libRadtran的云辐射传输模式及其与SBDART的比较

介绍了libRadtran辐射传输模式中对水云和冰云辐射特征(单次散射反照率、体消光系数和不对称因子)的参数化方案,利用该模式对水云和冰云在0.65μm、1.64μm和2.13μm的反射率进行了模拟计算,并将计算结果与SBDART的模拟结果进行了比较。结果表明,在相同条件下,水云的libRadtran的参数化计算结果要比SBDART米散射的计算结果要小,二者在可见光区域符合的较好,在近红外区域相差较大;不同形状冰晶的参数化模拟计算结果要比SBDART球形米散射的计算结果更为详细和准确,libRadtran在考虑冰晶形状时的辐射传输计算要比SBDART有优势。在云微物理参数反演需要预先计算的冰云辐射查找表可以用libRadtran代替目前广泛使用的SBDART辐射传输模式。

The Effect of the Atmospheric and Cloud Properties on the Retrieval of Fog Microphysics at Night for MSG/SEVIRI: A Sensitivity Test Using LibRadtran

The simplest way of building a look-up table (LUT) for the retrieval of cloud microphysical properties is to use a standard atmospheric profile and vertically uniform cloud microphysics. Such an assumption has been demonstrated to be incoherent with in-cloud observations. This paper aims to show the effect of some atmospheric conditions associated with fog as well as its macro-and microstructure on brightness temperature (BT) for the MSG/ SEVIRI satellite using libRadtran. The sensitivity tests were performed by gradually changing some features from the initial data, such as cloud cover, total water vapor column, thermal inversion intensity, fog depth, fog microstructure, and others. The results revealed that some variables can cause significant variations on BT and, consequently, discrepancies in the retrieval of fog microphysical properties. Also, a variation as high as 0.5°C was found on BT just by switching uniform to the non-uniform profile of fog microphysics depending on the channel, the droplet size, and optical thickness.

冰云对天空偏振模式的影响

不同冰云条件对以偏振模式为导航信息源的偏振导航影响较大,为探究冰云大气相关参数(冰晶粒子形状、有效半径、冰水含量以及光学厚度等)对天空偏振模式的影响,建立了基于蒙特卡罗法的矢量传输模型,利用libRadtran模拟了实际冰云大气辐射传输过程,分析了不同冰云大气相关参数对天空偏振模式的影响,并通过图像式测试系统,实地测试了大连地区10组实际大气条件下天空偏振模式随冰云大气相关参数的变化情况。结果表明:冰晶粒子形状对冰云大气偏振度影响较大,对冰云大气偏振方位角影响较小。并且冰云大气偏振度随有效半径的增大而增大,随光学厚度和冰水含量的增大而减小,后逐渐趋于稳定的状态。在不同日期同一时刻下,大连地区实际冰云大气偏振度变化规律与仿真基本一致,验证了本文方法的有效性,为偏振导航的在实际冰云大气条件下的工程应用提供了理论支撑。

晴空与有云大气辐射分布的数值模拟及其对全天空图像云识别的应用

全天空图像自动云识别的研究相对来说是一项较新的研究领域。当前国际上较为通用的全天空图像云识别方法主要依靠图像蓝红灰度值对比的阈值方法进行判断。然而非洁净大气中气溶胶的增多给云识别增加了难度,同时太阳高度角不同天空色度分布情况也不同。文中利用Libradtran辐射传输模式,计算了不同能见度不同太阳高度角情况下3个典型波长(450,550,650nm;蓝/绿/红)无云及有云大气的天空辐亮度分布情况,并进行了比较分析。结果表明,相同太阳高度角情况下,无云及有云大气中蓝红比值随能见度的下降呈单调下降趋势。在特定的云光学厚度和能见度情况下,天空色度彼此呈现出类似的分布状况。全天空图像阈值判断云识别自适应算法的建立需要与太阳高度角、地面能见度联系起来。当前尚无法建立一个判断阈值随太阳高度角以及能见度变化的函数关系式。较为可行的办法是建立典型能见度、典型太阳高度角情况下的辐射信息库,在具体云识别时,首先确定太阳高度角,而后根据天空辐射比情况确定天空能见度,并利用辐射信息标准库做云或非云判别。该工作为全天空云识别算法提供判别依据,同时建立云识别随能见度和太阳高度角变化的判别信息库。

沙尘气溶胶对热红外分裂窗通道亮温和地表反演温度的影响研究

沙尘气溶胶通过改变地-气系统的热红外辐射传输可引起地表温度遥感探测结果发生变化.较系统地研究了冬季和夏季沙尘气溶胶光学厚度(AOD)变化对热红外分裂窗通道亮温(BT)和地表反演温度(LST)的影响,以及反演结果受大气水汽和地表因素的作用.红外辐射传输模拟计算表明:1)沙尘气溶胶影响下,热红外分裂窗通道亮温差小于零;2)随AOD增大,BT和LST都减小,其中LST减小的速度大于BT;3)不同水汽含量下LST变化不明显;4)当AOD较大时,LST主要反映沙尘层的温度信息.模拟结果与中国北方典型沙尘实例分析结果有较好的一致性.

全天空云识别阈值法的数值模拟初步研究

利用Libradtran辐射传输模式,分别计算不同能见度和不同云型分布条件下蓝红 (450 nm,650 nm)波段辐亮度比值的全天空分布,分析得出云识别辐射比的最优阈值蓝红比为 1．30．分析了选取该阈值时不同能见度下云的有效识别范围．结果表明近地平天空云识别误差较大．能见度小于2 km时,阈值法进行云识别不可行．

冰晶性质对卷云辐射特征影响的模拟研究

介绍了SBDART辐射模式和libRadtran程序包,并利用这两个模式模拟分析了当卷云内冰晶性质如有效半径、冰晶含量以及形状变化时,卷云反照率的变化。模拟分析表明,在相同条件下,不同形状冰晶构成的卷云反照率有所不同,同种冰晶构成的卷云在不同波长的反照率也不同。总的来说,不论是由何种形状冰晶构成的卷云,随着卷云内冰晶含量增大,有效半径减小,卷云反照率增大。这些工作将有助于增进对libRadtran程序包和卷云性质的了解。

地表反照率对天空偏振模式的影响

研究了地表反照率对天空偏振模式的影响。针对目前缺乏实际环境下不同时间、不同地点单一影响因素的定量测试研究,先运用libRadtran二次开发软件,仿真分析不同地表反照率下的天空偏振模式,然后利用图像式测试系统,分别在草地和沥青地表、海洋和沥青地表进行同步异地测试,定量分析地表反照率对偏振方位角和偏振度的影响。结果表明:地表反照率对偏振方位角分布基本没有影响,分布始终稳定;而地表反照率对偏振度数值有较大的衰减作用,在同一天内同一时刻下,地表反照率越大,最大偏振度值越小;地表反照率相差越大,最大偏振度值的平均减小量越多,最大偏振度值减小的幅度越大。

TG-2多角度偏振成像仪云相态识别机载验证试验

天基多角度光学偏振测量技术可以用于探测云和气溶胶信息,而且对温度等先验信息的依赖性很弱。为了验证我国自主研制的TG-2多角度偏振成像仪的云相态探测功能,利用机载多角度偏振成像仪首次观测试验数据,结合典型条件下数值模拟结果,开展了液态水云偏振特征观测与数值模拟的对比分析。基于libRadtran模式的模拟表明,水云在140°散射角附近存在偏振辐射极大值(主虹)。基于探空和微波辐射计的探测结果分析表明,在试验区域3.7km高度以下存在液态水云。同时,机载多角度偏振成像仪也准确地获取了液态云滴在140°散射角附近呈现出的偏振辐射的极大值(主虹)特征。此外,相近时次的MODIS观测数据也表明,该区域存在大范围的液态水云。以上结果验证了我国自主研制的多角度偏振成像仪具有不依赖于温度等先验信息而识别云相态的功能,为后续进一步开展云相态的天基偏振观测奠定了基础。