LABORATORY STUDY ON MICROWAVE REMOTE SENSING OF GROUND TRUTH*

In order to improve the interpretation of the earth system microwave remote sensing,the research of microwave spectrum characteristics of the ground truth (earth objects) was carried out in laboratory.A laboratory for microwave remote sensing of the earth objects has been constructed to improve the remote sensing level,the laboratory consists of four parts:the measuring system of dielectric constants,the microwave emissivity meter,the microwave reflectometer and the microwave remote sensing simulation experiment in field.In this paper,the principle of measurement,the correction of near field process,the structure of instrument,the calibration method and the measurement of the earth substances,including soil,water and oil,are discussed.The laboratory may supply the condition for measuring the parameters of thc earth substance remote sensing and help to interpret the remote sensing data.     

STUDIES OF THE VERTICAL STRUCTURE MODEL AND THE MICROWAVE ATTENUATION OF CLOUDS AND PRECIPITATION OVER TROPICAL OCEAN AREA

Using radiosonde data and other related observations in the TOGA-COARE IOP(fromNovember 1,1992 to February 28,1993),the microwave attenuation of non-precipitating clouds isinvestigated based on microwave radiative transfer model(MRTM)at the specific frequencies of6.8,10.65,13.9,19.35,22.235,37.0,85.5 and 90.0 GHz.Besides,utilizing the data of theairborne radar and radiometer at 13.8 GHz in the IOP(Intensive Observation Period),verticalstructure models for different types of precipitating clouds are obtained,and also the microwaveattenuation of precipitating cloud is studied.Some statistical characteristics of 13.8 GHzmicrowave path integrated attenuation for stratiform and convective precipitating clouds arepresented.The results given here are valuable for the spaceborne microwave remote sensing ofprecipitation,and the cloud and precipitation attenuation corrections in the spaceborne microwaveremote sensing of earth surface over tropical ocean area.     

STUDIES OF THE VERTICAL STRUCTURE MODEL AND THE MICROWAVE ATTENUATION OF CLOUDS AND PRECIPITATION OVER TROPICAL OCEAN AREA*

Using radiosonde data and other related observations in the TOGA-COARE IOP(from November 1,1992 to February 28,1993),the microwave attenuation of non-precipitating clouds is investigated based on microwave radiative transfer model(MRTM) at the specific frequencies of 6.8,10.65,13.9,19.35,22.235,37.0,85.5 and 90.0 GHz.Besides,utilizing the data of the airborne radar and radiometer at 13.8 GHz in the IOP(Intensive Observation Period),vertical structure models for different types of precipitating clouds are obtained,and also the microwave attenuation of precipitating cloud is studied.Some statistical characteristics of 13.8 GHz microwave path integrated attenuation for stratiform and convective precipitating clouds are presented.The results given here are valuable for the spaceborne microwave remote sensing of precipitation,and the cloud and precipitation attenuation corrections in the spaceborne microwave remote sensing of earth surface over tropical ocean area.     

近40年我国暴雨的年代际变化特征

概要回顾和总结了中国暴雨的卫星光谱遥感、被动微波遥感及主动微波探测的国内研究成果,并对卫星主被动仪器遥感研究中国暴雨的趋势进行展望。在卫星光谱遥感研究暴雨方面,学者们充分利用了红外通道亮温,监测暴雨云团发展变化,并结合再分析资料、雨量计观测结果、天气模式等,进行了很多具有应用价值的研究。在被动微波研究暴雨方面,主要将被动微波亮温结合变分同化系统,开展改善天气模式预报能力的研究,而很少利用被动微波多通道亮温来反演暴雨云参数。在卫星测雨雷达探测研究暴雨云结构方面,主要开展了暴雨降水结构的个例分析研究、暴雨强度及频次时空分布的统计分析研究。卫星多仪器与地基多仪器、模式资料、地面站和探空站等数据的综合应用,在未来暴雨监测及暴雨机理研究等方面将发挥重要作用;卫星多仪器遥感信号结合辐射传输模式和高分辨率云模式,可望未来获得暴雨云团内的大气动力学参数、大气热力学参数和云参数。

     

Study on Microwave Remote Sensing of Atmosphere, Cloud and Rain

In this paper, recent research of microwave remote sensing of atmosphere, cloud and rain in China is presented. It includes the following aspects:(1) Progress in the development of multifrequency radiometer and its characteristics and parameters;(2) Application of microwave remote sensing in prediction of atmospheric boundary layer. The atmospheric temperature profiles are derived with 5 mm (54.5 GHz) radiometer angle-scanning observations. Due to the fact that microwave radiometer could monitor the atmospheric temperature profile continuously and make the initialization of numerical model any time, it is helpful for improving the accuracy in prediction of the evolution of atmospheric boundary layer;(3) Theory and application of microwave radiometers in monitoring atmospheric temperature, humidity and water content in cloud. The field experiment of International Satellite Cloud Climatology Project (ISCCP) at Shionomisaki and Amami Oshima of Japan for studies of cloud and weather has been described;(4) Satellite remote sensing of atmosphere and cloud. The TIROS-N TOVS satellite data are used to obtain at-mospheric temperature profile. The results are compared with those of radiosonde, with rms deviation smaller than that of the current operational TOVS processing;(5) Microwave remote sensing and communication. The atmospheric attenuations are derived with microwave remote sensing methods such as solar radiation method etc., in order to obtain the local value instantaneously. The characteristics of Beijing’s rainfall have been analysed and the probability of microwave attenuation of rain is predicted;(6) For improvement of the accuracy of rainfall measurement, a radiometer-radar system (λ= 3.2 cm) has been developed. The variation of rainfull distribution and area-rainfall may be obtained by its measurements, which may be helpful for hydrological prediction.The prospect of microwave remote sensing in meteorology is also discussed.     

被动式微波遥感技术发展及其对汽/液态水物理参数反演的研究进展

大气遥感是1960年代以来发展最为迅速的学科分支之一,也是大气科学发展的关键技术支柱之一;其中,被动式微波遥感具有体积及功耗小,能进行全天候连续观测等优点,为获取大气、海洋、陆面等多领域观测信号提供了直接和有利手段。由于水汽、液态水是影响天气气候变化的重要要素,对其的探测技术在当前气象业务中显得尤为重要。简单回顾了被动式微波遥感的主要进展,重点介绍微波辐射计对水汽、云液态水、降水等物理量进行反演时所采用的统计方法、物理方法、物理统计方法等方法研究方面的国内外进展,并对微波辐射计的未来发展前景作了简单介绍。     

Recent Progresses in Atmospheric Remote Sensing Research in China——Chinese National Report on Atmospheric Remote Sensing Research in China during 1999-2003

Progresses of atmospheric remote sensing research in China during 1999-2003 are summarily introduced.This research includes: (1) microwave remote sensing of the atmosphere; (2) Lidax remote sensing; (3)remote sensing of aerosol optical properties; and (4) other research related to atmospheric remote sensing，including GPS remote sensing of precipitable water vapor and radiation model development.     

Recent Progresses in Atmospheric Remote Sensing Research in China-- Chinese National Report on Atmospheric Remote Sensing Research in China during 1999-2003

Progresses of atmospheric remote sensing research in China during 1999-2003 are summarily introduced.This research includes: (1) microwave remote sensing of the atmosphere; (2) Lidar remote sensing; (3)remote sensing of aerosol optical properties; and (4) other research related to atmospheric remote sensing,including GPS remote sensing of precipitable water vapor and radiation model development.     

光学遥感信息技术与应用研究综述

光学遥感利用可见光、近红外和短波红外传感器对地物进行特定电磁谱段的成像观测,是遥感科技中发展最早,也是目前对地观测和空间信息领域中应用最为广泛的技术手段.随着近年来光学成像、电子学与空间技术的飞速发展,高空间、高光谱和高时间分辨率遥感技术不断取得新突破,为光学遥感图像处理与应用技术发展创造了前所未有的机遇和广阔前景.本文首先概述了光学遥感的基本原理和发展历程,然后重点介绍了光学遥感图像的数据特点及光学遥感图像处理技术与方法,阐述了光学遥感在生态环境、自然资源和国防安全等领域的应用情况,讨论了未来光学遥感信息技术与应用发展的几个主要方向和趋势.     

卫星反演积雪信息的研究进展

综合分析了积雪信息反演的主要遥感信息源和提取方法。在光学遥感方面,应用较广的主要是改进型甚高分辨率扫描辐射仪（AVHRR）资料和中分辨率成像光谱仪（MODIS）资料;提取积雪信息大多是根据积雪在可见光波段的高反射率和近红外波段的低反射率,并通过建立回归模型反演积雪面积和深度。由于传感器的改进,MODIS卫星资料在空间分辨率、积雪反演算法等方面明显优于AVHRR资料。光学仪器受云层和大气的影响很大,由于云和积雪在可见光和近红外波段上都具有高反射率。并且由于云层的遮挡。云下的地表信息不能被光学遥感仪器所接收到。微波遥感方面,被动微波遥感仪如微波辐射计成像仪（SSM／I）、高级微波扫描辐射计（AMSR—E）等可以全天候穿过云层进行监测,具有光学仪器所没有的优势,并通过提取地表的亮温差,建立雪深反演模型得到积雪深度。被动微波传感器存在分辨率低。无法监测浅雪区信息等问题。另外影响地表微波亮温的因素很多,这些都在一定程度上影响了反演结果的精确度。主动微波遥感仪如合成孔径雷达、微波散射计等利用积雪与其它地物的后向散射系数的不同来识别积雪,但也同样存在分辨率低等问题。最后探讨了卫星反演积雪信息中仍然存在的问题和进一步发展的方向。     

热带海表风速与海表温度日变化关系分析

星载可见光/红外仪器因其波长缺乏穿透云的能力,只能观测到云顶及其下部有限深度的信息,而星载被动微波仪器则因其波长较长,具有穿透云的能力而能获得云体信息,因此星载被动微波仪器较可见光/红外仪器观测云和降水更具有优势。自20世纪70年代末至今,美国投入了大量星载被动微波仪器,服务于天气预报等领域,促进了云和降水等参数的被动微波遥感反演算法的快速发展。本文聚焦星载被动微波遥感反演洋面云液态水研究的进展,旨在提升我国的星载被动微波仪器遥感应用能力。文章首先简介了几种微波辐射传输模式形式,其次介绍了被动微波通道（频率）对洋面参数和云液态水的敏感性研究,然后介绍了被动微波反演洋面云液态水的统计反演算法、物理反演算法、物理与统计相结合的反演算法、被动微波多通道多参数的同步反演算法、被动微波与可见光/红外相结合的反演算法,最后探讨了未来该领域研究的发展方向。

     

大面积水体上空星载微波辐射计的干扰识别

卫星微波仪器接收的来自地气系统的被动热辐射与主动传感器发射的信号相混合,被称为无线电频率干扰 (RFI),在主动及被动微波遥感探测领域已成为越来越严重的问题。海洋表面反射的静止通讯、电视卫星下发信号是干扰海洋上星载被动微波辐射计观测的主要来源。该文以先进的微波扫描辐射计AMSR-E为例,采用双主成分分析方法对美国陆地上大面积水体、附近洋面和中国海岸线附近的RFI进行识别,研究表明:美国附近洋面区域星载微波辐射计18.7 GHz通道观测主要受静止电视卫星DirecTV的干扰,由于海表反射引起的RFI非常依赖于静止卫星和星载被动仪器的相对几何位置,只有当闪烁角θ(观测视场镜面反射的静止电视卫星信号方向与视场到星载仪器方向之间的夹角) 较小时卫星观测易受到污染。美国海洋区域较强RFI分布在五大湖区域,离内陆越近RFI越强,东西海岸RFI较强,而整个南海岸干扰相对较弱。中国海岸线附近AMSR-E 6.925 GHz通道观测受RFI影响,而18.7 GHz通道观测未受到干扰。     

农作物长势遥感监测业务化应用与研究进展

农作物长势监测可为田间管理提供及时的决策支持信息和早期估产提供依据。为了更好地研究作物生长过程中不同遥感监测作物长势方法的适用性,从多光谱遥感数据、高光谱遥感数据和微波遥感数据的应用及遥感监测指标与模型模拟方面综述了国内外农作物长势遥感监测研究及业务化应用的最新进展,指出了未来拟重点加强的研究任务,包括高时空分辨率和高光谱分辨率遥感数据的业务化技术、多遥感反演参数协同监测作物长势技术研发、基于遥感信息与作物过程模型的集合预报技术研究、全球尺度作物长势监测业务运行系统研发。     

大气遥感与卫星气象学研究的进展与回顾

大气遥感作为大气科学中的重要基础与技术支柱,是20世纪60年代以来迅速发展的一门年轻学科.中国大气科学工作者在这方面也紧密结合国家需求与国际学术前沿,从20世纪60年代开始在理论研究,技术发展与实验研究,以及在气象、环境和国防应用等多方面开展了活跃的研究与发展工作.作者主要对中国科学界在大气遥感与卫星气象学发展方面作简要回顾,并着重介绍中国科学院大气物理研究所在大气遥感的基础与方法研究方面的一些进展,以及对大气遥感发展中的作用.主要内容包括:中国大气遥感的简要发展过程、卫星气象的早期发展、卫星红外遥感的基     

近场反射过程中的微波辐射传输特性

地物微波反射率是卫星气象和雷达气象的重要信息,需要进行实验室内模拟自然的实验研究。只有解决近场反射过程中的微波传输问题,才能研究有据,测量准确。本文研究了近场反射过程中微波传输的特性和近场测量转换至远场情况的订正方法,在实验室内测量了标准反射面的反射特性,用实验证明了本文提出的订正方法的有效性。本文得到了理论与实验一致的结果。因此,这种近场订正的方法是实用的。     

我国干旱遥感监测技术方法研究进展

以裸露地表、部分覆盖度地表和全植被覆盖地表3种不同下垫面类型为着眼点,详尽地阐述了相应下垫面类型下不同的干旱遥感监测技术方法的适用范围和其监测的优劣。下垫面为裸露地表时,微波遥感法具有广阔的前景;部分覆盖时双层模型法较好,但模型复杂,应注重经典双层模型的简化;全覆盖时各类监测方法各有优劣。提出未来干旱遥感监测的发展方向和应用前景,对应用遥感技术进行干旱监测相关业务的开展提供有益的参考。     

基于系留气艇平台的红外辐射传输算法实验验证

中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室 (LAGEO) 建立了以系留气艇为平台的综合探测系统。通过气艇在大气边界层上升、下降过程获得不同高度的气象参数和同时的辐射参数。以气象参数为输入,应用辐射传输模式 (MODTRAN4.0) 获得模式辐射输出,将其与实测辐射值作对比,验证MODTRAN4.0模式的准确性,为有关目标识别与遥感提供基础。2006年8月在中国科学院大气物理研究所香河综合观测站利用系留气艇平台进行了验证实验,并对热红外波段的模式对比结果进行分析。结果表明:所建实验系统具备进行模式验证的能力,在热红外波段,MODTRAN4.0模式输出结果与实测辐射亮度之间的相对误差的均方差在边界层大气条件下小于3%。     

RADARSAT数字图像积雪覆盖下地物解译方法

采用加拿大RADARSAT雷达数字图像,以新疆阿勒泰地区阿勒泰市、布尔津、吉木乃、哈巴河、福海5个县(市)为典型试验区,研究了积雪覆盖下雷达遥感图像地物解译的基本原理和几何纠正方法,比较分析了标准模式的地理参考高分辨率合成孔径雷达图像与经过亮度增强、边缘增强、图像增强、斑点压缩和纹理分析处理的图像上地物目视解译的特点,建立了积雪覆盖下雷达图像上耕地、水系、交通道路、居民地等与抗灾救灾密切相关的地物的解译标志。结果表明,可弥补可见光及近红外遥感积雪监测的缺陷,为雪灾发生区的救援决策提供科学依据。     

小旋转椭球粒子群轴趋正态分布时的衰减特性

研究小旋转椭球粒子群旋转轴的空间取向在正态分布情况下,衰减截面随分布方差、期望及波长的变化。并对结果做了讨论分析,以便为微波大气传输研究、大气微波遥感,尤其是改善天气雷达定量测量降水的精确度,提供依据。     

卫星被动微波遥感土壤湿度研究进展

土壤湿度是控制陆地和大气间水分和能量交换过程的重要变量,而被动微波遥感是众多监测土壤湿度技术中最有效的手段之一。文中概述了被动微波反演土壤湿度的物理原理,重点介绍了被动微波反演土壤湿度的主要模型。在对不同模型进行比较分析后,基于不同传感器类型分别列举了当今发展较完善的3个典型算法：①Njoku和Li基于AMSR的多通道同时反演土壤湿度、土壤温度、植被含水量的方法;②Owe等基于SMMR利用极化差异指数同时反演土壤湿度和植被光学厚度2个参数的方法;③Wen等基于SSM／I同时反演土壤湿度和土壤温度的方法。对被动微波遥感土壤湿度研究中目前所存在的问题和发展前景进行了一些探讨。