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。     

微波辐射计探测大气剖面的相关向量机算法

提出了利用地基双通道水汽微波辐射计探测大气水汽、温度和折射率剖面的相关向量机反演算法,基于青岛地区的历史探空数据和仿真得到的双通道水汽微波辐射计亮温训练了相关向量机网络.青岛地区的实验和仿真比较表明:相关向量机反演得到的剖面与实际大气剖面有较好的一致性.     

微波辐射计与GPS 联合反演大气折射率

地基单站微波辐射计是被动反演对流层大气折射率剖面的一种有效设备,亮温是其进行反演的基础量.地基单站GPS(Global Position System)接收到的低仰角信号的斜路径延迟也是进行对流层折射率剖面反演的基础量.由于对流层的中低层大气变化较大,以上两种设备对其折射率的反演误差较大.将地基单站微波辐射计与地基单站GPS两种设备的实测数据相结合,建立联合反演模型,可以综合两种探测设备对大气不同层结的敏感性,有效改善对流层中低层折射率的反演精度.对太原和青岛两个地区历史探空数据的仿真反演结果验证了此联合模型的有效性.     

高光谱分辨率激光雷达测量低层大气温度

基于碘分子滤波器对大气气溶胶散射的强吸收特性,滤除低层大气中气溶胶散射的影响,从而利用分子瑞利后向散射信号强度反演低层大气温度.激光雷达低层大气温度测量结果与探空数据进行了对比,显示出较好的一致性,温度偏差在9 km内不大于3 K.讨论了激光雷达测得的大气温度与探空数据对比结果之间存在的系统偏差和由于参考高度温度初始值引起的激光雷达温度反演结果的变化.     

一种基于稀疏先验的综合孔径展源辐射成像统计反演方法

确定性的综合孔径辐射计反演方法没有考虑亮温分布先验信息的统计特性.针对亮温分布具有非连续特性的展源,本文提出了一种基于稀疏先验的综合孔径展源辐射成像统计反演方法.根据该方法,采用修正的差分算子提取亮温非连续分布展源中隐含的稀疏先验,建立稀疏先验概率分布的多层先验等效高斯模型,将图像反演等效为该模型超参数估计,并采用期望最大化算法估计该模型超参数.仿真和实验结果表明:与现有的综合孔径辐射计确定性反演方法相比,本文提出的反演方法不仅能有效提高反演图像的准确度,而且对综合孔径辐射计的各种误差鲁棒性更强.     

航空多角度偏振观测京津唐地区大气气溶胶

航空大气多角度偏振辐射计（AMPR）可以获取多角度、多波段和偏振辐射观测数据,将AMPR装载于遥感飞机对京津唐地区（工业发达、人口集中）的气溶胶进行观测,经过数据处理和反演,得到该地区的气溶胶光学厚度。反演过程中,以大气校正后的1640nm波段观测数据作为下垫面的地表偏振信息,结合查找表的方法,综合利用多角度光谱偏振辐射信息,反演得到气溶胶的光学厚度。反演结果与同步地基观测数据对比,结果表明AMPR具备观测典型区域大气气溶胶的能力。     

利用无线电掩星观测数据反演大气水汽剖面

准确掌握地球低层大气中的水汽分布，了解水汽变化趋势对天气现象的研究、数值天气预报具有重要的理论研究及实用价值。以无线电掩星技术为基础，利用掩星数据反演大气水汽剖面。详细阐述通过线性迭代方法，反演对流层下部水汽廓线的原理。对常用的掩星数据做了概括性介绍，利用实际掩星数据反演得到了近地面水汽的垂直分布廓线，并给出了反演个例。通过反演的水汽廓线与模式以及实际探空资料进行对比，表明在大多数情况下，由大气折射率反演获取水汽剖面的正确性。针对初始温度和反演上边界的问题进行了研究，分析了不同温度及不同上边界条件下水汽剖面反演可能受到的影响，指出了线性迭代方法反演水汽垂直分布中存在的问题。     

基于PSO-AMLS的数据拟合方法在红外辐射计校准中的应用

针对红外辐射计标定中的数据拟合问题,提出了一种基于PSO-AMLS算法的数据拟合方法。该方法结合了粒子群算法(PSO)和自适应移动最小二乘法(AMLS)。采用的PSO算法可以实现自适应移动最小二乘法中参数的最优化,提高了红外辐射计的校准精度。区别于传统的应用于红外辐射计校准中的数据拟合方法,文中提出的基于局部近似的PSO-AMLS数据拟合方法,不仅可以得到红外辐射计输出电压与准直辐射源辐射之间的对应关系,而且在数据处理中通过灵活的数据处理机制,可以降低因拟合数据不均匀分布对拟合结果产生的不利影响。实验结果表明,文中提出的PSO-AMLS数据拟合方法,优于红外辐射计校准中所用的传统数据拟合方法,可以提高数据拟合精度。     

地基多通道微波辐射计大气廓线反演方法研究

本文讨论了35通道地基微波辐射计反演温度、水汽廓线的BP神经网络反演方法,对神经网络的层次结构、样本选择、训练方法等进行了分析,并将反演结果与探空数据进行了比对,分析了误差产生的原因。结果表明,BP神经网络反演的廓线数据具有很好的精度,满足实际使用要求。     

大气散射辐射偏振特性测量研究

大气散射辐射偏振特性测量是研究大气光学和物理特性的有效手段之一.利用PVF021型光谱偏振辐射计,以合肥地区大气为例,通过野外地基测量,获取了大量不同时空的大气光谱偏振数据,对它们处理和分析,可以得到大气偏振特性的时空分布信息.此项工作为反演大气参数、建立大气散射辐射偏振特性模型提供素材.     

基于微波高光谱技术的数据仿真及参数反演研究

发展高光谱微波辐射计对于提升大气参数反演精度具有重要意义。利用微波辐射传输模型mpm93以及BP 神经网络方法分别构建正演上行辐射亮温和反演大气温度廓线的模型,并研究了晴空条件下高光谱微波辐射计反演大气温度廓线的精度。54～58 GHz、64～68 GHz 在氧气吸收波段选取80 个通道作为高光谱通道,基于2015 年5～12 月昆明的探空资料进行正、反演仿真实验。选取微波成像仪/ 探测仪(SSMIS)的9 个温度探测通道进行对比实验,评估分析反演效果。实验结果表明:在大气3～10 km 高度范围内,高光谱通道的反演精度较SSMIS 提高了0.3 ～0.6 K;在0～3 km 高度范围内,反演精度提高了1 K。     

Mie散射激光雷达研究成都地区大气边界层结构

基于Mie散射大气激光雷达,对成都地区大气边界层结构随时间变化的特性进行了研究。首先,应用Klett算法对大气激光雷达回波信号进行了反演,得到大气消光系数和后向散射系数。然后,通过对大气后向散射系数曲线进行拟合得到大气边界层混合层高度以及卷夹层厚度等特征参量。基于实测数据对成都地区大气回波信号进行了反演,结果表明,成都地区大气边界层混合层高度较低,卷夹层厚度较薄,且随时间变化的趋势较缓慢,这与成都地区特殊的地理状况有关。     

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。     

融合航空器监视数据的航空气象参数反演及验证

风矢量、温度和压强是非常重要的航空气象信息,事关飞行安全。航空器监视数据更新快、分布广,可用于绝大多数的飞机和地区,基于航空器监视数据获取气象信息是一种经济可行的方法。论文给出一种基于广播式自动相关监视（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast,ADS-B）和Mode S二次监视雷达（Secondary Surveillance Radar, SSR）融合数据的气象参数反演方法,利用空速、地速和气压高度等反演气象参数,并应用于单航线和区域性反演两种场景。与现有气象系统对照表明单航线和区域性反演都具有较高的反演精度,能够很好的补充现有的航空气象获取网络。      

Modeling and measurement of rainfall by ground-based multispectral microwave radiometry

The potential of ground-based multispectral microwave radiometers in retrieving rainfall parameters is investigated by coupling physically oriented models and retrieval methods with a large set of experimental data. Measured data come from rain events that occurred in the USA at Boulder, Colorado, and at the Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Program's Southern Great Plains (SGP) site in Lamont, OK. Rain cloud models are specified to characterize both nonraining clouds, stratiform and convective rainfall. Brightness temperature numerical simulations are performed for a set of frequencies from 20 to 60 GHz at zenith angle, representing the channels currently deployed on a commercially available ground-based radiometric system. Results are illustrated in terms of comparisons between measurements and model data in order to show that the observed radiometric signatures can be attributed to rainfall scattering and absorption. A new statistical inversion algorithm, trained by synthetic data and based on principal component analysis is also developed to classify the meteorological background, to identify the rain regime, and to retrieve rain rate from passive radiometric observations. Rain rate estimate comparisons with simultaneous rain gauge data and rain effect mitigation methods are also discussed.     

基于气象卫星数据的我国沿海悬空波导反演方法初步研究

悬空波导的测量方法有直接测量和间接测量两种.传统的直接测量手段只能得到单点的波导信息.间接测量也存在一定的局限性,不能获取高时空分辨率的波导多维空间信息.而静止气象卫星由于其高时空分辨率观测的特点,能对我国沿海海域大气环境进行时空四维监测.文中借鉴国外一种基于气象卫星数据反演悬空波导的方法,利用我国静止气象卫星FY-2G的云分类和云顶温度数据、地面观测数据及探空数据,分析该方法中各影响因素的敏感性,初步检验了该方法在我国沿海的适用性.提出建立本地海域悬空波导反演方法的几个关键问题：①选用高精度云顶温度反演数据;②选择合适规定层（850hPa或700hPa）;③根据本地数据得到一些参量的经验值;④建立本地参数化方案.下一步将寻找更多我国不同沿海海域的事例进行验证,该方法有希望运用到我国沿海大气波导监测中,为我国沿海大气波导监测和反演提供一种新方法新技术.     

基于WRF模式预报的微波湍流特性研究

大气湍流对对流层内微波的传播具有重要影响,正确认识大气湍流的特性有助于提高电波传播模型预测的准确性和可靠性. 本文利用天气数值预报（weather research and forecasting,WRF）模式预测气象要素,计算微波波段大气折射率结构常数,研究对流层内大气湍流的时空分布特性,并探讨其与温度、相对湿度和修正大气折射率的变化关系. 研究表明:近海面微波湍流强度具有明显的日变化特征;对流层内微波湍流的垂向结构具有较为明显的分层;大气环境出现逆温减湿现象,湍流活动较强. 这些研究成果可为微波在大气环境中传播的准确预测提供理论支持.     

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。     

Analysis and improvement of tipping calibration for ground-basedmicrowave radiometers

The tipping-curve calibration method has been an important calibration technique for ground-based microwave radiometers that measure atmospheric emission at low optical depth. The method calibrates a radiometer system using data taken by the radiometer at two or more viewing angles in the atmosphere. In this method, the relationship between atmospheric opacity and viewing angle is used as a constraint for deriving the system calibration response. Because this method couples the system with radiative transfer theory and atmospheric conditions, evaluations of its performance have been difficult. In this paper, first a data-simulation approach is taken to isolate and analyze those influential factors in the calibration process and effective techniques are developed to reduce calibration uncertainties. Then, these techniques are applied to experimental data. The influential factors include radiometer antenna beam width, radiometer pointing error, mean radiating temperature error, and horizontal inhomogeneity in the atmosphere, as well as some other factors of minor importance. It is demonstrated that calibration uncertainties from these error sources can be large and unacceptable. Fortunately, it was found that by using the techniques reported, the calibration uncertainties can be largely reduced or avoided. With the suggested corrections, the tipping calibration method can provide absolute accuracy of about or better than 0.5 K