大气辐射传输模型的比较研究

讨论了三种通用的大气辐射传输模型的特点和使用限制,用辐射传输定律作了数值检验,并与实验测量资料作了比较。结果表明,氧碘激光和氟化氢泛频20P4激光谱线大气透过率的计算值与实验测量值吻合,氟化氢泛频20P5却出现严重偏差。还研究了大气气溶胶种类对大气透过率计算和测量的严重影响。

中红外大气辐射传输解析模型及遥感成像模拟

为了建立完整的星载高分辨率中红外成像模拟系统,并为航天器载荷设计等相关工作提供有力参考,需要对大气辐射传输这一环节进行重点考虑,设计出切实可行,精度较高的大气辐射传输数值成像模拟方法。针对中红外大气辐射传输具有大气散射和自身发射的特性,将整个大气辐射传输过程进行了合理分解,并利用MODTRAN4对各辐射分量进行求解,以查找表方式实现了大气辐射传输成像模拟。此外,针对大气散射导致的邻近效应进行了分析,将原有PSF模型扩展至中红外波段,并与大气辐射传输解析模型相互耦合共同完成模拟成像。最后对模型进行了初步验证和成像模拟,结果表明:模型具有较好的模拟精度,通过给定观测几何和大气条件,并根据地表输入的温度和发射率等,实现逐像元的大气辐射传输计算。

一种高效计算高光谱分辨率红外大气辐射传输的方法

传统的大气辐射传输计算方法受计算资源和效率的限制已无法满足星载高光谱分辨率红外大气遥感资料处理的需要,基于单色波长辐亮度计算加权组合的方法,开发了一种快速准确的高光谱分辨率红外大气辐射传输的计算模型FFRTM_IR.利用FFRTM_IR模型,针对研制中的FY-3D红外高光谱大气探测仪(HIRAS)的光谱指标,模拟计算了仪器的观测通道亮温,并用独立样本对模拟亮温进行了验证和比较,结果显示:FFRTM_IR对HIRAS所有通道的模拟亮温偏差均小于0.06 K,标准差有效控制在0.1 K以内;在同等计算精度下,FFRTM_IR的计算速度略快于目前国际上通用的快速辐射传输计算模型CRTM.利用FFRTM_IR模型,采用解析计算方法可以进一步得到温度廓线、水汽廓线、二氧化碳、臭氧廓线以及地表参数的雅克比矩阵,计算结果与扰动法计算结果一致性较好,有较高的计算精度.计算和分析结果表明,初步建立了一种高效的红外大气辐射传输计算模型,可用于星载高光谱红外大气探测仪器的观测仿真和资料处理.

辐射特性测量大气传输修正研究:大气辐射传输模式和关键大气参数分析

工作于大气中的光电测量(或遥感)设备接收的目标辐射信号受大气衰减和大气背景辐射影响。大气传输修正是目标辐射特性测量的一个重要环节。介绍了目前国际上实用的大气辐射传输计算模式及影响大气传输的重要大气光学参数的探测方法。对影响红外波段大气传输的重要大气光学参数作了分析,论证了辐射测量大气传输修正系统必须测量的大气参数。

大气辐射传输组件的设计与实现

MODTRAN软件作为大气辐射传输计算主要的工具,主要有两种使用方式,第一种方法利用MODTRAN制作查找表,然后利用插值的方法得到输出量,虽然在速度上较快,但精度上难以保证;第二种方法直接使用MODTRAN源代码可以保证计算的精度,但很难使用在不同的编程语言中。针对以上问题,提出了一种以组件技术为基础的大气辐射传输模型的建模方法,根据大气辐射传输算法功能要求,设计了组件对外接口,实现了大气辐射传输组件,并对其进行测试。结果表示,采用该方法可以很好地解决上述问题,大气辐射传输组件不仅具有计算精度高,而且还具有可复用性和可扩展性,易与其它语言进行混合编程,被广泛应用于反演地球大气参数与开发遥感成像仿真系统。

浅析注重思维培养的大气辐射传输理论教学方法

针对遥感科学与技术专业本科大气辐射传输理论课程的特点,基于交叉学科的优势,提出有效运用多种教学方式,充分激发学生的学习兴趣。同时,以最基本的大气辐射传输方程为例,详细讨论了在高校理科专业课程的教学中如何培养学生"以简化繁"的思维模式。

基于Monte Carlo大气辐射传输模型的Ring效应模拟

Ring效应描述了由于大气的转动Raman散射导致的太阳夫琅禾费线变弱的现象,这种现象受气溶胶光学性质的影响,因此可以通过模拟Ring效应反映气溶胶状况。研究了基于Monte Carlo大气辐射传输模型(McArtim)模拟计算Ring效应的方法。采用合适的大气参数带入模型,计算总光子中发生转动Raman散射的光子数的概率来衡量Ring效应的强度,并将模拟计算的Ring强度结果和MAX-DOAS系统实测的Ring效应强度进行对比,得到了较好的一致性。结果表明,通过大气辐射传输模型模拟计算Ring效应具有快速特点,在未来的工作中将结合MAX-DOAS技术,利用Ring效应模拟反演大气气溶胶状况。

基于CO_(2)测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO_(2)观测数据,分析CO_(2)浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO_(2)浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO_(2)浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO_(2)浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.

基于SCIATRAN大气辐射传输模式的卷云大气短波红外敏感性分析

对于痕量气体二氧化碳浓度的精确测量问题,首先比较大气辐射传输的几种模型,然后选用SCIATRAN这种模型在二氧化碳的强吸收带进行晴空大气和卷云大气辐射的模拟计算,接着对计算结果进行敏感性测验,结果表明:晴空时的辐射强度比卷云时的辐射强度小;卷云条件下太阳天顶角和卫星观测角越小时,辐射强度越大;卷云条件下地表反照率越大时,辐射强度越大;卷云条件下光学厚度越小时,辐射强度越大。最后用神经网络的方法对SCIATRAN计算的结果进行训练和模拟并与实际结果进行对比分析,以期对于下一步二氧化碳浓度的反演模型和算法提供有力的理论依据和技术支撑。

基于大气辐射传输模型的地物偏振反射率反演方法

提出一种基于大气矢量辐射传输模型的地物偏振反射率反演方法.利用辐射传输模型,建立地表反射率、观测条件与传感器入瞳处辐亮度偏振态的查找表,再进行查找表反查及数值计算,完成偏振反射率反演.验证实验表明,典型地面目标物的偏振反射率反演精度可达到90%.

大气辐射传输计算中气溶胶模型评估及选取

利用AOD-AROD气溶胶分类方法,选用MODIS数据,分析研究区域气溶胶模型的年际变化规律。在规律不明显的月份,分析了气象要素和气溶胶源对模型的影响,构建了基于随机森林方法的多时相气溶胶模型评估方法,即后向轨迹与大气概率分布场分析方法,并分析了多时相气溶胶模型评估方法的准确性,讨论误差原因。使用所提方法评估了香河地区的气溶胶模型,并使用TROPOMI L1B数据对评估结果进行验证。研究结果显示,采用该模型对香河地区的气溶胶类型进行评估的准确度为71.04%,辐亮度模拟的平均误差率减少了38.25%,表明该方法能有效提高气溶胶模型选择的准确性。

大气短波辐射传输研究中的辐射函数

研究大气短波辐射传输问题时,必需考虑多次散射,在计算各次散射光的递推方程中存在一个对光学厚度的特殊积分.为此,本文定义了“辐射函数”,并研究了它的数学性质,从而使得平面平行大气中散射光的逐次计算既准确又简便.

大气对星载盐度计辐射传输特性及盐度反演的影响研究

利用MPM93模型,根据微波辐射传输方程,仿真不同天气情况下的L波段大气辐射参数及盐度计观测亮温,并用最大似然估计法反演海表盐度,研究不同天气情况对海表盐度反演值的影响。仿真结果表明:考虑了悬浮液滴影响的云、雾及霾情形的大气辐射参数与晴空时差别不大,可以忽略天气的影响。然而,降雨对大气辐射参数的影响不可忽略,并且随着降雨率的增加,盐度反演误差明显增大。在降雨率不变的情况下,盐度反演误差随着海表温度增加而减小,在盐度低值时误差较小。盐度反演误差随海表气温的升高呈现先变大后变小的趋势,受海面风速、海面气压以及海面水汽密度的影响极小。

典型多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算与分析

针对3级以上海况的高精度海洋场景红外仿真问题,提出一种“先拆后建”的研究思路:将含泡沫和破碎波的多尺度海面抽象为粗糙海面、泡沫、破碎波的组合,进而拆解出“粗糙海面”、“含泡沫粗糙海面”、“含破碎波粗糙海面”3类典型多尺度海面结构体,最后通过海面栅格化、结构体匹配、方向-光谱特性重构渲染等方法,由3类典型多尺度结构体方向-光谱特性组合重构大范围海面辐射散射特性,完成多尺度海面“气-面-体”耦合辐射/散射特性的计算。对拆解出的3类典型多尺度海面结构体分别开展多尺度耦合辐射、散射特性建模研究,构建3类多尺度海面结构体辐射散射方向-光谱特性计算模型,并对结构体辐射散射方向-光谱特性的影响因素进行分析,结果表明:随着海面风速的增大,海面典型结构体中的泡沫厚度及气泡浓度逐渐增大,使得结构体的散射能力增强,从而增大结构体的双向反射分布函数;随着探测波长的增大,海水的吸收性显著增强,导致不同风速条件下结构体双向反射分布函数之间的差异显著增大;对于不同的入射角,结构体双向反射分布函数最大值对应的天顶角随入射天顶角的变化逐渐发生变化。

利用MODIS资料模拟计算水云大气红外辐射特性

利用MODIS二级云产品和大气产品资料,采用通用大气辐射传输软件模拟计算了水云存在的情况下8.55μm、11.03μm和12.02μm波段水云大气顶亮温,并对三波段的MODIS云顶观测亮温和模拟计算的亮温进行了对比分析.结果表明:利用MODIS卫星观测云参量、大气参量和空间几何参量,结合通用大气辐射传输软件模拟计算的亮温和MODIS云顶亮温分布基本一致,亮温差较小,主要分布在-10K^10K附近.模拟计算的三个通道亮温差BTD(8.55~11.03μm)和BTD(11.03~12.02μm)的变化符合水云的情况.

基于SBDART辐射传输模型的夜间辐射雾自动检测及时间序列分析

如何确定合适的阈值来区分夜间辐射雾、晴空地表和中高云一直是雾检测研究的重点。圣巴巴拉DISORT大气辐射传输模型(Santa Barbara DISORT atmospheric radiative transfer,SBDART)可模拟雾顶亮度温度。基于该模型获取MODIS B20与B31波段的亮温差(brightness temperature difference,BTD),将其用于夜间辐射雾检测。以MODIS卫星数据为可行性试验数据,用国家卫星气象中心提供的地面验证数据进行验证,结果表明,使用该模型监测夜间雾的准确率达78.3%,误判率为21.7%,可靠性指标为0.643,Kappa系数为0.730。为进一步验证方法的稳定性,选取8景卫星序列图像进行时间序列分析,结果显示Kappa系数均值为0.744,说明应用当前阈值方法对MODIS夜间雾检测具有可适用性。该方法为夜间雾预报和夜间雾参数反演提供了有效的参考。

卷云高度对大气的红外光谱辐射影响的研究

利用通用大气辐射传输软件（CART）计算了不同高度卷云大气红外光谱辐射亮温，着重分析了卷云高度对不同红外波段红外亮温谱、卷云有效尺度以及光学厚度反演的影响。研究发现：对流层顶以下，大气窗口波段的亮温随着卷云高度的变化和大气温度廓线基本一致，790～960cm^-1波段亮温的斜率随卷云高度的增加而变大。亮温差BTD[900一1231cm^-1】对薄卷云和小的有效尺度随卷云高度的变化较明显。对于厚卷云，亮温差BTD[900～1559cm^-1】随卷云高度的变化基本上不依赖于卷云有效尺度和光学厚度。在卷云参数的光学定量遥感中需考虑卷云高度变化的影响。

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基和星载观测数据的反演模型,改善现有反演精度。选取2008年1-12月晴天探空数据,试验结果表明:改进的反演模型在所研究的高度范围内具有更好的反演精度,反演的大气水汽密度廓线较单独利用星载或地基微波辐射计更接近真实值。

基于离散坐标的谱配置法对太阳能辐射传输特性的研究

为了更好地研究在大气层中的太阳能辐射传输过程,采用基于离散坐标的配置点谱方法(spectral collocation method based on discrete ordinate,SCMDO)求解与偏振辐射相关的矢量辐射传输方程。对于矢量辐射传输方程,角度方向上采用离散坐标离散,在空间上采用谱配置法离散。采用切比雪夫多项式构建在配置点上的基本函数。为了验证SCMDO对于矢量辐射传输方程求解的准确性和有效性,选取2个代表性算例进行验证,并将该方法计算结果与其他数值方法获得的数值结果进行比较。结果表明:采用SCMDO获得的Stokes参数角度分布与文献中的结果相吻合,且SCMDO具有指数次幂的节点收敛速率。

在非均匀水云中太阳辐射的传输

本文概述云的透过、吸收和反射数值计算的方法。该方法考虑到云中水汽和水滴吸收光谱的变化以及多次散射的影响，使用到达云顶的太阳辐射对云滴光学特性作加权平均，通过蒙特卡罗方法来模拟宽光谱间隔的太阳辐射在云内的传输。该模型对云内微物理特征的空间非均匀性作了考虑，计算结果已得到实测资料的证实。