三频雷达遥感云参数能力的模拟与初步分析

短波雷达在观测云内粒子微物理属性方面具有优势,是探测全球水循环重要环节——云的强有力探测工具。本文简要回顾了云雷达探测的理论基础,从雷达探测基本原理出发,借助小粒子电磁波散射理论和方法,建立了一套多波长雷达观测正演(前向)模型(Radar Simulation Package,简称RSP),并利用RSP对当前主流的三种典型波长X波段(9.5 GHz、3 cm)、Ka波段(35 GHz、8 mm)和W波段(94 GHz、3 mm)短波雷达的遥感探测能力开展了模拟分析。通过与瑞利法计算结果相比较,证实RSP法的计算精度可靠准确。基于RSP法模拟结果,建立了液水含量(LWC)与雷达反射率因子(Ze)、有效粒子半径(re)与Ze之间幂指数形式的反演关系;建立了利用不同云层高度处两波长的反射率因子差值,反演云层平均LWC的反演关系等。本文工作对如何利用雷达探测参数提取液态云滴的微物理参数方法进行了探讨,一方面为多波长雷达探测云特征获得更准确的理论认识,另一方面为云微物理参数的反演提供理论依据和分析手段。

基于多模型神经网络的湿度廓线反演研究

为提升微波辐射计对大气廓线探测的精度,利用ARM大气观测站提供的地基微波辐射计、毫米波测云雷达以及探空数据,构建了两种添加不同云信息的反向传播神经网络(back propagation neural network,BPNN)模型(添加入云和出云高度的C-BPNN模型与添加雷达反射率因子的Z-BPNN模型)与一种未添加云信息的BPNN模型(记为BPNN0),并对反演结果进行了对比,结果表明:C-BPNN模型和Z-BPNN模型在任何天气下(有云或无云),得到的反演误差都小于BPNN0模型;C-BPNN相较于另外两种模型反演结果具有更高的稳定性。对3种模型各自反演结果最好的个例分析发现,C-BPNN与Z-BPNN模型主要的误差存在于高空无云但是相对湿度却出现跃变的情况,说明神经网络模型对初始权值与阈值较为敏感,因此通过遗传算法(genetic algorithms,GA)对BPNN模型进行优化。经GA优化后的反演结果表明:BPNN0模型与C-BPNN模型具有明显优化效果,而Z-BPNN模型优化效果则不明显。

电离层对月基对地观测平台辐射成像的影响

月基对地观测是一种全新的空间观测手段,其将月球作为搭载平台对地球进行持续长期观测,具有超大可观测范围、高测绘带幅宽、多角度成像、高时间分辨率和长使用寿命等优势。地球电离层位于地表以上至1000 km的高空区域,是影响月基对地观测成像质量的重要因素。为探索月基对地观测平台下热红外及微波辐射传输特性,研究开展了地球电离层对月基对地观测平台热红外和微波辐射成像影响分析的工作,并模拟不同纬度区域月基微波辐射亮温衰减值。首先根据Chapman分布定量化分析电离层电子浓度、折射率变化规律,再结合观测天顶角、碰撞频率等参数计算穿过电离层过程中不同高度处衰减及传输路径,最终采用积分方式获取热红外和微波在电离层中能量衰减量。结果表明,月基对地观测平台热红外和微波成像链路中电离层中造成的能量衰减与碰撞频率、热红外波长和观测天顶角有关,且地球电离层对月基对地观测平台微波成像的影响大于热红外成像的影响。此外,低纬度区域月基微波辐射受电离层衰减影响较大,月基微波亮温值降低约1.304 K;中纬度次之。

基于遥感生态指数分析太原市城市生态环境质量变化

利用Landsat遥感影像,基于绿度、湿度、干度、热度,构建遥感生态指数(RSEI),定量揭示太原市城六区2004—2020年生态环境质量空间分布与变化,并对其影响因素进行分析。结果表明:2004年、2010年、2020年RSEI均值分别为0.267、0.324、0.345,呈上升趋势,上升速率为0.046/10a,生态环境质量整体向好的趋势发展。太原市城六区生态环境质量呈“川”字形格局,东西部的好,中部的较差,万柏林区在城六区中生态环境质量最好,小店区的最差。土地利用类型改变和人类经济活动是影响生态环境质量的重要原因。2004—2010年生态环境质量改善面积占比达52.50%,2010—2020年51.45%的区域生态环境质量未发生变化,24.89%的区域向好的方向发展;2010—2020年生态环境质量变差面积占比由2004—2010年的9.69%增加至23.66%,因城市发展政策向南倾斜,使生态恶化区域重点向南发展。

基于温度植被干旱指数的江苏淮北地区农业旱情监测

为实现江苏省淮北地区农业旱情监测,利用Savitzky—Golay(S-G)滤波方法,对2011—2012年江苏省淮北地区1-5月MODIS的归一化植被指数(normalized difference vegetation index,NDVI)和地表温度(land Surface temperature,LST)8 d产品进行重构,去除原8 d数据的噪声,填补受云影响而缺失的数据。基于重建后的NDVI和LST数据,计算温度植被干旱指数(temperature vegetation dryness index,TVDI);分析TVDI和土壤湿度之间的关系,构建土壤湿度反演模型。最后,利用另外1组数据验证所建土壤湿度模型的精度。研究结果表明:1)S-G滤波方法能够提高MODIS LST和NDVI数据质量,并能对缺失数据进行填补;2)TVDI方法能够实现试验区土壤湿度反演,所建模型在试验区具有一定的普适性,反演精度较高(R2=0.575,RMSE=2.59%);3)TVDI方法在江苏省淮北地区干旱监测中得到了较好的应用,能够成功地监测出江苏淮北地区2011年和2012年春旱。该研究可为农业旱情的快速监测提供借鉴。

云与气溶胶光学遥感仪器发展现状及趋势

气溶胶是影响地球气候和环境的不确定因素之一,星载被动光学遥感具有大视场、宽波段、高时空分辨率等优势,已成为云与气溶胶探测的有效手段之一。本文简述了云与气溶胶光学遥感探测的必要性和可行性,详细介绍了国内外典型云与气溶胶光学遥感仪器的系统组成、主要技术参数和方案特点,并基于现有仪器的不足和气溶胶反演需求,指出了云与气溶胶光学遥感仪器的发展趋势,给出了新一代云与气溶胶光学遥感仪器的方案设计结果。集成大视场、中等分辨率、多角度、多光谱、宽谱段、长寿命的高精度偏振测量是新一代星载云与气溶胶光学遥感探测仪的首选方案和发展趋势。

中国地区3个AERONET站点气溶胶直接辐射强迫分析

利用全球气溶胶监测网(AERONET)观测资料,借助平面平行辐射传输模式,计算兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)、香河站和太湖站多年晴空条件下的气溶胶直接辐射强迫.结果表明,SACOL、香河和太湖地区大气层顶气溶胶日平均直接辐射强迫分别为(-7.2±7.1)、(-11.7±9.5)和(-14.9±8.3)W/m2,地表处分别为(-21.9±12.2)、(-36.5±29.5)和(-42.2±21.0)W/m2,大气中分别为(14.7±9.7)、(24.8±23.0)和(27.3±16.5)W/m2.香河站和太湖站气溶胶对地表的降温和大气的增温大于SACOL站.地表和大气中辐射强迫对气溶胶光学厚度的变化敏感,而大气层顶处敏感性较弱.沙尘气溶胶直接辐射强迫大于所有气溶胶的平均值,且对地表降温和大气增温更明显.

北京市MODIS气溶胶光学厚度和PM_(2.5)质量浓度的特征及其相关性

将NASA MODIS气溶胶光学厚度产品AOT与北京市清华园PM2.5质量浓度进行比较分析.研究表明,AOT和PM2.5均有明显的季节性变化特征;二者的日均值相关性在冬半年要明显低于夏半年,说明二者受到季节的显著影响.利用相对湿度和气溶胶标高等气象条件进行校正后,AOT与PM2.5具有较高的相关性.因此,MODIS AOT可以作为监测PM2.5分布以及传输的有效补充手段.

基于观测约束的地基GPS三维水汽层析技术研究

全球定位系统(GPS)卫星信号穿过大气层时发生的偏折和延迟,可以用来反演信号传播路径上的大气水汽总量。为获取区域高精度的大气水汽三维分布,借助分布密集的地基GPS观测网及其斜路径水汽观测,建立新的观测约束层析模型,提出以高斯函数为水平约束,区域逐月多年探空观测为垂直约束,即以平均量为先验值,以标准偏差为权重矩阵的新方法;并在层析算法中引入地面观测,以提高整体尤其是低层反演精度。三维水汽层析网格模型基于长江中游鄂东区域的22站地基GPS加密网搭建,实时解算系统可逐时输出三维水汽产品。三维湿折射度和水汽密度可以分别由斜路径的湿延迟总量和水汽总量观测反演获得。以2010年开展的汛期联合加密探空观测为参照,对三维层析的总体反演精度、低层反演精度、层析区域中心与边缘反演精度进行了对比和分析。结果显示:整体样本检验三维水汽密度平均偏差为-0.63 g/m^3,标准偏差为1.22 g/m^3,与探空相关系数为0.98;水汽密度与探空资料的相关比湿折射度与探空资料的相关好;对于不同层析区域,中心区域观测元数量较为丰富,使得位于中心的层析精度好于整体和边缘;加入低层观测的层析结果与探空的相关比未加低层观测时的好,低层观测的加入提高了层析与探空的相关,减小了低层层析标准差、区域中心和2 km以上层析的均差,有效提高了反演精度;低层观测的加入对整体标准差的影响,可能与加剧观测方程中长度矩阵元素间的量级差异有关。

地表组分温度反演

在热辐射方向性规律的基础上 ,以喜直型连续植被为例 ,进行了大量的MonteCarlo模拟 ,建立了辐射亮度和组分温度、植被叶面积指数及土壤比辐射率之间的经验函数关系。采用遗传算法 ,从热红外 2个波段 2个角度数据中 ,同时反演混合像元组分温度、土壤比辐射率和叶面积指数等 5个参数。通过对模拟的观测数据进行大量的遗传算法反演试验 ,结果表明 ,遗传算法反演组分温度非常稳健 ,在宽松的先验知识条件下 ,遗传算法可以解决不确定性反演问题。遗传算法反演结果和野外实测数据作了比较 ,证实了反演方法的正确性。为基于热红外方向性辐射模型反演地表组分温度 ,提供了新的实例。

卫星遥感估算淮河流域区域能量通量的方法研究

利用 1998年淮河流域加密观测试验 (HUBEX IOP)期间的资料 ,进行淮河流域能量平衡的参数化方案的研究 ,用NOAA卫星的AVHRR资料建立了试验区地表特征参数及能量平衡各分量的参数化方程 ,并对卫星遥感反演结果和试验观测值进行了对比 。

遥感陆面温度

陆面温度在地气相互作用过程中扮演着十分重要的角色，唯有遥感可以提供二维陆面温度分布信息，鉴于“分裂窗口”方法求取海面温度已进入业务运行，那么能否依赖“分裂窗口”数据求解陆面温度呢？长期以来人们为此争论不休。为了使方程组封闭，许多人寄希望于中红外窗区能提供更多的信息，然而中红外的使用必然会引发新问题，其一是太阳直接辐射的影响如何消除；其二是气溶胶的散射作用不可忽略。本文在数值实验的基础上论证了应用“分裂窗口”方法实现陆面温度反演精度在１℃以内的可行性，并用实测ＮＯＡＡ－ＡＶＨＲＲ资料初步验证了该方法的稳定性。

基于岸基实测数据的FY-3A近红外通道海洋大气水汽反演

利用全自动太阳光度计(CE-318)野外定点长时间序列现场观测数据,验证传统大气水汽反演算法,结果表明,反演结果精度较低,不适于该研究区域大气水汽含量反演.因而给出了近红外波段大气水汽含量探测的原理,对自主卫星FY-3A中分辨率成像光谱仪MERSI(Medium Resolution Spectral Imager)反演大气水汽含量算法作了推导、分析.基于长时间序列现场观测数据集,建立了局地化的FY-3A海洋大气水汽反演算法,并用于研究区实际大气水汽含量反演.通过双通道比值法和三通道比值法反演结果与现场实测数据比较,得出以下结论:模型受下垫面反射率影响较大;三通道比值法较双通道比值法反演结果精度更高,双通道比值法误差为16.1%,三通道比值法误差为14.3%;实测数据验证和改进后算法精度更高.

热红外多角度遥感和反演混合像元组分温度

在研究了混合像元热辐射方向性规律的基础上 ,以连续植被冠层为例 ,提出了利用热红外多角度遥感数据 ,直接反演混合像元组分温度的方法。与多通道数据相比 ,多角度信息间的相关性要低得多 ,它主要取决于植被冠层的叶倾角分布函数 (LAD)。因此更容易达到反演精度小于1K的目的。

基于FY3热红外数据的地表温度反演方法研究

使用中分辨率大气辐射传输模式MODTRAN模拟风云三号卫星(FY3)热红外通道数据,基于模拟数据,利用分裂窗温度反演方法,建立地表温度反演模型。利用平均比辐射率方法确定像元比辐射率,并将该反演模型用于江苏省3个时次(2012年1月23日、2月3日和2月11日)的地表温度反演。将反演结果与MODIS的温度产品进行了对比分析,分析反演模型的系统偏差,并对反演模型进行修订。验证试验结果表明:修订后模型反演的地表温度与MODIS温度产品的平均相关系数为0.877,均方根误差为1.33 K;相比于同时期的FY3温度产品,所建模型反演的地表温度与MODIS温度产品更为接近。

北京市MODIS气溶胶光学厚度和PM_(2.5)浓度的时空差异及其相关性研究

利用NASA MODIS数据反演北京市气溶胶光学厚度,探讨与北京市12个环境污染监测站点PM2.5质量浓度的时空差异及其相关性。结果显示,AOT与PM2.5均有明显的时空分布特征;二者的日均值具有相反的季节性变化特征(AOT夏季日均值高于冬季,PM2.5浓度日均值相反);日均值空间分布围绕城区向远郊区递减;二者的相关性对季节变化敏感,夏季相关性较好,冬季相关性较差。且郊区相关性明显优于城区。因此,卫星气溶胶数据可以反映PM2.5的分布,弥补地面监测站点的不足。

基于大气中性点的地-气分离方法空基验证探究(英文)

偏振遥感是遥感领域的一个新兴对地观测手段,地物反射的偏振效应是偏振遥感进行观测的基础。然而,地物反射具有偏振效应,大气粒子的反射与散射也具有偏振效应,并且大气的偏振效应往往大大强于地物偏振效应。当用偏振遥感器对地表目标进行观测时,大气的强偏振效应会干扰甚至覆盖地物的偏振信息。因此,如何最大限度地消除大气的偏振效应对地物偏振效应的影响是偏振遥感的一个关键性问题。大气中性点是大气中偏振度趋近为零的区域。利用大气中性点进行地-气分离理论的核心思想是将探测器放置于中性点区域进行对地观测,以减弱大气偏振对地物偏振的影响。基于国内首次大气中性点偏振遥感航空飞行实验,通过处理和分析实验所得影像数据,分别得到了中性点位置和非中性点位置影像偏振度分布,发现中性点位置偏振度集中分布区域要明显小于非中性点位置,验证了利用大气中性点进行地-气分离理论的合理性和可行性,提出了利用中性点进行偏振遥感实验所需要的条件,并初步分析出,波长较长的波段更适合于偏振遥感观测。

利用激光雷达观测资料研究兰州气溶胶光学厚度

利用兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2006—2011年晴空无云时激光雷达（CE-370—2）资料，结合2006年12月至2007年5月多波段太阳光度计（CE-318）资料，对比验证了激光雷达资料的反演结果，并分析了兰州地区气溶胶光学厚度的分布特征。结果表明：激光雷达反演得到的光学厚度与光度计观测得到的光学厚度，两者具有较好的相关性，相关系数为0．86。兰州地区气溶胶光学厚度3—5月和11-12月较大，主要原因是3—5月是当地沙尘频发期，11—12月是居民集中采暖期，沙尘排放和燃煤排放显著增加了大气气溶胶光学厚度。气溶胶光学厚度6～10月偏小，湿沉降清除是主要的影响因素。光学厚度季节分布为春季0．42，冬季0．36，秋季0．30，夏季0．21。光学厚度频数分布于0．0～0．3的最多，占总数的一半，且存在季节差异。兰州上空夏季干净，春季浑浊，冬季次浑浊。

青藏高原中部气溶胶光学厚度地基观测分析及MODIS气溶胶产品的检验

利用全球自动观测网（AERONET）纳木错观测点（90．962°E，30．773°N）2009年1～12月的地基观测数据，对青藏高原中部气溶胶光学厚度的分布进行了分析研究，并利用观测结果对MODIS气溶胶光学厚度（AOD）产品进行检验。结果表明，2009年1～12月期间，气溶胶光学厚度月平均值呈现双峰双谷状分布，3月的值最大。9月以后的波长指数a较小，这一时期气溶胶粒子的粒径较大。混浊系数卢的平均值为0．063，说明该地区的空气较为清洁。利用该地基观测资料对MODISAOD产品进行检验，结果表明两者的相关系数平方为0．14，没有通过95％的置信度检验，适用性不显著，需要进一步订正该地区的MODIS气溶胶光学厚度产品。

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。