Investigating the occurrence and predictability of pitch angle scattering events at ADITYA-Upgrade tokamak with the electron cyclotron emission radiometer

This paper describes the experimental analysis and preliminary investigation of the predictability of pitch angle scattering(PAS) events through the electron cyclotron emission(ECE)radiometer signals at the ADITYA-Upgrade(ADITYA-U) tokamak. For low-density discharges at ADITYA-U, a sudden abnormal rise is observed in the ECE signature while other plasma parameters are unchanged. Investigations are done to understand this abrupt rise that is expected to occur due to PAS. The rise time is as fast as 100 μs with a single step and/or multiple step rise in ECE radiometer measurements. This event is known to limit the on-axis energy of runaway electrons. Being a repetitive event, the conditions of its repetitive occurrence can be investigated, thereby exploring the possibility of it being triggered and surveyed as an alternate runaway electron mitigation plan. Functional parameterization of such events with other discharge parameters is obtained and the possibility to trigger these events is discussed.PREDICT code is used to investigate the possible interpretations for the PAS occurrence through modeling and supporting the ECE observations. The trigger values so obtained experimentally are set as input criteria for PAS occurrence. Preliminary modeling investigations provide reliable consistency with the findings.

六盘山地形及相对湿度对微波辐射计反演气温的影响

利用2018年4月至2019年11月的六盘山隆德站微波辐射计探测资料与平凉站探空资料,研究了微波辐射计反演温度(TM)对空气相对湿度的敏感性。首次提出湿度敏感性系数(HSR)和零度漂移度(ZDD)概念,利用这两个参量在不同高度层的分布特征,研究了六盘山地形对空气相对湿度和温度的影响,主要结论如下:(1)非降水天气条件下,空气相对湿度越大,HSR与1.0的差别越大,ZDD也越大。(2)六盘山地形对大气层的湿度垂直分布影响较大。爬坡气流或抬升气流明显增加了3 km以下气层湿度水平,晴天和阴天条件下空气相对湿度分别在山顶以上0.5 km气层和1.0~2.0 km气层达到最大,TM比实际温度最大能偏低2.7℃。(3)地形对气层湿度的影响进一步影响了空气温度的垂直分布,阴天条件下的大气逆辐射加热使得3 km以下气层平均升温2.3℃,因湿度敏感性产生的温度影响平均达到0.9℃,最高能达到1.7℃。

基于便携式地物高光谱仪的文物材料分析研究进展

文物承载着灿烂文明,传承着历史文化,是全人类的宝贵遗产。由于文物不可再生的珍贵性,以及最少干预的文物保护基本原则,无损分析技术始终是文物制作工艺研究、劣化机理及保护修复研究中材料分析的最主要技术手段。因此,研发、应用新型无损分析技术是文物保护利用的重要研究方向。近年来,源于遥感领域的便携式地物高光谱仪在文物材料分析中展现出强大应用潜力,并且已在石质古建筑、绘画等文物修复中成功应用。作为一种无需采样的非侵入式光谱技术,便携式地物高光谱仪可在极短时间获取一个涵盖可见光-近红外-短波红外波段(350~2500 nm)的全波段、高分辨率反射光谱。同时,其便携程度很高,对工作环境、光源等无特殊要求,可在野外文物或遗址现场原位使用。此外,在采集光谱数据的同时还可通过遥感技术实现数据的远程传输和分析。上述技术特点使其在文物材料分析中具有独特的应用优势。以光谱技术的基本原理为基础,首先介绍了目前文物材料分析中常用便携式地物高光谱仪的设备型号及其性能指标;其次细致梳理了近十年来其在有机质/无机质文物材料定性和定量分析、文物保护材料分析,以及文物修复原位、实时监测等方面的应用现状;之后深入探讨了谱图预处理的规范和建立标准波谱库等两个影响该技术应用效果的关键问题;最后展望了该技术的发展趋势,预期在脆弱有机质文物分析、多种分析技术联合应用和定量分析研究方面前景广阔。

粗糙海面星载微波视在亮温仿真模型

针对新型星载微波辐射计论证需求,通过研究平静和粗糙海面发射率模型,结合大气辐射模型,建立了典型波段的星载微波视在亮温数学模型,设计了视在亮温仿真模型总体方案,以及平静海面发射率、风速影响发射率、风向影响发射率和辐射传输仿真计算模块方案,开发了星载微波辐射计视在亮温仿真软件,实现了不同大气、海面风、传感器参数条件下的星载微波辐射计海面视在亮温仿真计算,验证了仿真模型的可行性,为星载微波辐射计星地一体化仿真论证提供了技术支撑。

用于定标海表测温辐射计的镓黑体辐射源

设计了镓黑体对海表测温辐射计进行定标。首先,介绍了该黑体的结构与工作原理,对黑体发射率进行仿真,并开展发射率的测量实验,讨论其不确定度的来源。然后,开展了电加热和水浴加热下镓的相变复现实验,讨论电加热功率对镓相变复现的影响。最后,通过红外海面温度自主辐射计实验对该黑体进行验证。结果表明:该黑体基于蒙特卡罗软件仿真的发射率优于0.9988,实验测得的黑体辐射源发射率结果与仿真结果较为吻合,测量重复性(标准偏差)达0.1%;相变温度坪台的复现性均优于±0.03 K;相变温坪附近时,红外海面温度自主辐射计和FLUKE 1524测温仪测得的黑体腔附近温度的数据差值均在±0.15 K以内。设计的镓黑体可以应用到海表测温辐射计进行校准,为发展自主知识产权的海表测温设备提供校准源。

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。

地基微波辐射计露点温度廓线估算方案及初步应用

面向业务和台站实际,针对露点温度直接和间接计算经验公式的不确定性,结合地基微波辐射计LV2级数据特征,开展了露点温度估算方案适用性及应用讨论,旨在为预报员提供高时空分辨率的基础物理量露点温度来判识大气饱和程度,服务于强对流天气预报预警分析。研究表明:(1)相对湿度是主导露点温度直接和间接计算公式计算结果差异的敏感因子。地基微波辐射计露点温度估算方案可为相对湿度小于50%时,采用直接计算公式;相对湿度为50%~99%时,采用间接计算公式;相对湿度为100%(饱和)时,温度大于-48.75℃,采用间接计算公式,温度小于-48.75℃,采用直接计算公式。(2)地基微波辐射计估算的露点温度产品精度保持了温度产品的高相关性,较大程度上改善了系统偏差,但离散程度略有扩大。其中,相关系数由0.99变成0.98,降低了0.01;系统性偏差由-3.18℃变成-0.98℃,缩小了2.2℃;均方差由4.92℃变成5.26℃,扩大了0.34℃。(3)相较相对湿度,估算的露点差对高湿区(相对湿度大于70%以上)较为“敏感”,能很好地“勾勒”出云等水凝物内部水汽饱和状态及其特征结构,便于用户判断出饱和区、非饱和区及两者过渡区;与地基微波辐射计直接测量产品联合,可监测强对流天气发生前、中、后水凝物垂直结构特征及其演变,便于天气预报预警,其中预警提前量可达0.5~1.0 h,降水结束预报提前量接近10 min。

综合孔径微波辐射计的射频干扰源空间角度稀疏贝叶斯估计方法

该文提出一种综合孔径微波辐射计射频干扰源(RFI)空间稀疏贝叶斯估计方法。首先建立了综合孔径微波辐射计可见度函数干涉测量模型,观测数据表示为综合孔径天线基线对相关导向矢量观测矩阵与视场亮温的乘积,由于相关导向矢量观测矩阵的正交性和RFI空间角度分布的稀疏性,亮温在基线对相关导向矢量观测矩阵正交基所构成的支撑域中的变换系数是稀疏的。该文在稀疏贝叶斯学习(SBL)框架下对亮温进行稀疏重构。该方法在无需稀疏度和正则化参数等先验信息前提下也能获得较高的重构性能。计算机仿真验证了该方法的有效性。

辐射计辅助的地基GNSS-R土壤湿度反演方法研究

基于全球导航卫星系统反射信号(Global Navigation Satellite System-Reflection,GNSS-R)的土壤湿度监测弥补了传统测量方法的不足,是近年来遥感领域研究的热点。针对土壤粗糙度及植被含水量影响反演精度的问题,研究了利用辐射计数据辅助提升精度的方法。提出了一种基于非线性自回归模型的神经网络(NARX)的GNSS-R和辐射计数据融合的土壤湿度反演模型,通过信号处理的一般流程,进行现场实验,验证了该方法。结果表明,在测试集上所提出的反演方法相比于传统的GNSS-R方法,相关系数提高了77%,均方根误差下降了78%,与辐射计方法相比,相关系数提高了47%,均方根误差下降了68%,证明了该方法可以实现对固定区域土壤湿度的长期连续观测。

目标材料反射率谱测量实验

材料的可见光光谱特性,可以应用于土壤水分的估测,植物的叶绿素含量预测、蛋白质含量的预测、数字喷墨印刷图像的呈色控制、目标隐身与反隐身等多个领域。利用ATP9100地物光谱辐射计设计了目标材料反射率谱测量实验,实验内容包括:反射率谱的测试、定标、不确定度评估。实验设计了两组实验:(1)不同颜色材料的光谱反射率测试;(2)相同颜色不同反射率谱材料测试。实验(1)主要培养学生光谱反射率测试基本操作、不确定度分析以及不同颜色的光谱反射率分析能力;实验(2)主要是验证不同材料的“同色异谱”现象,从中引出可见光隐身与反隐身的发展,将最新的科研成果融入教学中。

Comparison between Infrared and Microwave Radiometers for Retrieving Sea Surface Temperature

The basic principles of sea surface temperature （SST） remote sensing using infrared and microwave radiometers are introduced, and the differences between two sensors for retrieving sea surface temperature are investigated. The ground resolution, atmospheric effect, sea surface wind, skin depth and so on have important influence on precision of sea surface temperature retrieved by two sensors. The better understanding of the advantage and disadvantage of sea surface temperature detected by infrared and microwave radiometers would help us to imply SST remote sensing data more effectively and correctly.

基于微波辐射计资料研究常州地区大气廓线

为了研究常州地区大气廓线,文章利用常州国家基本站地基微波辐射计近1年观测资料,在不同季节、不同天气情况下对观测资料进行数据处理,得出液态水廓线、相对湿度廓线、水汽密度廓线和温度廓线并进行了简要分析。结果表明:常州地区低层大气白天干热、夜间湿冷;水汽密度与相对湿度有较强的相关性;春季与冬季液态水含量空间垂直廓线有明显的双峰,夏秋季表现为单峰,云天在3 km处有峰值,雨天在1 km和3 km处有峰值。研究结果为常州地区降水及灾害预报提供指示意义。

微波辐射计联合云雷达的相对湿度校正方法

基于中国气象局大气探测试验基地地基遥感垂直廓线系统中云雷达与微波辐射计同址观测的优势,使用2021年8月—2022年7月毫米波云雷达、探空数据,分析云雷达反射率因子与相对湿度特征关系,提出联合云雷达的微波辐射计相对湿度分段校正方法,实现云区微波辐射计相对湿度实时校正,并利用2023年1—8月探空和2023年7—8月ERA5(ECMWF reanalysis version 5)逐小时再分析数据进行误差分析。结果表明:入云区的相对湿度与反射率因子间呈正相关关系,云区中段相对湿度近似饱和状态,出云区与入云区相对湿度随高度变化近似对称;层状云条件下校正后微波辐射计与探空和ERA5相对湿度的均方根误差比校正前分别减小7.99%和8.91%,偏差中位数绝对值分别减小12.62%和13.05%,且连续观测时次经校正后误差均减小,校正效果较好;对流云条件下校正效果也较好,但部分个例存在过度校正。因此,联合云雷达的相对湿度分段校正方法能够实现微波辐射计相对湿度廓线的连续实时校正,可提高有云条件下微波辐射计的观测质量。

TP-PROFILE: Monitoring the Thermodynamic Structure of the Troposphere over the Third Pole

Ground-based microwave radiometers(MWRs)operating in the K-and V-bands(20–60 GHz)can help us obtain temperature and humidity profiles in the troposphere.Aside from some soundings from local meteorological observatories,the tropospheric atmosphere over the Tibetan Plateau(TP)has never been continuously observed.As part of the Chinese Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research Program(STEP),the Tibetan Plateau Atmospheric Profile(TPPROFILE)project aims to construct a comprehensive MWR troposphere observation network to study the synoptic processes and environmental changes on the TP.This initiative has collected three years of data from the MWR network.This paper introduces the data information,the data quality,and data downloading.Some applications of the data obtained from these MWRs were also demonstrated.Our comparisons of MWR against the nearest radiosonde observation demonstrate that the TP-PROFILE MWR system is adequate for monitoring the thermal and moisture variability of the troposphere over the TP.The continuous temperature and moisture profiles derived from the MWR data provide a unique perspective on the evolution of the thermodynamic structure associated with the heating of the TP.The TP-PROFILE project reveals that the low-temporal resolution instruments are prone to large uncertainties in their vapor estimation in the mountain valleys on the TP.

Improving Satellite-Retrieved Cloud Base Height with Ground-Based Cloud Radar Measurements

Cloud base height(CBH) is a crucial parameter for cloud radiative effect estimates, climate change simulations, and aviation guidance. However, due to the limited information on cloud vertical structures included in passive satellite radiometer observations, few operational satellite CBH products are currently available. This study presents a new method for retrieving CBH from satellite radiometers. The method first uses the combined measurements of satellite radiometers and ground-based cloud radars to develop a lookup table(LUT) of effective cloud water content(ECWC), representing the vertically varying cloud water content. This LUT allows for the conversion of cloud water path to cloud geometric thickness(CGT), enabling the estimation of CBH as the difference between cloud top height and CGT. Detailed comparative analysis of CBH estimates from the state-of-the-art ECWC LUT are conducted against four ground-based millimeter-wave cloud radar(MMCR) measurements, and results show that the mean bias(correlation coefficient) is0.18±1.79 km(0.73), which is lower(higher) than 0.23±2.11 km(0.67) as derived from the combined measurements of satellite radiometers and satellite radar-lidar(i.e., Cloud Sat and CALIPSO). Furthermore, the percentages of the CBH biases within 250 m increase by 5% to 10%, which varies by location. This indicates that the CBH estimates from our algorithm are more consistent with ground-based MMCR measurements. Therefore, this algorithm shows great potential for further improvement of the CBH retrievals as ground-based MMCR are being increasingly included in global surface meteorological observing networks, and the improved CBH retrievals will contribute to better cloud radiative effect estimates.

基于红外激光积分球的硅探测器响应非线性研究

0.9μm是我国高温标准光电和辐射法热力学温度测量的主要工作波段之一,因此对该波段下滤光片辐射计的非线性的研究十分重要。基于单相干光源双光路的光通量倍增法设计并搭建了硅探测器光谱响应非线性测量系统,利用双紫外熔融石英分光镜实现光通量的调控,通过积分球使探测器视场被完全充满,提高入射光在探测器光敏面作用区域的重复性,采用高吸收光阱避免光通量调控过程中的多次反射。实验通过切换中性密度滤波片来实现对光电流范围扩展,表征了0.9μm滤光片辐射计在1.6×10-8~8×10-6 A光电流范围内的非线性,单次测量的非线性值为-8.7×10-5~4.8×10-5,单次测量结果标准不确定度优于3.7×10-4,累积测量的非线性值为-2.7×10-4,标准不确定度优于7.6×10-4。

航空偏振辐射计偏振精度验证及带外响应分析

为满足航空平台图像大气校正的应用需求,在可见近红外至短波红外波段,同时获取大气多谱段偏振辐射信息,研制了一种用于航空轻量化的偏振探测仪器,航空偏振辐射计。首先,对仪器进行系统描述与光学组件简介,并给出仪器的主要技术参数,其次为保证仪器数据的可用性与参数反演精度,仪器装调之后,在实验室进行绝对辐射定标及偏振测量精度验证。研究结果表明:航空偏振辐射计的绝对辐射定标不确定度优于2.51%,各偏振波段对0.2线偏振度目标的偏振测量精度优于0.16%。同时对490 nm波段偏振精度不理想的情况进行分析,并使用单色仪系统验证其受带外响应影响,通过对比实验验证,针对490 nm波段的偏振通道,去除带外响应影响后,其偏振精度从2.29%提升至0.06%。

多源地基遥感资料在郑州强飑线天气预警中的应用

基于风廓线雷达、毫米波云雷达、微波辐射计、雨滴谱等地基遥感探测资料和常规探测资料,研究多源探测资料在郑州强飑线天气预警中的应用.结果表明:①风廓线雷达资料精细地呈现了飑线过程中冷暖平流及垂直风切变的演变,特别是监测到飑线形成前1 h对流层中低层西南急流形成并增厚,深层垂直风切变增强,利于飑线的形成和组织化.②毫米波云雷达产品显示,随着飑线系统移近,云系增多增厚并向下、向上扩展,云中的含水量增大,强反射率因子接地指示降水产生.③微波辐射计反演的温度、湿度及大气不稳定指数在对流发生前后变化特征显著,在飑线临近预警中有一定的参考价值.④雨滴谱数据显示直径2 mm以下的雨滴是此次飑线降水的主要贡献者.

基于激光振镜的高稳定辐照度定标光源

获取高均匀性、高稳定性的光源是太阳绝对辐射计辐射照度定标的关键技术,实验室现有光源无法同时满足均匀性与稳定性。因此,该文提出通过振镜扫描的方式来获取高均匀、高稳定的面光源方案。首先,建立二维激光扫描模型,设计以快速扫描振镜和离轴抛面镜为核心的光学系统;其次,根据振镜扫描系统建立驱动,开发控制软件,设计三种扫描路径;最后,选取合适的扫描路径进行实验验证,并开展其均匀性、稳定性等方面的测试。实验结果表明:振镜扫描光斑的不均匀性优于±1%,发散角小于±0.26°,光源稳定性优于0.02%。验证了激光振镜扫描光源可作为绝对辐射计辐照度定标光源的可行性,为实现高精度太阳辐照度定标提供关键技术支撑及实验依据。

融合多源观测资料的微波辐射计温度廓线订正试验

为增加大气探空站点,提高微波辐射计大气温度探测精度,利用FY-4A气象卫星温度产品和BP神经网络、遗传算法,分别实施杭州站、南京站微波辐射计的温度订正仿真试验,并获得准确的连续性大气温度垂直廓线;结合探空资料和民航AMDAR气温资料,评估模型订正效果。研究结果表明:(1)微波辐射计温度产品存在一定误差,两站均在高度2 km处平均偏差最大,同站有雨时的偏差均大于无雨时的偏差;(2)经过BP神经网络模拟订正后的微波辐射计测温精度较原温度产品提升幅度较大;杭州站MAE、MSE、RMSE的降低幅度分别为45%~55%、65%~78%、41%~53%,南京站的降低幅度分别为58%~66%、83%~88%、55%~59%;(3)经过遗传算法优化初始权值和阈值后的神经网络订正模型模拟效果有进一步的提升,其中有雨模型提升效果明显,RMSE降低幅度11%~15%。微波辐射计的上述订正方法,可以推广到各地微波辐射计站点应用,具有实际使用价值。