太赫兹波被动遥感冰云研究现状及进展
发布时间：2021-02-25 02:45
太赫兹波（频率0.1～10 THz,波长3 mm～30μm）位于微波与红外波段之间,其波长与典型冰云粒子尺度处于同一量级,是理论上遥感冰云微物理参数的最佳波段,利用该波段进行冰云探测已成为重要的前沿领域和研究热点。首先,概述了太赫兹波被动遥感冰云微物理参数的基本原理;然后,从太赫兹波冰云探测仪器、太赫兹波段大气辐射传输模拟器和太赫兹波被动遥感冰云的反演方法等3个方面详细介绍了太赫兹波被动遥感冰云的关键技术,尤其是对已有太赫兹波辐射计的关键参数、太赫兹辐射传输模拟器的特点和不同反演方法的优缺点进行了探讨分析;最后,对太赫兹波被动遥感冰云技术进行了总结和展望,以期能为今后太赫兹波被动遥感冰云相关研究提供参考依据。
【文章来源】：地球科学进展. 2020,35(12)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
太赫兹波被动遥感反演冰云的主要流程
众多学者对太赫兹波大气传输过程开展了较多研究，并提出一些太赫兹波大气传输正向模型。值得注意的是，所有包含云的大气传输正向模型都必须以云层厚度、云内粒子形态和粒子谱等特征参数为输入，正向模型对这些参数复杂性的表达方式是影响正向模型计算结果准确性的重要因素。不同模型对气体分子吸收、粒子散射及极化等的处理不完全相同，如Pardo等[50]提出ATM(Atmospheric Transmission at Microwaves）模型，适用于0～10 THz内的辐射传输计算，其中共振吸收的逐线计算依据当时的最新数据库进行，碰撞线宽则来自实验室公布的数据。对于远翼吸收的处理引入干大气的碰撞诱导吸收和水汽不透明性这2个不同的连续项。此外还考虑了相位色散，根据Kramers Kronig色散理论（与频率相关的相位延迟函数与吸收线形有关）对延迟进行了建模。但该模型未考虑散射和偏振的影响，仅适用于晴空大气的计算。Liebe等[51]提出MPM(Millimeter-wave Propagation Model）模型，可用于计算1 GHz～1 THz的大气辐射传输，其中包括44条O2线和34条H2O线的局部线光谱以及1项水汽连续吸收项。此外增加了干洁大气的非共振谱以及悬浮水滴、冰粒和降水的折射率表达式，但对于散射问题的处理过于简化、忽略微量气体光谱等问题使得其适用范围有限。日本国家信息和通信技术研究所（National Institute of Information and Communication Technology,NICT）专门针对太赫兹波辐射仿真提出的AMATERASU(Advanced Model for Atmospheric Terahertz Radiation Analysis and Simulation）模型[52]，是在继承Moliere[53]和SARTre[54]模型的基础上改进而来，包括Moliere对计算分子吸收系数、权重函数、仪器线形应用等模块，以及SARTre中大气粒子的光学特性和散射的模块。目前该模型已经修正了基于Moliere的吸收系数模块，使频率范围覆盖至亚毫米到近红外区域，同时开发新的辐射传输模块，可以处理不同类型的光学路径和处于任意位置的接收器。但对于水平非均匀的大气建模以及有云的情况，仍处于发展和完善阶段。近年，Evans等[35]曾使用LBLRTM模型[55]计算分子吸收，用计算效率较高但更近似的混合Eddington二次近似/单散射辐射传输模型[56]模拟所需视角和飞机高度的SWCIR亮温[33]，并用SHDOMPPDA[57]一维辐射传输模型模拟Co SSIR的亮温，可对任意方向的粒子进行非极化的辐射传输计算。ARTS (Atmospheric Radiative Transfer Simulator）是一个高度模块化、可扩展性强、普遍适用的综合辐射传输器，可用于处理地气系统从微波至热红外波段范围内辐射传输的模拟和计算[58,59]。该模型气体分子吸收采用逐线积分方法，可处理重叠吸收带及非均匀大气路径的谱线吸收问题，同时加入Zeeman效应和分子碰撞导致的吸收的计算。对云和气溶胶等粒子的散射问题的处理是ARTS的显著特征。其中单个粒子散射特性的计算采用Mie散射理论或T矩阵方法。对于粒子群的散射特性计算，提供了单一分散模型、伽马分布、对数正态分布和MH模型等粒子尺寸分布模型。随后采用离散坐标迭代法处理一维粒子散射、蒙特卡罗法处理三维粒子散射及多次散射问题。另外ARTS可通过计算Stokes矢量和相矩阵等描述辐射传输的极化状态。目前该辐射传输模式已成功应用于Odin/SMR、MASTER与SOPRANO等探测器的正向模拟与反演系统[60]。Fox等[61]基于COSMICS和WINTEX-16两次飞行试验的ISMAR观测数据，使用ARTS模型和冰云散射特性数据库，验证了325～664 GHz频率时模型对冰云辐射传输模拟的准确性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水分再循环计算模型的研究进展及其展望[J]. 李修仓,姜彤,吴萍. 地球科学进展. 2020(10)
[2]THz波大气探测仪器发展现状研究[J]. 高太长,李书磊,刘磊,黄威. 红外与激光工程. 2016(04)
本文编号：3050317
【文章来源】：地球科学进展. 2020,35(12)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
太赫兹波被动遥感反演冰云的主要流程
众多学者对太赫兹波大气传输过程开展了较多研究，并提出一些太赫兹波大气传输正向模型。值得注意的是，所有包含云的大气传输正向模型都必须以云层厚度、云内粒子形态和粒子谱等特征参数为输入，正向模型对这些参数复杂性的表达方式是影响正向模型计算结果准确性的重要因素。不同模型对气体分子吸收、粒子散射及极化等的处理不完全相同，如Pardo等[50]提出ATM(Atmospheric Transmission at Microwaves）模型，适用于0～10 THz内的辐射传输计算，其中共振吸收的逐线计算依据当时的最新数据库进行，碰撞线宽则来自实验室公布的数据。对于远翼吸收的处理引入干大气的碰撞诱导吸收和水汽不透明性这2个不同的连续项。此外还考虑了相位色散，根据Kramers Kronig色散理论（与频率相关的相位延迟函数与吸收线形有关）对延迟进行了建模。但该模型未考虑散射和偏振的影响，仅适用于晴空大气的计算。Liebe等[51]提出MPM(Millimeter-wave Propagation Model）模型，可用于计算1 GHz～1 THz的大气辐射传输，其中包括44条O2线和34条H2O线的局部线光谱以及1项水汽连续吸收项。此外增加了干洁大气的非共振谱以及悬浮水滴、冰粒和降水的折射率表达式，但对于散射问题的处理过于简化、忽略微量气体光谱等问题使得其适用范围有限。日本国家信息和通信技术研究所（National Institute of Information and Communication Technology,NICT）专门针对太赫兹波辐射仿真提出的AMATERASU(Advanced Model for Atmospheric Terahertz Radiation Analysis and Simulation）模型[52]，是在继承Moliere[53]和SARTre[54]模型的基础上改进而来，包括Moliere对计算分子吸收系数、权重函数、仪器线形应用等模块，以及SARTre中大气粒子的光学特性和散射的模块。目前该模型已经修正了基于Moliere的吸收系数模块，使频率范围覆盖至亚毫米到近红外区域，同时开发新的辐射传输模块，可以处理不同类型的光学路径和处于任意位置的接收器。但对于水平非均匀的大气建模以及有云的情况，仍处于发展和完善阶段。近年，Evans等[35]曾使用LBLRTM模型[55]计算分子吸收，用计算效率较高但更近似的混合Eddington二次近似/单散射辐射传输模型[56]模拟所需视角和飞机高度的SWCIR亮温[33]，并用SHDOMPPDA[57]一维辐射传输模型模拟Co SSIR的亮温，可对任意方向的粒子进行非极化的辐射传输计算。ARTS (Atmospheric Radiative Transfer Simulator）是一个高度模块化、可扩展性强、普遍适用的综合辐射传输器，可用于处理地气系统从微波至热红外波段范围内辐射传输的模拟和计算[58,59]。该模型气体分子吸收采用逐线积分方法，可处理重叠吸收带及非均匀大气路径的谱线吸收问题，同时加入Zeeman效应和分子碰撞导致的吸收的计算。对云和气溶胶等粒子的散射问题的处理是ARTS的显著特征。其中单个粒子散射特性的计算采用Mie散射理论或T矩阵方法。对于粒子群的散射特性计算，提供了单一分散模型、伽马分布、对数正态分布和MH模型等粒子尺寸分布模型。随后采用离散坐标迭代法处理一维粒子散射、蒙特卡罗法处理三维粒子散射及多次散射问题。另外ARTS可通过计算Stokes矢量和相矩阵等描述辐射传输的极化状态。目前该辐射传输模式已成功应用于Odin/SMR、MASTER与SOPRANO等探测器的正向模拟与反演系统[60]。Fox等[61]基于COSMICS和WINTEX-16两次飞行试验的ISMAR观测数据，使用ARTS模型和冰云散射特性数据库，验证了325～664 GHz频率时模型对冰云辐射传输模拟的准确性。
【参考文献】：
期刊论文
[1]水分再循环计算模型的研究进展及其展望[J]. 李修仓,姜彤,吴萍. 地球科学进展. 2020(10)
[2]THz波大气探测仪器发展现状研究[J]. 高太长,李书磊,刘磊,黄威. 红外与激光工程. 2016(04)
本文编号：3050317
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