干旱地区地表辐射的计算——个例研究

我们利用在中国西部黑河流域所进行的陆气相互作用实验的预试验期间地面和卫星观测资料，研究了在于旱地区地表辐射收支演算中所遇到的困难。通过理论辐射传输计算和用卫星资料对云的反演可以得到地表辐射。计算结果与地表测量的太阳辐射和红外辐射比较表明在有些情况下会发生较大的误差。误差主要是由于缺乏气溶胶资料．云反演时的不确定性以及地面观测与卫星测量之间的时间差异所引起。在无云情况下，模式计算的太阳辐射通量系统大于测量值，当地面温度大于50℃和由于不稳定边界层造成尘埃古量大时计算误差特别大，误差的原因是计算中没有考虑气溶胶．我们发现在下午当气溶胶单次散射反射率取为9．5．光学厚度近似地取为0．2时计算误差可以减小，计算的地面太阳辐射通量和实测值比较一致，然而在大气中太阳辐射如此强的吸收原因仍不清楚．对地面测量和卫星测量资料都可以用的个例研究结果表明，地表净太阳辐射通量和红外向下辐射通量的平均误差分别为4．3和-4.7W／m^2．相应的均方根误差分别为17．4和22．1W／m^2．较大的误差出现在云量较少时，这可能是反演中误把气溶胶当成了云所造成的．研究结果强调了气溶胶在地表辐射计算中的重要性。同时，由于该地区地表温度的日变化非常大，而地面红外辐射的计算，要求温度测量有较高的时间分辨率，因此在干旱地区地面辐射计算中，从卫星资料反演气溶胶和地面温度应予以最优先考虑．     

层状云微物理参数反演及其辐射效应的个例研究

利用毫米波云雷达、微波辐射计联合反演方法,对2015年11月11日安徽寿县的一次层状云过程的云参数进行了反演,将所得云参数加入到SBDART辐射传输模式中,进行辐射通量计算,并将计算的地面辐射通量与观测的地面辐射通量进行了对比分析。研究表明:1)利用毫米波雷达和微波辐射计数据联合反演的云参数比较可靠;2)利用SBDART模式并结合反演的云参数,可以准确实时地计算地面及其他高度层的长短波辐射通量;3)在反演的云参数中,光学厚度对地面各种辐射通量的影响是最大的,云层的光学厚度越大,到达地面的太阳短波辐射越小,地面反射短波辐射也越小。另外云底温度越高,云体向下发射的红外长波辐射越大。地面向上的长波辐射是地面温度的普朗克函数,随地面温度而变;4)云对地面的短波辐射强迫为负值,对地面有降温的作用。云对地面的长波辐射强迫是一个正值,对地面有一个增温的作用;5)云对地面的净辐射强迫随时间变化很大,它的正负与太阳高度角和云参数有关。     

气象卫星观测资料的分析在城市区域气象环境研究中的应用

目前 ,我国气象部门相当普遍地拥有气象卫星观测资料 ,但是 ,这些资料如何在城市气象服务以及为城市建设规划等方面的决策研究中发挥作用 ,急待进一步研究并开展工作。本文试图通过合理的反演处理 ,给出卫星观测对地面温度的测量结果 ,由此可比较细致地分析了解地面热状况及其与土地利用类型 ,地面覆盖性质等的关系。本文利用有限的 NOAA- AVHRR气象卫星遥感资料 ,采用修正的 Ulivieri分裂窗方法反演出同期的地表温度场 ,通过对北京地区的卫星观测资料进行算例分析 ,揭示出一个 2 0 0 km× 2 0 0 km范围内的地面温度分布特征。反演结果可以明显地揭示出城市热岛现象的变化规律 ,并且能较为清楚地反映出相对的高温区和低温区     

双波段大气向下红外辐射云遥感数值模拟

为了将卫星多通道遥感技术应用到地基测云红外遥感中,利用SBDART(平面平行辐射传输模式)模式对双波段(10.3～11.3μm,11.5～12.5μm)大气向下红外辐射进行计算。分析了双波段辐射亮温差的特点,讨论了不同能见度、不同天空状况对两通道亮温差的影响,同时将利用实际测量的亮温差值所判断出来的天空状况与实际天空状况进行了对比。结果表明,在能见度较好时天顶方向辐射率变化比天边方向明显;在高能见度时一定天顶角范围内,可以利用不同天空状况亮温差不同的特点对云进行识别。     

一种计算辐射因子变化的地面温度效应的简便方法

本文综合利用Ramanathan和Lacis给出的长短波吸收率公式,将云量、云高、地面反射率和太阳天顶角作为参数,解出辐射传输方程,推导出计算地球大气长短波辐射及吸收的公式,计算出北半球平均辐射收支状况,计算结果证实了北半球对流层基本处于辐射对流平衡的特点.此外,由辐射对流平衡模式,我们找到一种简单的计算方法来估计辐射因子变化的地面温度效应.用此方法,我们计算了不同辐射因子变化对地面温度造成的影响.     

太阳光度计反演气溶胶参数的方法比较

气溶胶光学厚度(AOD)、一次散射反射比(ω_0)、粒子谱分布和散射相函数是表征气溶胶光学微物理特征的重要参数。利用CE318太阳光度计的直接测量数据与平纬圈测量数据基于Skyrad.pack算法可以用于反演这些气溶胶参数。结合光度计标定结果以及针对观测数据的严格去云方案和质量控制措施,利用该算法对几种不同的大气混浊度状况计算了上述气溶胶参数。计算结果与基于Dubovik算法的AERONET业务产品进行了比较,发现两种方法得到的结果大部分比较一致。虽然在大气混浊度较小的情况,Skyrad反演的ω_0和谱分布中的小粒子体积浓度与Dubovik结果相比有很大差异,同时Skyrad的计算误差较大,说明在实际AOD较小时,Skyrad算法的稳定性较低,但其反演结果依然能够在一定程度上表征气溶胶的光学特征。基本分析表明,基于Skyrad.pack算法的等天顶角观测反演结果在一定的大气混浊度和合适的太阳天顶角条件下是合理的,能够用于未纳入AERONET体系的光度计观测的气溶胶光学微物理参数研究。     

风云三号降水卫星多角度偏振成像仪的观测特点和应用潜力

准确测量大气中云和气溶胶的辐射特性对数值天气预报和气候变化具有重要意义。搭载在风云三号降水卫星上的偏振载荷是国内首个具有短波红外通道的多角度偏振成像仪(Polarization and Multi-Angle Imager, PMAI),计划于2023年年初发射,为气溶胶-云-降水观测链条提供重要支撑。该仪器运行在非太阳同步的倾斜轨道,可提供3 km(星下点)空间分辨率和700 km幅宽的图像。PMAI的观测通道包括1030 nm、1370 nm、1640 nm的偏振通道和相应的非偏振通道,可提供14个角度的观测信息。PMAI将利用自然目标的在轨替代定标和同平台仪器的交叉定标,实现5%的辐射测量精度。观测和仿真数据表明PMAI拥有描述云和气溶胶特性的独特优势。全新的短波红外通道的多角度偏振测量可以优化云相态识别和云微物理参数反演、气溶胶的地气解耦以及地表方向反射特征的表述。处于非太阳同步轨道的PMAI具有独特观测几何,可以获得大气粒子辐射更宽的散射角分布信息。此外,PMAI可联合同平台中分辨率光谱成像仪的可见近红外和热红外通道的观测信息,进行云和气溶胶的协同反演。     

塔克拉玛干沙漠地表发射率及分布变化特征

通过利用便携式傅立叶变换热红外光谱仪,对冷热黑体辐射和漫反射金板辐射校正,测量波长在8–14 μm的热红外大气窗口的地表辐射光谱,计算出地表的发射率光谱,再转换成地表的发射率值(ε)。为获得塔克拉玛干沙漠精确的ε,沿着沙漠公路,从南至北穿越沙漠,平均每50 km进行一次测量,获得了沙漠地表发射率的分布变化特征。结果表明：靠近绿洲的地表发射率值最高,达到0.93,绿洲与沙漠过渡带的值为0.91–0.92,沙漠其它地区的值为0.90–0.91,而沙漠中心区接近0.89。     

AIRS晴空大气温度廓线反演试验

2002年5月发射的Aqua是美国地球观测系统中的第2颗卫星EOS-2(Earth Observing System),它携带的大气红外探测仪AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)是目前国际上最先进的超高光谱分辨率红外大气垂直探测仪.1200的光谱分辨率和全球覆盖能力使其可以观测全球大气状态及其变化.对其超高光谱分辨率资料的处理和应用的研究既有科学意义,又有实用价值.利用AIRS实际观测资料反演大气温度,本文使用的是便于处理大数据量的统计反演方法中的特征向量法,计算回归系数使用的是AIRS观测辐射值和T213数值预报分析场.本文从通道个数、地形及地表发射率影响、增加预报因子、国外同类产品比较等4个方面进行了大气温度反演试验研究.研究结果表明:(1)在利用超高光谱分辨率仪器进行反演时,合理选择通道是非常必要的;(2)AIRS反演的大气温度在对流层顶和中上层具有较高的精度,在对流层低层,尤其是近地面反演精度不够理想;(3)增加地表温度,地表发射率和地形3个预报因子,可以提高近地面的反演精度;(4)文中反演的大气温度精度与国外同类产品精度基本一致.     

大气红外窗区(10.5-11.5μm和11.5-12.5μm)辐射传输的敏感性试验

大气窗区卫星红外遥感的辐射资料可应用于地表温度的确定,但必须考虑大气影响。为此,本文利用辐射传输模式和中纬度及青藏高原模式大气,用数值模拟的方法研究了大气和地表状态(大气温、湿廓线、地表温度与高度)的改变对大气顶红外窗区射出辐射的影响以及射出辐射对发射方向(天顶角)依赖关系。主要结论见正文小结。     

On the angular correction of satellite radiation measurements: The performance of ERBE angular dependence model in the Arctic

Summary An angular dependence model (ADM) is needed to convert radiance measurements into fluxes. This paper provides an overview on the progress and issues related to the angular correction of radiation data at the top-of-the-atmosphere (TOA), followed by an investigation on the performance of the Earth Radiation Budget Experiment (ERBE) ADMs in the Arctic during summer. The variation of inferred albedo with viewing geometry indicates the merit of an ADM. The ERBE ADM for land does well as it leads to near constant albedos for given solar zenith angles. The ADM for snow/ice is least satisfactory when applied to the Arctic in summer. The performance of the ocean ADM is acceptable except at large solar zenith angles for which albedo increases with viewing zenith angle. Significant and systematic variation of albedo with viewing angle and relative azimuth angle are manifest when the overcast ERBE ADM is applied to over-cast-over-snow/ice scenes. A methodology for correcting ERBE ADMs was proposed by normalizing the anisotropic factor over bins containing sufficient measurements.With 6 Figures     

用TRMM/TMI估算HUBEX试验区的云中液态水

文中应用热带降雨测量卫星微波成像仪的微波遥感资料反演云中液态水。由于微波成像仪85.5 GHz通道对云中液态水非常敏感,通过离散纵坐标矢量辐射传输模式,运用迭代的方法可以有效地反演出陆地上空非降水云中的液态水路径。在淮河流域能量与水分循环试验中,分别运用微波成像仪85.5 GHz垂直极化单通道和微波成像仪85.5 GHz极化亮温差两种方法来估算陆地上空的云中液态水路径,反演结果与地基微波辐射计的测量结果是较为一致的。当地表比辐射率或地表温度误差较大时,用极化亮温差法估算云中液态水路径相对较好,尤其是对于低云,因为该方法对地表温度不敏感。     

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

该文研究地基微波辐射计天线性能及其工作环境对K波段20~30 GHz亮温观测数据的影响,根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立模型,通过模拟计算给出辐射计20~30 GHz波段亮温观测对天线性能及其工作环境的响应,提出针对工作环境温度变化影响的订正方案,并结合观测资料进行分析验证。结果表明:如果辐射计天线增益和3 dB波束宽度决定的等效主波束效率η_e较低,则即使在能够经常进行辐射计系统液氮定标的情况下也必须考虑天线工作环境 (环境温度与辐射计定标时的情景差异) 对K波段亮温观测的影响。对某一辐射计液氮定标后1年多观测资料的订正验证表明:订正效果明显,尤其是在28.0 GHz和30.0 GHz两通道。     

A model for inferring canopy and underlying soil temperatures from multi-directional measurements

Thermal emission is modeled from a canopy/soil surface, where the soil and the leaves are at different temperatures,T _g andT _c respectively. The temperatureT _m corresponding to a radiometer reading is given by $$B_\lambda (T_m ) = \chi B_\lambda (T_g ) + (1 - \chi )B_\lambda (T_c ) ,$$ whereB _λ denotes the Planck blackbody function at wavelength λ, χ specifies the fraction of the field of view occupied by the soil at a given view direction, and an emissivity of 1.0 is assumed for the plants and the soil. The dependence of the soil-fraction χ on the view direction and the structure is expressed by the viewing-geometry parameter, which allows for concise and simple formulation. We observe from our model that at large view zenith angles, only the plants are effectively seen (that is, χ tends to zero), and thereforeT _c can be determined from observations at large zenith angles, to the extent that such observations are practical. Viewing from the zenith, χ = exp(-L _hc), whereL _hc is the projection of the canopy leaf-area (per unit surface area) on a horizontal plane. For off-zenith observations, the soil-fraction χ depends on the distribution in the azimuth of the projected areas of various leaf categories, in addition to the dependence on the sum total of these projections,L _hc.L _hc, rather than the leaf-area index, emerges as the parameter characterizing the optical thickness of the canopy. Inferring bothT _c andT _g from observations from the zenith and from large zenith angles is possible ifL _hc is known from other measurements. Drooping of leaves under water-stress conditions affects the observed temperatureT _m in a complicated way because a leaf-inclination change produces a change inL _hc (for the same leaf area) and also a change in the dependence of χ on the view direction. Water stress can produce an increase of the soil-fraction χ and thus tends to produce an exaggerated increase in the observed temperature compared to the actual increase in canopy temperature. These effects are analyzed for a simulated soybean canopy.     

ESTIMATION OF CLOUD LIQUID WATER OVER THE HUBEX AREA USING THE TRMM MICROWAVE IMAGER

The ability of the Tropical Rainfall Measuring Mission Microwave Imager(TRMM/TMI)forcloud liquid water(CLW)retrieval has been demonstrated in this study.Due to the greatsensitivity of the TMI 85.5 GHz channels to CLW,the liquid water path(LWP)ofnonprecipitating clouds over land can be successfully estimated using the VDISORT model basedon the iteration steps.Both the vertical-polarized 85. 5 GHz single-channel method and thepolarization-difference of 85.5 GHz method were applied to the LWP estimates over land regionsduring the Huaihe River Basin Energy and Water Cycle Experiment(HUBEX)in China.Theretrieval results show reasonable agreement with the ground-based microwave radiometermeasurements.When the surface emissivity or skin temperature is difficult to be made sure,thepolarization-difference method shows advantages of providing estimates of LWP especially for lowclouds because of its extremely insensitiveness to the surface skin temperature.     

5种光合有效辐射表性能测试

为认识和提高光合有效辐射 (波长为400~700 nm) 的测量精度,对国内外5种常用的光合有效辐射表的灵敏度、余弦响应、非线性、温度依赖性、光谱响应等性能进行了测试和分析。结果表明: 5种光合有效辐射表 (简称光合表) 的非线性误差均在1%以内; 3种光合表 (PAR LITE,LI-190和FS-PR) 的余弦误差均小于10%,温度系数均小于0.3%/℃,2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1) 的余弦误差明显偏大,温度系数小于0.5%/℃。2种光合表 (PAR LITE和LI-190) 的光谱响应曲线接近于理想光谱,而其余3种光合表与理想光谱曲线偏离较大。在自然光下的一致性比对测量结果显示,5种光合表测量的辐射量与标准值的误差均在5%以内,但综合评价后认为,3种光合表 (PAR LITE,LI-190和FS-PR) 的性能明显优于其他2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1)。该结果可为气象观测业务选型提供参考。     

MP-3000A型地基微波辐射计探测性能及其在乌鲁木齐降水天气中的初步应用

利用乌鲁木齐MP-3000A型35通道地基微波辐射计与L波段高空气象探测系统2010年逐日探测的温湿度,分析微波辐射计探测温湿度性能及其在降水天气中的特征。结果表明：微波辐射计与探空测量温、湿度具有很好的相关性和一致性,两者观测58层高度的温度、相对湿度、水汽密度和整层可降水量的相关系数分别为0．99、0．74、0．92和0．94,均达到0．01显著性水平。10km以下垂直廓线分析表明：微波辐射计测量的温度值均小于探空测量值,相对湿度和水汽密度大于探空测量值,存在系统误差。可降水量偏差冬季最小,夏季最大。降水发生时两者探测的温湿度廓线变化趋势一致,温度和2000in以上水汽密度受降水天气影响相对较小,微波辐射计能较好地反映大雨和暴雨天气发生和结束过程中热力和水汽参数的时空分布和剧烈变化特征。     

中巴地球资源卫星数据反演地表温度产品设计

利用CBERS IRMSS/IRS传感器红外通道数据,基于MODTRAN4和查找表算法,根据地表数字高程和全球/区域一体化数值预报模式,建立相应高度和气象条件下温度反演配套系数,利用CBERS可见/近红外通道和地表比辐射率数据库最终生成地表温度/地表发射率产品。最后介绍了温度产品的验证工作,并对温度反演中存在的参数敏感性和不确定性问题进行了分析。     

The effect of emissivity variation on surface temperature determined by infrared radiometry

During the international La Crau-experiment in 1987 the surface temperature was measured using an infrared radiometer. Sensitivity of the derived temperature to variations of surface emissivity and atmospheric radiation are investigated in this paper. A 1% error in emissivity would bias the derived surface temperature about 0.5 K. The atmospheric radiation was calculated using Lowtran-7 and radiosonde profiles. A 10% error in atmospheric radiation changes the derived surface temperature by about 0.1 K if the emissivity is 0.96. Comparison with atmospheric radiation values derived from equations by Idso (1981) showed general agreement, but also a few very exceptional cases. Equations by Svendsenet al. (1990) yield values for surface temperature corrections that are about 5 times smaller than our values.     

中国西北三类典型裸土下垫面地表宽波段发射率变化特征研究

利用2013年我国西北戈壁、沙漠和黄土塬区三类典型裸土下垫面野外观测试验资料,探究了上述地区地表向下、向上长波辐射（DLR&ULR）、地表温度（LST）和地表宽波段发射率（LSBE）的变化特征,结果表明:黄土站地表ULR和LST明显比戈壁和沙漠站偏低;戈壁宽波段发射率（GbBE）、沙漠宽波段发射率（DeBE）和黄土宽波段发射率（LoBE）具有明显的变化特征,尤其是日变化特征;观测期内GbBE、DeBE和LoBE平均值分别约为0.926±0.0452、0.916±0.0419和0.881±0.049。三站点地表宽波段发射率的数值大小和变化特征与陆面模式中所指定的参数化情况不符。地表发射率会受站点周围环境和当时气象条件等因素的影响,表层土壤湿度被认为是一个非常重要的影响因子,将来的野外观测试验中需加强相关影响要素的观测与分析。