参数化的多次散射雷达方程和它的反演理论 Ⅱ:反演理论

本文根据参数化的多次散射雷达方程,分析了激光多次散射对激光回波信号和一次散射雷达方程反演结果的效应,提出了迭代前向积分法和迭代后向积分法以求解参数化的多次散射雷达方程,并根据多次散射信号对云和气溶胶的前向散射相函数的高度敏感性提出了一个从双接收视场的多次散射激光回波信号,同时确定云和气溶胶消光系数分布和前向散射相函数的方法.此外,本文还根据数值试验分析了这些反演方法在地基激光雷达和空间站激光雷达两种情形下的适用性.     

参数化的多次散射激光雷达方程和它的反演理论 I:方程

本文提出了一个参数化的多次散射激光雷达方程,该方程基于本文引出的四个因子,即几何消光因子、消光分布因子、前向散射因子和后向散射因子.前两个因子表征多次散射成分对大气消光系数分布、激光的发散角和接收视场角以及接收孔径的依赖关系,后两个因子表征多次散射成分对散射相函数的依赖关系.这个参数化多次散射雷达方程在241个数值试验中得以检验,这些试验包含很宽的大气条件和雷达几何参数,包括14个大气散射相函数,均匀和不均匀的大气消光系数分布,0.5至1之间变化的一次散射反照率,地基和空间站激光雷达两种情形.数值试验表明     

参数化的多次散射激光雷达方程和它的反演理论 Ⅰ:方程

本文提出了一个参数化的多次散射激光雷达方程,该方程基于本文引出的四个因子,即几何消光因子、消光分布因子、前向散射因子和后向散射因子.前两个因子表征多次散射成分对大气消光系数分布、激光的发散角和接收视场角以及接收孔径的依赖关系,后两个因子表征多次散射成分对散射相函数的依赖关系.这个参数化多次散射雷达方程在241个数值试验中得以检验,这些试验包含很宽的大气条件和雷达几何参数,包括14个大气散射相函数,均匀和不均匀的大气消光系数分布,0.5至1之间变化的一次散射反照率,地基和空间站激光雷达两种情形.数值试验表明,在小于4的光学厚度内参数化的解和Monte-Carlo解之间的标准偏差小于27％,而本模式的计算时间比Monte-Carlo方法偏小4个数量级左右.本模式不仅适合于研究多次散射对激光回波信号和激光大气遥感的效应,而且对于考虑多次散射的激光大气探测而言,是一个合适的应用模式.     

扁椭球形雨滴和冰粒后向散射实验与理论研究

本文介绍了对扁椭球形雨滴和冰（雹）粒散射能力的实验模拟和测量技术，报告了一个系列扁水(冰)椭球后向散射截面的实验测量结果；并用扩张边界条件法(EBCM)计算出相应的理论值，用Mie公式计算出等容积球形后向散射截面。将实验结果与理论计算作了综合对比分析，得到了若干有用的结论。     

东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法研究I:ISPRM和SRRM

文中对10a来改进的同步物理反演方法（ISPRM）实践与发展进行了总结。在不违背先验信息和卫星测值之间独立的原则下,所做的改进都是针对这类非适定反演问题的欠定性（under－determinedness）进行的。由适定反演理论知道,正演是反演的基础,又是卫星辐射率测值输入和反演结果输出之间的桥梁。为了获得好的正演,就必须竭尽可能充分利用一切可以使用的先验信息,把非适定反演问题转化成适定的反演问题,从而通过Ridge回归或Bayes反演过程,把先验信息、理论模拟信息和卫星探测信息三者最佳地结合起来,以最大限度减少这类反演问题的欠定性对数值解的影响。     

东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法研究Ⅰ:ISPRM和SRRM

文中对10a来改进的同步物理反演方法(ISPRM)实践与发展进行了总结。在不违背先验信息和卫星测值之间独立的原则下,所做的改进都是针对这类非适定反演问题的欠定性(under-determinedness)进行的。由适定反演理论知道,正演是反演的基础,又是卫星辐射率测值输入和反演结果输出之间的桥梁。为了获得好的正演,就必须竭尽可能充分利用一切可以使用的先验信息,把非适定反演问题转化成适定的反演问题,从而通过Ridge回归或Bayes反演过程,把先验信息、理论模拟信息和卫星探测信息三者最佳地结合起来,以最大限度减少这类反演问题的欠定性对数值解的影响。     

东亚地区气象参数卫星遥感反演理论和方法研究Ⅱ:ISPRM和VSPRM2

在改进的同步物理模式（ＩＳＰＲＭ）实践基础上,根据泛函数变分原理,按ＴＯＶＳ遥感方程,提出了较普遍的变分同步物理反演模式（ＶＳＰＲＭ２）,其一级功能（ＶＳＰＲＭ１）和ＩＳＰＲＭ完全相同。ＶＳＰＲＭ从协合（ｓｙｎｅｒｇｙ）遥感反演机理,进一步拓宽和发展了ＩＳＰＲＭ模式。分析了ＶＳＰＲＭ２模式性能,指出这类模式的反演潜力。特别着重分析了模式的水汽核函数参数化和水汽遥感反演问题。针对这类非适定反问题的强欠定性质,为妥善使用先验信息,以获得精确的正演辐射率Ｒ。,还对透射率精确计算,低层温、湿廓线反演通道最佳选择和云层影响修正的改进作了进一步分析。经过长期业务运行条件反演比较实验,结果表明改进的物理反演方法（ＩＳＰＲＭ）是适于中国大陆包括青藏高原温、湿参数分布的反演方法,特别在有云条件下能反演出温、湿廓线。     

扁椭球雨滴后向散射的Gans理论和T矩阵差异对雷达探测释义的影响

非球形粒子的散射特性研究是双偏振雷达探测数据处理和释义的基础,非球形状同样会影响常规雷达探测数据的处理和释义。在利用雷达进行降水观测的过程中,需要考虑旋转扁椭球雨滴的散射特性。Gans理论和T矩阵法是常用于计算椭球粒子散射特性的算法,但其算法差异会对雷达探测反演带来不同的结果。利用Gans理论和T矩阵法的数值计算,分析旋转扁椭球雨滴的后向散射截面,同时对比常用雷达波段（S、C、X和Ku）内两种算法的后向散射截面的相对差别,以相对差别的阈值得到Gans理论可适用于计算旋转扁椭球雨滴后向散射截面的最大等效半径和尺度参数。在常用雷达波长处对该差异造成的雷达反射率因子Zh和差反射率因子ZDR的影响进行分析。结果表明,在MP雨滴谱下,X波段处Zh的算法差异可达1.66 dBZ,在C波段处ZDR的算法差异可达0.75 dBZ,其他各波长处也有差异。      

星载双频云雷达的云微物理参数反演算法研究

使用星载雷达模拟器输出的模拟数据,为星载双频云雷达选择了最佳的频点组合,并开展了双频联合反演云微物理参数的算法研究。结果表明:（1）在位于大气窗口的6组频点组合中,94/220 GHz的组合对滴谱参数的微小变化较为敏感,有利于进行双频的联合反演。综合考虑不同频点的探测能力、衰减以及工业部门的制造水平后,认为94/220 GHz可以作为未来星载双频测云雷达的探测频点。（2）双频反演中最核心的双波长比（DWR）和体积中值直径（D₀）的关系与冰晶粒子密度相关。当密度随着粒子直径变化时,DWR随着D₀单调递增,当粒子密度固定不变时,DWR-D₀曲线可能会出现非单调变化,从而使得固定密度时的反演比变密度时更加复杂。（3）后向迭代的双频反演算法同样适用于94/220 GHz进行云微物理参数的反演,并且对模拟数据的反演精度较高。此外,反演精度受到系统噪声以及定标精度的影响,为了满足反演精度的要求,系统噪声和定标误差应该控制在1 dBz以内。      

云参数的两种地基雷达反演方法对比研究

云微物理参数是研究云物理过程和云辐射效应的基础。采用35 GHz的Ka波段毫米波云雷达的IQ数据,处理得到功率谱数据,进行了云微物理参数的反演,并且与云雷达和微波辐射计的联合反演方法进行了对比。个例研究表明:(1)层状云的云滴数浓度(N_0)典型值在80～100个/cm~3;有效半径R_e(Effective Radius)在15～25μm之间;液态水含量LWC(Liquid Water Content)在0.01～1 g·m~(-3)之间;(2)利用功率谱进行反演,可以消除空气运动的干扰,提高了反演结果的可靠性;(3)反演结果的对比分析表明,功率谱反演方法和联合反演方法有较好的一致性,两种方案都适用于水云微物理参数的反演。     

微脉冲激光雷达及其应用研究进展

微脉冲激光雷达(MPL)对云和气溶胶的光学属性的空间分布提供连续自动的观测，该系统结构紧凑，发射能量对人眼安全，其可靠性已在国内外很多大型试验中得到了验证。文章介绍了微脉冲激光雷达的系统结构、工作原理以及较之传统激光雷达的优越性，给出了气溶胶光学属性的反演方法(斜率法、近端解法、远端解法和迭代求解法)并指出了其优缺点，对MPL在边界层、气溶胶观测等方面的应用研究成果做了简介。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题研究 II. 反演试验研究

前文给出了卫星红外观测资料的反演处理方法，并对方法作了理论上的分析，在本文中，我们将此方法应用到TOVS、GOES-8实际资料及AIRS模拟观测资料处理中并重点对TOVS资料进行试验。在反演中，我们将大气温度廓线和水汽混合比（lnq）廓线用各自的经验正交函数（EOF）表示以提高反演的稳定性并缩短计算时间，同时采用一种过滤操作以加速迭代的收敛速度。除了用本文提出的方法对TOVS资料进行处理外，还用国际TOVS处理软件包（ITPP-4.0）对同样的资料进行反演。试验表明，本文方法的反演结果优于ITPP的结果。AIRS模拟反演结果表明，高分辨率红外垂直探测器的遥感精度能够达到温度1 K、水汽10%。     

晴空时大气红外遥感及其反演问题 I. 理论研究

本文首先研究了晴空情况下大气温、湿廓线及表层温度等参数的同步反演问题。利用一阶变分原理，从红外辐射传输方程中得到了大气温度、水汽权重函数的解析形式，然后利用牛顿非线性迭代法求解大气温度廓线、大气水汽廓线和表层温度。并从“最佳信息层”的概念出发，指出水汽遥感反演的两个特点。     

有云时大气红外遥感及其反演问题 II. 反演试验研究

本文前一部分提出了用相邻视场同步反演法处理有云时的反演问题。在这部分中，我们将此方法应用到TOVS的模拟和实际观测资料反演中，并提出了一种“广义CO2分割法”来求取云高和云量的初始猜值。试验结果表明，相邻视场同步反演法反演精度明显优于单视场反演法的精度。另外，利用“广义CO2分割法”可以得到较好的云顶气压和云量的初始猜值。     

非静力AREM模式设计及其数值模拟II:数值模拟试验

在程锐等（2018）中,我们完成了非静力AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）模式动力框架设计。本文将通过理想和实例试验检验其模拟能力。设计理想试验并通过与国际成熟的中尺度非静力框架比较,直接检验非静力AREM三维动力框架在细致分辨率（约1 km）下的模拟性能。可以看出,非静力AREM与ARPS（Advanced Regional Prediction System）、WRF（Weather Research and Forecasting Model）模拟出类似的积云对流结构及演变特征,从而基本确证了本文发展的非静力框架的正确性。结合原静力平衡模式的初始化和物理参数化过程,形成非静力AREM模式系统。台风实例模拟表明,粗分辨率下静力、非静力AREM模式性能接近;但在高分辨率下,非静力明显优于静力模式。我们还开展了批量降水试验检验,对非静力AREM模式性能进行了进一步的验证。     

基于机载观测资料订正雷达比及其垂直分布特征

雷达比是激光雷达反演气溶胶光学特性的重要参数和影响因素。利用北京地区2016年一次清洁过程（12月10日）和两次污染过程（11月15～18日和12月16～19日）的微脉冲激光雷达、机载浊度计和黑碳仪以及多种地基观测设备,综合研究基于飞机观测订正雷达比的方法及其分布特征。清洁过程地面PM_2.5浓度低于40 μg m?3;污染严重时期的PM_2.5均高于150 μg m?3且能见度低于5 km,污染过程1存在高空传输的特征。研究结果表明相较于采用单一的柱平均雷达比,利用本文方法获得的雷达比垂直廓线反演得到的气溶胶消光系数和光学厚度更接近原位跟踪观测,精度均有提升。基于此方法获得的雷达比在污染发展不同时期垂直分布差异较大,主要分布在19～76 sr之间,清洁时期雷达比较小且垂直分布差异不大。污染过程1雷达比随高度波动增加至边界层顶（19～45 sr）;污染过程2严重期边界层内雷达比随高度由70 sr降低到20 sr;边界层以上均呈现小幅波动变化。边界层内雷达比垂直分布与气溶胶来源特别是高空气溶胶传输有密切联系,混有沙尘的区域传输显著提升了所在高度的雷达比值。边界层以上雷达比受少量大粒子或者强吸收性的气溶胶粒子的影响波动变化。边界层内消光系数增大时雷达比呈增加趋势;当相对湿度高于40%,边界层内雷达比随相对湿度增加而增大。     

季风指数及其年际变化II·南海夏季风分量动能强度指数及其年际变化

计算了各年南海夏季风建立前后流场的场相似度、场比幅、季风分量动能强度指数和突变度。指出按变差度最大或相似度绝对值最小及其变化最陡以及比幅最小,可客观定量地定出季风来临的预兆日期,在大多年份该日期比用天气气候学方法得到的季风来临(爆发)日期要早些,且两者有较好正相关。绝大多数年份季风建立时有环流突变发生,但也有少数年份呈调和变化或二次突变。季风分量动能强度指数能够反映各年南海夏季风建立后的强度。最后分析指出,南海850 hPa夏季风的前兆日期,突变度和强度指数都有明显的年际和年代际变化。     

陆面模式CLSM的设计及性能检验II.模式检验

利用BOREAS,HEIFE,ARME,GAME-TIPEX等大量的陆面外场观测资料,针对不同类型的陆面过程,对所发展的陆面模式CLSM的性能进行检验.模拟结果与观测资料的对比分析表明:一方面,CLSM能够对积雪变化、干旱/半干旱地区的水热交换等特殊的陆面过程进行合理的描述;另一方面,CLSM对热带雨林地区的植被-大气相互作用、高原地气交换过程同样具有很强的模拟能力.CLSM解决了陆面模式对上述特殊下垫面描述能力有限的实际问题,保证了对特殊下垫面进行合理描述的同时,又保证了对其他不同陆面状况的模拟能力.CLSM改善了陆面模式对全球范围内不同下垫面条件下的陆面过程及地-气交换过程的模拟能力.