射传输方程和已知探空资料相关数据,计算各通道加权函数,计算各通道亮温,采用神经网络算法进行大气温度廓线的反演,结果证明,此样机在结构改进的基础上完全满足地基大气廓线仪结构简单,对时间分辨率和空间分辨率,温度廓线反演结果达到预期要求。     

多通道地基微波辐射计的1D-VAR反演算法研究

地基微波辐射计当前已成为大气参数连续观测并同步反演天气预报的重要工具之一,研究表明随着辐射计通道数目的增多,信息量增大,数值天气的预报能力也会更强.本文着眼于较多通道的地基微波辐射计,探索尝试利用一维交分法对其大气廓线进行反演仿真,利用相关算法对反演结果的垂直分辨率和精确度进行了评估,同时对比了不同通道数量的辐射计的反演性能.结果表明,大气廓线垂直反演值能够以较小的误差接近数据库真实值,具有更高的垂直分辨率和反演精度,能够提供更准确的反演结果,这对较多通道的微波辐射计的研究论证有着重要作用,对提高天气的预报能力有着重要意义.     

毫米波/亚毫米波冰云探测辐射计模型仿真

冰云对全球气候的显著影响,使得利用毫米波/亚毫米波辐射计探测冰云分布持续受到关注。为从辐射计亮温测量值中反演出冰云粒子参数,完善的辐射传输正演模型起到非常关键的作用。针对即将发射的冰云成像仪毫米波/亚毫米波星载辐射计,建立起了包含粒子散射在内的完整的辐射传输模型。传输模型读取大气廓线及云层粒子微观参数,仿真计算得到辐射计各通道的辐射亮温。给出了辐射传输模型的详细配置,并分析了不同通道对云层粒子的敏感性。结果表明：冰云成像仪各通道对冰云粒子、雪粒子均有很强的敏感性,但只有低频率通道能探测到水云粒子、雨粒子的变化。辐射计通道中,不同的中心频率对冰晶粒子敏感度不同,从而可使辐射计探测不同高度、不同特性的粒子。对于同一中心频率,不同频偏对应不同的大气透明度,使得辐射计可进一步探测到不同高度的云层信息。仿真工作将会为后续的毫米波/亚毫米波辐射计设计、反演算法研究等打下良好的基础。     

基于FY-3B微波成像仪的海面风速反演

风云三号B星微波成像仪的10.65、18.7、23.8和36.5 GHz频点对海表面粗糙度和介电特性比较敏感,能够用于海面地球物理参数的反演。为获得一种适用于全球大部分海域的海面风速反演算法,利用快速辐射传输模式和再分析大气廓线库模拟微波成像仪海面微波辐射特性,在此基础上建立了半经验反演算式,并利用浮标现场测量数据及WindSat全极化辐射计风速产品对半经验算法和经验算法分别进行了验证和对比。另外,通过分析风向对风速反演的影响,借助AT BV-TBH模型,尝试利用查找表算法对风向造成的晴空区域风速反演偏差进行初步校正。校正风向误差后,反演风速与浮标风速的均方根误差为0.9775 m/s。     

地基微波辐射计的亮温观测与模拟数据的一致性分析和云检测

为了利用辐射计观测数据"晴空样本"判断辐射计各通道的工作状态,并找出各通道的订正关系、进一步研究"云天样本",针对在广州市从化区进行观测试验的一台微波辐射计的亮温观测数据(TBM)和相应地点的NCEP大气层结资料,通过辐射传输方程计算得到模拟数据(TBC)并进行全样本一致性对比,根据多通道亮温差值阈值法识别出"晴空样本"与"云天样本"(以及少量歧义数据)。对"晴空"样本进行回归分析,判断该辐射计的工作状态、建立TBM-TBC订正关系,并应用于"全样本"观测数据进行线性订正。根据辐射计云底高度数据与订正后的亮温差值的时间序列对比,证明了多通道亮温差值阈值法识别晴空效果较好。经过订正后的"晴空样本"可直接用于后续的大气温湿度反演流程,而识别出的"云天样本"(含雨天)为后续云参数反演及亮温数据的云影响订正并进入下一步的大气温湿度反演流程打下了基础。     

利用神舟4号飞船多频段微波辐射计对塔克拉玛干沙漠的研究

利用神舟4 号飞船多频段微波辐射计结合其它星载数据和地面数据, 研究了塔克拉玛干沙漠的微波辐射特点和温度反演问题。结果表明, 微波辐射计在塔克拉玛干沙漠的性能是相对稳定的。其在塔克拉玛干沙漠的观测亮温呈现出低频高于高频的特点。通过分析, 认为这种现象与微波辐射的穿透能力密不可分。通过对各通道观测亮温与沙漠周围5 个常规气象观测站的温度资料的相关分析, 表明观测亮温与地表要素间有很好的相关性。     

AMSR-E的C/X双波段垂直极化亮温反演海面盐度

利用星载传感器观测数据反演的大气海洋参数进行综合研究是物理海洋学等海洋学科获取信息的重要手段。特别是全球尺度精细化的海面盐度信息,只有通过卫星观测才能有效获得。星载微波辐射计能够获取低频波段的亮温数据,具有一定的海面盐度反演能力。使用AMSR-E的C/X双波段垂直极化亮温数据和AMSR-E的L2b产品反演亚马孙河口海区和中国黄海东海海区的海面盐度,并将反演结果与WOA09气候态盐度数据进行比较。实验表明:使用星载微波辐射计的C/X双波段垂直极化亮温能够有效获得河口区域海面盐度的变化趋势,反演精度约为1.5psu,具有一定的应用价值,为将来我国盐度卫星的数据处理提供一定的帮助。     

对不连续帕累托前沿的一种改进的MOEA/D

提出了一种改进的基于分解的多目标进化算法,用于解决不连续帕累托前沿的多目标优化问题中出现帕累托近似前沿分布不均匀与不完整的问题.主要的思想是通过基于密度的聚类算法将尽量逼近帕累托前沿的种群划分为若干个子种群,将不连续帕累托前沿问题转化为多个连续子问题,然后协同演化所有子种群,最后获得更为均匀与完整的帕累托解集.实验表明对于处理不连续帕累托问题的优越性.     

临边微波辐射计亮度温度的模拟与敏感性分析

使用辐射传输模式LBLRTM,模拟计算毫米-亚毫米波段微波临边探测仪的信号亮度温度,分析研究其对于多种大气成分的敏感性。首先从谱线的选择,分析了25种大气成分在毫米-亚毫米波段的线强分布谱,并对这些成分进行了亮温敏感性研究,定量得出各成分亮温的变化范围和敏感性。然后,对模拟得到的这些成分是否存在时的亮温变化进行分析,从而选出5个谱段内较高可探测性成分。最后,结合当前对大气各成分的关注度以及技术可行性的考虑,提出研制包含5个辐射计的微波临边扫描探测仪的方案。     

干涉式被动微波成像仪二维频谱特征及误差分析

干涉式被动微波成像仪(干涉式综合孔径微波辐射计)利用不同距离的干涉天线对形成的基线对视场范围内亮温分布的空间频谱进行采样,进而反演得到亮温图像。首先介绍了干涉式被动微波成像仪的基本工作原理,在此基础上分析了空间图像的二维频谱特征,并能利用这些特征从采样频谱中初步分析出原始亮温中的某些特殊分布,证实了在反演亮温存在明显振荡的情况下,可以从振荡方向判断存在误差的基线的大致位置。还分析了成像仪的天线位置误差、信道的幅度和相位误差以及天线方向图误差对反演亮温的影响及特点。这些分析将为从反演图像判断干涉式被动微波成像仪误差类型和来源提供重要的判别依据,并为后续的反演图像增强算法的设计提供重要的参考。     

微波辐射计在卫星发射信号遥感探测中的应用

2022年10月,在西安利用地基微波辐射计进行常规大气观测实验期间,发现一个频率约为25 GHz的卫星发射信号,对微波辐射计常规观测产生了明显干扰。针对该观测事实,文章首次对微波辐射计被动遥感观测卫星发射电磁波信号的可行性进行了理论分析和针对性观测实验,结果发现该卫星发射信号主要在24.4～25.6 GHz范围内,中心频率约为25 GHz,同轨道共有3颗卫星,飞行间隔约8 h,在25 GHz附近卫星发射电磁波到达微波辐射计天线口面辐射亮温超过400 K;该组卫星轨道周期为24 h,属于倾斜同步轨道卫星。进一步利用微波辐射计观测的亮温,深入分析计算得到卫星的等效辐射功率约为66.9 dBW。本次实验观测为地基微波辐射计未来避免卫星的干扰和进一步改进设计与应用积累了经验,同时也可以看出地基微波辐射计在卫星跟踪监测中有一定的应用价值。     

被动微波遥感反演土壤水分进展研究

在地球系统中, 地表土壤水分是陆地和大气能量交换过程中的重要因子, 并对陆地表面蒸散、水的运移、碳循环有很强的控制作用, 大面积监测土壤水分在水文、气象和农业科学领域具有较大的应用潜力。被动微波遥感是监测土壤含水量最有效的手段之一, 相比红外与可见光, 它具有波长长, 穿透能力强的优势, 相比主动微波雷达, 被动微波辐射计具有监测面积大、周期短, 受粗糙度影响小, 对土壤水分更为敏感, 算法更为成熟的优势。然而微波辐射计观测到的亮温除了受土壤水分影响外, 还要考虑如植被覆盖、土壤温度、雪覆盖以及地形、地表粗糙度、土壤纹理和大气效应以及地表的异质性等其它因子的影响。目前, 已研究出许多使用被动微波辐射计反演土壤水分的方法,这些方法大部分是围绕着土壤湿度与亮温温度之间的关系进行, 同时也考虑其它各种不同因子对 地表微波辐射的影响。从介绍被动微波反演地表参数的原理入手, 重点介绍被动遥感反演土壤水分当前的算法进展、研究趋势等。     

混合分解和强度帕累托多目标进化算法

在多目标进化优化中,使用分解策略的基于分解的多目标进化算法(MOEA/D)时间复杂度低,使用〖BP(〗强度帕累托策略的〖BP)〗强度帕累托进化算法-2(SPEA2)能得到分布均匀的解集。结合这两种策略,提出一种新的多目标进化算法用于求解具有复杂、不连续的帕累托前沿的多目标优化问题(MOP)。首先,利用分解策略快速逼近帕累托前沿;然后,利用强度帕累托策略使解集均匀分布在帕累托前沿,利用解集重置分解策略中的权重向量集,使其适配于特定的帕累托前沿;最后,利用分解策略进一步逼近帕累托前沿。使用的反向世代距离(IGD)作为度量标准,将新算法与MOEA/D、SPEA2和paλ-MOEA/D在12个基准问题上进行性能对比。实验结果表明该算法性能在7个基准问题上最优,在5个基准问题上接近于最优,且无论MOP的帕累托前沿是简单或复杂、连续或不连续的,该算法均能生成分布均匀的解集。     

小波离散点插值处理在综合孔径微波辐射计中的应用

土壤湿度和海水盐度是影响全球气候和水体循环的重要因素,但是对土壤湿度和海水盐度的测量都需要较低的微波测量频率,这时天线孔径和空间分辨率的矛盾就更加突出,而应用综合孔径微波辐射计就是在减小天线孔径和重量的前提下提高空间分辨率的一项新兴的被动微波遥感技术。综合孔径微波辐射计测量的是视场范围内亮温分布对于天线阵中不同基线的干涉天线单元之间的可见度函数分量,根据测得的可见度函数可以反演得到亮温图像。在综合孔径微波辐射计设计中,天线阵列设计和成像反演算法是两项关键技术。提出一种基于小波变换的离散点插值方法,它对二维综合孔径微波辐射计的Fourier成像反演算法进行了修正处理。     

利用高频微波被动遥感探测大气

现已上天的微波辐射计大都采用１００ＧＨｚ以下频率,其观测资料应用的最大限制就是它们的空间分辨率不够高。随着高频微波元器件研制技术的不断发展,我们对使用毫米波、亚毫米波及更高频段进行地气系统遥感的可行性及重要性都已有了相当充分的认识。这里试图给出一个有关使用微波１１０ＧＨｚ以上高频在进行大气参量被动遥感方面研究的简要综述,包括大气温度和湿度廓线的反演、卷云遥感以及云和降水的探测     

基于地基微波辐射计数据评估不同土壤介电模型反演土壤湿度的适用性

以青藏高原开展的L波段地基微波辐射（ELBARA-III型）综合观测试验为依据,基于 \tau - \omega 辐射传输模型评估了Wang-Schmugge、Mironov、Dobson和 Four-Phase 4种土壤介电模型对L波段微波亮温模拟及土壤湿度反演的影响。结果表明：相同植被和粗糙度参数化方案条件下,4种土壤介电模型对微波亮温模拟存在明显差异,当土壤湿度小于0.23 m3·m^-3时,Wang-Schmugge模型与其他3种土壤介电模型微波亮温模拟结果差异最为显著,水平和垂直极化微波亮温模拟最大差值可达8.0 K和4.4 K;当模拟土壤湿度大于0.23 m3·m^-3时,Four-phase模型模拟的微波亮温显著高于其他3种土壤介电模型模拟结果;当土壤湿度饱和时,4种土壤介电模型间水平和垂直极化微波亮温模拟最大差值约为6.1 K和4.8 K,且4种土壤介电模型对水平极化微波亮温模拟的差异比垂直极化模拟的差异更为显著。而基于4种介电模型的土壤湿度反演对比试验表明,水平极化条件下基于Wang-Schmugge模型反演土壤湿度,较其他参数化方案,能有效减轻反演土壤湿度对观测土壤湿度的低估,Mironov模型减轻了垂直极化条件下反演土壤湿度对观测值的高估程度。在现有 \tau - \omega 模型参数化方案的基础上,总结了4种土壤介电模型在青藏高原典型草地下垫面的适用性,将为星载L波段辐射计青藏高原土壤湿度反演应用提供客观的土壤介电模型方案选取依据。     

人工神经网络反演算法反演北京地区湿度廓线

微波湿度计（MWHS）是风云三号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz（双极化）和183.3lGHz（三通道）,分别用于探测大气窗区和水汽廓线。采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测大气湿度的垂直分布。本文简要介绍微波大气湿度探测的基本原理,阐述了湿度廓线反演的各种方法,着重运用人工神经网络算法,反演北京地区的大气湿度的垂直分布。结果表明,运用风云三号微波湿度计数据,大气湿度垂直分布反演值与已知的探空数据相比,虽有误差,但在可接受范围之内,反演结果可应用于气象,通信等领域,并具有重要应用价值。     

考虑时变交通状况的低碳车辆路径优化

研究了由常发性交通拥堵造成的实时交通状况变化对低碳车辆路径优化的影响。用道路交通状态指数表示城市实时交通状况，以低碳和配送时间最短为目标建立整数规划模型进行路径优化。设计了改进的粒子群算法进行求解，得到帕累托前沿解集。数值算例表明，改进的粒子群算法能有效找到满意解。通过帕累托解集可以证明该方法可以在牺牲少量配送时间的前提下减少碳排放量。随着交通状态指数的增大碳排放量的优化效果更加明显。     

东北地区森林积雪的微波辐射亮温模拟分析

微波辐射亮温正向模拟是辐射传输模型反演积雪参数的关键步骤之一。以HUT模型为基础,针对森林冠层微波透过率这一关键的模型输入参数,在东北大小兴安岭典型森林积雪区进行了14个子区域(10km!10km)的地基遥感观测和森林参数取样观测实验,分别利用地基微波辐射计实测和森林材积量回归两种不同参数获取方法,得到实验观测区冬季森林透过率,并模拟了星载微波辐射计探测亮温(TsimuB)。通过对两种参数获取方法模拟亮温的相关性分析,说明在K波段水平极化条件下森林存在体散射效应(相关系数R2≤0.37),而Ka波段双极化和K波段垂直极化条件下,森林存在很弱或无体散射效应(相关系数R2≥0.53)。在此基础上,将TsimuB与FY3C MWRI观测的微波辐射亮温进行了差值比较,以MWRI的定标精度约以2 K为基准,提出了以偏差|Δ|≤3·"=6K为一致性判据准则。在K波段水平极化(H)与垂直极化(V)辐射计模拟的一致性为79%、82%,Ka波段的H和V为43%、50%;材积量模拟亮温的一致性是K波段H和V为57%、86%,Ka波段的H和V均为64%。结果表明:在HUT模型模拟森林积雪系统微波辐射亮度温度时,Ka波段积雪层散射引起的不确定性大于K波段森林散射引起的不确定性。通过数据分析,提出了HUT模型的适用性及东北地区森林—积雪真实性检验场的选址依据。