用“嫦娥一号”卫星微波探测仪亮温反演月壤厚度和^3He资源量评估的方法及初步结果分析

CELMS是世界上首次从月球轨道对月表进行探测的被动微波遥感器,其探测的亮温是表面物理化学特性的直接反映,包含了表面温度、介电常数、月壤厚度以及表面地形等的综合信息.通过对微波辐射亮温特性的研究,能够建立这些物理化学特征参数与亮温的关系,从而达到对壳温的直接反演.结果表明,月壤厚度的分布范围多数在4～6m,5m以上的厚度区域占全月的43%以上.其次,利用CELMS所获得的亮温反演得出全月月壤表面介电常数和月壤厚度,根据表面介电常数的损耗角正切与3He丰度之间的线性关系,计算了全月3He丰度分布.利用微波辐射计探测的月壤厚度数据对全月3He资源量进行了估算,估算出全月3He资源量约为103万吨.     

“嫦娥一号”微波探测仪探测月壤厚度机理和地面验证实验

“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）是国际上首次在月球轨道直接测量月球亮温的被动微波遥感器,其科学目标是反演月壤厚度的信息并对月球的3He资源量和分布进行评估.介绍了月壤厚度探测机理,建立了亮度温度随月壤厚度变化的理论模型,利用地面验证实验对探测机理和辐射传输模型进行了初步验证.     

基于Diviner红外亮温数据的月球赤道地区温度廓线模拟

以Diviner红外亮温数据为基础,结合半有限固体的热传导模型,模拟了月壤温度廓线并分析了影响月壤温度廓线的三种因素,为"嫦娥"卫星微波探测仪数据稳定性分析提供可靠依据.利用Diviner通道7红外亮温反演月表温度,代替月表辐射热平衡模型求解月表温度的过程,减少了由于辐射热平衡模型中月表太阳辐照度理想假设引起的误差.通过月壤逐层迭代10000次月球昼夜周期,月球赤道地区6.0 m深月壤底面温度趋于246 K,与以表面辐射热平衡为条件的底面温度模拟值250 K近似.基于Diviner实测数据的月表温度与辐射热平衡模型模拟月表温度对比结果为:赤道地区Diviner实测表面温度比模拟值差异主要分布在月球白天,在受月表地形起伏影响较大的月球昼夜交替的时间段更为显著,约50 K;在月球夜晚,两者差异约2 K.利用Diviner数据与热传导模型模拟得到的月壤温度廓线可当作月壤温度廓线的真实值,作为进一步分析"嫦娥一号/二号"微波探测仪数据的依据.     

基于月球实时加权平均辐射亮度温度的星载毫米波湿度仪的定标

太空环境的变化会给在轨运行的星载有效载荷定标造成一定的不确定性,因此需要一个长期稳定可靠的定标辐射源. 2005年,美国NOAA-18卫星搭载了多类微波辐射有效载荷,其中包括工作在毫米波频段的微波湿度仪(MHS).卫星在轨运行中,对冷空观测时MHS的深空视野(deep space view, DSV)有时会观测到月球.由于没有大气与多变的环境影响,稳定的月表面微波辐射是一个可利用的定标辐射源.文章用实时的太阳辐射强度和日下点位置,基于月球勘测轨道飞行器LRO Diviner红外辐射亮温数据反演的热物性参数,由一维热传导方程计算月球正面的月壤温度廓线;结合"嫦娥二号"微波辐射亮温数据反演得到的月壤层正切损耗,用辐射传输积分方程仿真计算了2011年内89、157、183GHz频段月球正面的加权平均辐射亮温.将月球视为一个圆盘目标,而非一个点目标,用仿真的月球正面辐射亮温来修正拟合深空视野中实际的辐射强度半峰全宽(full width at half maximum,FWHM).仿真分析了卫星与月球的距离、月相、辐射计的FWHM对数据拟合的影响,将修正后的辐射亮温数据与仿真结果进行比较.文章提出了月球正面实时的加权平均辐射亮温模型,为在轨气象卫星微波辐射计的在轨定标技术提供了一个新设计方案.     

“嫦娥一号”卫星微波探测仪数据处理模型和月表微波亮温反演方法

"嫦娥一号"卫星(CE-1)微波探测仪(CELMS)是人类第一次在月球轨道上对月球表面进行探测的被动微波遥感器.在发射前,CELMS在实验室进行了大量的关于系统响应参数和定标的试验,但是由于月球轨道条件复杂,特别是一轨之内温度变化很大,使得辐射计的各个部件的温度变化剧烈;冷空定标天线安装位置、月球轨道冷空背景的复杂性,使数据处理变得非常严峻.尤其是在轨两点定标数据的处理,涉及冷空的有效性判别以及通道传输参数随着温度的变化,都需要先验的知识和预先的测量数据作为支撑.而关于月表成分、温度和微波辐射规律存在大量的未知因素,所以给数据处理和分析带来很大的困难.通过对于CELMS地面和在轨数据的分析,结合月表已知的特征参数,详细讨论CELMS在轨定标及亮温处理的实现过程.重点论述了定标的微波辐射传输原理及其参数的试验测试方法,微波亮温的反演算法等内容,并通过与模拟的Apollo点数据的比较确定在轨天线的订正系数.最后对全月的亮温分布及其特点进行了分析,初步结果表明:月表微波亮温包含了丰富的有关月壤特性的信息,尤其是昼夜亮温差异能够较为直接地反映了月壤厚度和表面介电常数的信息.     

月球南极的微波辐射分布与异常

对南极的探测是几乎所有月球卫星探测任务的重点目标之一.其目标意在利用该地的光照资源和可能存在的冰为今后建立月球基地提供条件.利用多层微波辐射传输方程模拟并分析了多种影响因子对月壤微波亮温的影响.使用“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）所获得的观测数据研究了月球南极的微波辐射分布规律.在分析其普遍规律的基础上,研究了具有异常微波辐射特征的地区.月球极地微波亮温呈现规则环状分布,从赤道向两极递减.分析认为,在赤道月壤内温度梯度较大,越向两极月壤内的平均温度梯度越小.随着频率降低,白天夜晚的亮温差也逐渐降低.据此制作了两极月球亮温分布图.研究发现,微波亮温的变化在南纬85°以后逐渐与高程变化同步.这一现象与太阳照射月球的角度有关,并指示了南极月壤温度的冷热分布.所提取出的异常冷点分布是永久阴影区的搜索方向,异常热点则标志着该地有丰富的热量资源.     

月表温度剖面对于“嫦娥一号”卫星微波探测仪探测亮温影响的模拟研究

月球表层的温度剖面是月球表面微波遥感的一个重要参数.利用从Apollo,Luna等登月试验带回的样品得到的有关月表物质物理特性的知识,通过求解热传导方程,分析了月面表层温度的时间和空间的变化规律,模拟产生了全月的600cm温度分布结果.结果表明：月球表层温度剖面的变化绝大部分集中在表层20cm的范围,除了在两极地区,温度的昼夜变化波及到约1m深度,大于这个深度温度基本上稳定不变.温度的波动很大程度上导致了“嫦娥一号”微波探测仪（CELMS）的不同通道亮温的变化.本文的研究结果证明了温度剖面对于CELMS亮温的影响,从另外一个角度证明了CELMS测量数据的正确性,为遥感数据的解译和科学目标的反演提供了依据.     

基于FY-3B/MWRI数据的青藏高原地区积雪深度反演

以青藏高原地区(25°N—40°N,70°E—105°E)为研究区域,基于积雪深度与微波辐射计18.7 GHz水平极化通道和36.5 GHz水平极化通道的亮温差(Tb_(18H)-Tb_(36H))具有良好的线性相关性,得出了适用于FY-3B/MWRI(Microwave Radiation Imager)亮温数据反演青藏高原地区雪深的新算法.利用FY-3B/MWRI一级亮温数据,通过新的半经验算法反演了青藏高原地区的积雪深度,进而运用AMSR2(the Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)的二级雪深产品验证了反演结果.结果表明:针对青藏高原地区,新算法相对于全球积雪深度算法具有更小的平均相对误差以及更小的均方根误差,在该研究区域具有更好的适用性.今后可以结合该地区的地表类型分类,对积雪深度反演算法进行更加细致化的拟合,以期提高反演精度,为青藏高原地球物理参数的遥感反演提供支持.     

月壤^3He资源估算及相关参量分析

3He元素作为核燃料对于解决人类的能源危机同时保护自然环境有着非常重要的意义.月壤蕴藏着丰富和易于提取的3He资源.本文系统阐述了不同学者在月壤^3He含量影响因素上的不同观点,对几个代表性学者月壤^3He储量的估算和采用的方法进行了分析对比,对涉及月壤3He含量变化和储量估算的有关问题进行了详细探讨并得出结论：^3He含量在月壤至少几米的深度内可视作是均匀分布的,不随深度的变化而变化;月壤内通过价键与矿物结合的3He基本上一直处于饱和状态,月表温度的变化和太阳风通量对其含量影响很小.在此基础上,利用“嫦娥一号”微波探测仪辐射量温反演的月壤厚度对月壤的3He储量进行了新的估算.     

基于FY-3C微波成像仪的沙漠地表发射率反演

地表发射率是地表的固有属性,也是反演地表信息和大气温湿度廓线的重要参数.为了获取准确且具有具体物理含义的沙漠地区微波地表发射率,首先选取塔克拉玛干沙漠部分地区为反演区域,根据二元函数泰勒定理,推导了该地区的微波地表发射率与地表温度、地表湿度的线性、非线性函数关系.其次,利用最优控制原理,结合FY-3C微波成像仪的观测亮温资料与辐射传输模式(CRTM)模拟亮温数据,构建了沙漠地区微波地表发射率的线性与非线性反演模型.通过对比发现,利用线性和非线性反演模型得到的地表发射率不仅提高了反演区域亮温的模拟精度,而且模拟亮温的变化趋势也与观测更吻合.最后,对地表发射率的线性和非线性反演模型进行了不同时间与空间上的独立性检验,结果表明:除了反演区域外,在整个塔克拉玛干沙漠地区,两种模型反演的地表发射率仍比原地表发射率模拟亮温更接近观测.总的来说,线性和非线性反演模型对沙漠地区的微波地表发射率反演均具有一定的有效性和普适性,且非线性反演模型优于线性反演模型.     

利用全极化微波辐射计资料反演台风境内海面风场

作为一种新兴的被动遥感技术,全极化微波辐射计不仅可以提供海面风速产品,还可以提供海面风向产品.以往利用全极化微波辐射计观测亮温进行海面风场反演仅在晴空条件下进行,本文通过对观测亮温结合台风区域海面风场的分布特征进行分析,验证了全极化微波辐射计具有在台风等恶劣天气条件下进行海面风场观测的能力.基于敏感性分析实验,确定使用6.8 GHz和10.7 GHz等低频通道组合可进行台风区域内海面风场反演.其中,海面风速反演使用基于统计的多元线性回归算法,同时对海面温度、大气水汽含量、云中液态水含量及降水强度等物理量进行反演计算,为海面风向反演做准备.海面风向反演使用物理统计法进行,借鉴散射计风向反演使用的最大似然估计法.通过在全极化辐射传输前向模型中加入降水对大气透过率的影响、设计第三和第四Stokes通道亮温环境影响修正函数,在实现台风区域内海面风向反演的同时减小了反演误差.通过对“云娜”台风境内海面风场进行数值计算,验证了本文反演算法的可行性,并对反演误差的空间分布特征进行了分析.将2004年各台风过程的海面风场反演结果与散射计风场产品进行对比,海面风速和海面风向反演的均方根误差分别为1.64 m·s^-1和18.02°.     

基于AMSR2数据的青藏高原地表温度反演

将青藏高原大致分为北部、西部和东部三个部分,利用2017年7月的AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2,即先进的微波扫描辐射计2)的一级亮温数据,结合NCEP(the National Centers for Environmental Prediction,即美国国家环境预报中心)FNL(Final)全球地表温度产品以及FY-3B(风云三号B星)上的MWRI(Microwave Radiation Imager,即微波成像仪)数据中的地表覆盖类型数据,通过AMSR2单通道亮温数据和NCEP/FNL表面温度产品得到了研究区域地表温度反演的经验算法,进而得到多通道反演算法.并且,对比了两种反演结果,并比较了对地表覆盖进行分类前后的多通道反演结果.结果表明:多通道反演结果和NCEP/FNL产品的相关系数远大于单通道反演结果,多通道反演结果的均方根误差比单通道反演结果小1～2 K;对地表覆盖进行分类后的多通道反演精度比不分类时的反演精度略高;降轨的反演结果普遍比升轨的反演效果好.     

基于FY-3B/MWRI数据的青藏高原地区地表发射率反演

以青藏高原地区为研究区域,利用FY-3B/MWRI(Microwave Radiation Imager)一级亮温数据和NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) FNL(Final)全球业务分析资料,通过简化的微波辐射传输方程反演了晴空大气条件下的地表微波发射率.进而根据IGBP(International Geosphere-Biosphere Program)陆表覆盖分类数据,进一步分析了青藏高原地区微波地表发射率的频谱和空间分布特征,并分析了反演误差的来源.结果表明:青藏高原地区微波地表发射率的空间分布、频谱特征都与地表覆盖类型分布特征高度吻合,呈现出西北部地表发射率极化差异大,东南部极化异差小的分布特征.本研究中地表发射率的反演误差主要来自降水像元判别方案、再分析资料的时空匹配.还需要进一步研究定量误差,以期提高反演精度,进而建立长时间序列的地表发射率数据库,为青藏高原地球物理参数的遥感反演提供数据支持.     

基于简化参数方法的蒙古干旱区土壤湿度被动微波遥感

卫星被动微波遥感土壤湿度,是准确分析大空间尺度上陆表水分变化信息的有效手段.美国航天局(NASA)发布的基于AMSR-E观测亮温资料的全球土壤湿度反演产品,在蒙古干旱区的实际精度并不令人满意.本文基于对地表微波辐射传输中地表粗糙度和植被层影响的简化处理方法,采用AMSR-E的6.9 GHz,10.7 GHz和18.7 GHz之V极化亮温资料,应用多频率反演算法,并以国际能量和水循环协同观测计划(The Coordinated Energy and Water Cycle Observations Project)即CEOP实验在蒙古国东部荒漠地区的地面实验资料作为先验知识,获取被动微波遥感模型的优化参数,以期获得蒙古干旱区精度更高的土壤湿度遥感估算结果.分析表明,本文方法反演的白天和夜间土壤湿度结果与地面验证值之间的均方根误差(RMSE)接近0.030 cm³/cm³, 证明所用方法在不需要其他辅助资料或参数帮助下,可较精确地反演干旱区表层土壤湿度信息,能够全天候、动态监测大空间尺度的土壤湿度变化,可为干旱区气候变化研究及陆面过程模拟和数据同化研究提供高精度的表层土壤湿度初始场资料.     

利用AMSU-A亮温估测西北太平洋区域热带气旋强度

先进的微波垂直探测器AMSU（Advanced Microwave Sounding Unit）能接收到穿透一定厚度云层的微波辐射信息,适合于分析热带气旋暖核特征.由辐射传输方程和静力学方程可知,气旋暖核强度同中心海平面气压距平相关联. 本文利用搭载于极轨气象卫星NOAA-16/17/18上的AMSU A亮温资料,根据2002～2006年之间发生在西北太平洋区域热带气旋的移动路径,匹配出47个热带气旋的183时次个例,并将各时次的暖核最大亮温距平同气象业务部门发布的热带气旋强度报告值建立统计回归方程. 为进一步提高估测精度,在计算亮温距平过程中,提出用于修正扫描点分辨率不均匀所带来取样偏差的方法,并综合利用AMSU-A的7、8双通道信息来进行估测,利用修正后算法得到暖核亮温距平同气旋强度之间的相关系数为0.80,标准偏差为12.2 hPa,对近年来影响我国较大的两个台风（0414“云娜”和0608“桑美”）进行个例估测,平均偏差约6 hPa.     

植被复介电常数的测量与模型构建

目标的复介电常数是影响微波辐射和散射特性的重要因素.在植被定量化的应用研究中,建立植被具体物理参数与复介电常数之间关系的植被介电特性研究是微波遥感技术发展的基础工作.本研究选择我国黑河生态水文遥感试验的重点研究区域张掖市进行了6大类植被样本的采集,并结合矢量网络分析仪E8362B,利用同轴线探针法在0.2～20 GHz范围内对样本进行了复介电常数的测量,其中重点针对玉米叶,建立了微波传感器常用频点下其重量含水量与其复介电常数实部和虚部之间的经验模型.最后利用河北省怀来县采集的实测数据对建立的经验模型和经典的Debye-Cole模型进行了验证和对比.结果表明,该经验模型在精度上优于传统的Debye-Cole模型,并且具有良好的实用性.     

月球表层及月壳物质密度分布特征

月球表层与月壳岩石密度的横向与径向的变化,反映了月表及内部成分以及月球演化等特征.本文利用月球勘探者号伽马射线谱仪探测的月表Fe, Th与Mg元素分布数据,依据前人给出的元素含量与岩石类型的关系,对月球表层进行了岩性填图,并结合岩石样品与陨石的密度测试数据建立初始密度模型,采用铁元素与岩石密度的关系对其进行修正,从而建立了月表物质密度分布模型.基于嫦娥一号激光测高数据和日本SELENE计划发布的月球重力模型,计算出月球布格重力异常,进而反演得到月壳0~40 km深度范围内岩石平均密度分布模型.分析表明,大部分区域上,月壳至少月壳上部岩石成分主要以轻质的富含铝、钙、镁质的硅酸盐类岩石为主.由此推测,原始月壳极有可能是由轻质的、富含钙、镁质硅酸盐类岩石构成的全球性月壳.现今的玄武岩与克里普岩只是覆盖于原始的月壳之上的岩层,且厚度不大.     

华北典型污染地区多轴差分吸收光谱技术的气溶胶反演研究

基于华北典型污染地区的地基多轴差分吸收光谱仪（MAX-DOAS）近4年的观测数据,利用最优估计算法和LIDORT辐射传输模式反演了该区域气溶胶的消光系数垂直廓线和光学厚度（AOD）.MAX-DOAS观测反演的AOD与全球气溶胶观测网络同波段在华北地区的AOD间具有很好的一致性,相关系数都在0.9以上,证明MAX-DOAS具备对华北污染区域气溶胶光学厚度和消光系数垂直廓线的反演能力.AOD的反演误差表现为冬季最大,春夏最小,早晚大于正午,这是因为冬季以及早晚太阳天顶角较大导致信噪比偏小,所以AOD反演误差偏大.反演廓线表明该区域气溶胶主要集中在1 km以下的边界层,浓度随高度呈指数递减,部分情况下峰值出现在300 m处;气溶胶光学厚度夏季最大,冬季最小,正午较大,早晚较小.在东风条件下浓度最高,表明东边（即重工业城市唐山方向）的输送对香河和周边区域的气溶胶积聚有重要贡献.     

FY3B-MWRI中国区域雪深反演算法改进

基于2002～2009年全国753个国家基本气象站观测的地面雪深和温度资料,以及同期的高级微波扫描辐射计(Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS,AMSR-E)亮温数据,利用不同频率亮温对雪深的敏感性差异,建立了中国区域雪深半经验统计反演算法.经2006年地面台站观测雪深验证,其反演均方根误差为5.6 cm.具体反演思路如下:根据全国1 km网格土地利用覆盖度数据,结合中国区域的下垫面微波辐射特征,划分成森林、农田、草地和裸地四种主要地物类型;首先建立这四种主要地物类型相对较纯像元下的雪深反演算法,然后利用线性混合像元分解技术,建立微波像元下高精度的雪深反演算法.将本算法分别应用于风云三号B星搭载的微波成像仪(Fengyun-3B/Mcirwoave Radiation Imagery,FY3BMWRI)和AMSR-E数据,进行了2010～2011年冬季雪盖制图,与相应时段的MODIS日积雪产品(MYD10C1)相比,尽管两者数据源有所不同,本算法估算雪盖的精度均达到84%以上.此外,利用本算法和FY3B-MWRI数据在北半球进行了雪当量估算测试,与AMSR-E标准雪当量产品进行了比较,发现二者结果较为一致.但在中国地区,AMSR-E雪当量值明显高于FY3B-MWRI估算值,这与目前已有AMSR-E雪当量产品的验证结果较为一致,FY3B-MWRI雪深估算值与站点观测值更为吻合.该算法已被作为国家卫星气象中心FY3B-MWRI雪深产品的业务化算法.     

基于微波亮温及集合Kalman滤波的土壤湿度同化方案

基于集合Kalman滤波及SCE-UA(shuffled complex evolution)算法发展了能够直接同化微波亮温的土壤湿度同化方案. 该方案以陆面过程模式CLM 3.0中的土壤水模型作为预报算子, 以辐射传输模型作为观测算子. 整个同化过程分为参数优化和土壤湿度同化两个阶段, 利用SCE-UA算法优化辐射传输模型中难以确定的植被光学厚度参数和地表粗糙度参数, 并利用优化参数作为观测算子的模型参数进行同化. 通过人工理想试验表明该同化方案可以明显改善表层土壤湿度的模拟精度, 并且对深层土壤湿度的模拟也有一定程度的改善; 利用AMSR-E亮温(10.65 GHz垂直极化)所进行的实际同化试验表明顶层(0~10 cm)土壤湿度同化结果与观测的均方根误差(RMSE)由模拟的0.05052减小到0.03355, 相对减小了33.6%, 而较深层(10~50 cm)平均减小了20.9%. 这些同化试验显示该同化方案的合理性.