發(fā)布時間：2021-02-25 02:45

　　太赫茲波（頻率0.1～10 THz,波長3 mm～30μm）位于微波與紅外波段之間,其波長與典型冰云粒子尺度處于同一量級,是理論上遙感冰云微物理參數(shù)的最佳波段,利用該波段進行冰云探測已成為重要的前沿領(lǐng)域和研究熱點。首先,概述了太赫茲波被動遙感冰云微物理參數(shù)的基本原理;然后,從太赫茲波冰云探測儀器、太赫茲波段大氣輻射傳輸模擬器和太赫茲波被動遙感冰云的反演方法等3個方面詳細介紹了太赫茲波被動遙感冰云的關(guān)鍵技術(shù),尤其是對已有太赫茲波輻射計的關(guān)鍵參數(shù)、太赫茲輻射傳輸模擬器的特點和不同反演方法的優(yōu)缺點進行了探討分析;最后,對太赫茲波被動遙感冰云技術(shù)進行了總結(jié)和展望,以期能為今后太赫茲波被動遙感冰云相關(guān)研究提供參考依據(jù)。 

【文章來源】：地球科學(xué)進展. 2020,35(12)北大核心

【文章頁數(shù)】：11 頁

【部分圖文】：

太赫茲波被動遙感反演冰云的主要流程

眾多學(xué)者對太赫茲波大氣傳輸過程開展了較多研究，并提出一些太赫茲波大氣傳輸正向模型。值得注意的是，所有包含云的大氣傳輸正向模型都必須以云層厚度、云內(nèi)粒子形態(tài)和粒子譜等特征參數(shù)為輸入，正向模型對這些參數(shù)復(fù)雜性的表達方式是影響正向模型計算結(jié)果準確性的重要因素。不同模型對氣體分子吸收、粒子散射及極化等的處理不完全相同，如Pardo等[50]提出ATM(Atmospheric Transmission at Microwaves）模型，適用于0～10 THz內(nèi)的輻射傳輸計算，其中共振吸收的逐線計算依據(jù)當(dāng)時的最新數(shù)據(jù)庫進行，碰撞線寬則來自實驗室公布的數(shù)據(jù)。對于遠翼吸收的處理引入干大氣的碰撞誘導(dǎo)吸收和水汽不透明性這2個不同的連續(xù)項。此外還考慮了相位色散，根據(jù)Kramers Kronig色散理論（與頻率相關(guān)的相位延遲函數(shù)與吸收線形有關(guān)）對延遲進行了建模。但該模型未考慮散射和偏振的影響，僅適用于晴空大氣的計算。Liebe等[51]提出MPM(Millimeter-wave Propagation Model）模型，可用于計算1 GHz～1 THz的大氣輻射傳輸，其中包括44條O2線和34條H2O線的局部線光譜以及1項水汽連續(xù)吸收項。此外增加了干潔大氣的非共振譜以及懸浮水滴、冰粒和降水的折射率表達式，但對于散射問題的處理過于簡化、忽略微量氣體光譜等問題使得其適用范圍有限。日本國家信息和通信技術(shù)研究所（National Institute of Information and Communication Technology,NICT）專門針對太赫茲波輻射仿真提出的AMATERASU(Advanced Model for Atmospheric Terahertz Radiation Analysis and Simulation）模型[52]，是在繼承Moliere[53]和SARTre[54]模型的基礎(chǔ)上改進而來，包括Moliere對計算分子吸收系數(shù)、權(quán)重函數(shù)、儀器線形應(yīng)用等模塊，以及SARTre中大氣粒子的光學(xué)特性和散射的模塊。目前該模型已經(jīng)修正了基于Moliere的吸收系數(shù)模塊，使頻率范圍覆蓋至亞毫米到近紅外區(qū)域，同時開發(fā)新的輻射傳輸模塊，可以處理不同類型的光學(xué)路徑和處于任意位置的接收器。但對于水平非均勻的大氣建模以及有云的情況，仍處于發(fā)展和完善階段。近年，Evans等[35]曾使用LBLRTM模型[55]計算分子吸收，用計算效率較高但更近似的混合Eddington二次近似/單散射輻射傳輸模型[56]模擬所需視角和飛機高度的SWCIR亮溫[33]，并用SHDOMPPDA[57]一維輻射傳輸模型模擬Co SSIR的亮溫，可對任意方向的粒子進行非極化的輻射傳輸計算。ARTS (Atmospheric Radiative Transfer Simulator）是一個高度模塊化、可擴展性強、普遍適用的綜合輻射傳輸器，可用于處理地氣系統(tǒng)從微波至熱紅外波段范圍內(nèi)輻射傳輸?shù)哪M和計算[58,59]。該模型氣體分子吸收采用逐線積分方法，可處理重疊吸收帶及非均勻大氣路徑的譜線吸收問題，同時加入Zeeman效應(yīng)和分子碰撞導(dǎo)致的吸收的計算。對云和氣溶膠等粒子的散射問題的處理是ARTS的顯著特征。其中單個粒子散射特性的計算采用Mie散射理論或T矩陣方法。對于粒子群的散射特性計算，提供了單一分散模型、伽馬分布、對數(shù)正態(tài)分布和MH模型等粒子尺寸分布模型。隨后采用離散坐標迭代法處理一維粒子散射、蒙特卡羅法處理三維粒子散射及多次散射問題。另外ARTS可通過計算Stokes矢量和相矩陣等描述輻射傳輸?shù)臉O化狀態(tài)。目前該輻射傳輸模式已成功應(yīng)用于Odin/SMR、MASTER與SOPRANO等探測器的正向模擬與反演系統(tǒng)[60]。Fox等[61]基于COSMICS和WINTEX-16兩次飛行試驗的ISMAR觀測數(shù)據(jù)，使用ARTS模型和冰云散射特性數(shù)據(jù)庫，驗證了325～664 GHz頻率時模型對冰云輻射傳輸模擬的準確性。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]水分再循環(huán)計算模型的研究進展及其展望[J]. 李修倉,姜彤,吳萍.  地球科學(xué)進展. 2020(10)
[2]THz波大氣探測儀器發(fā)展現(xiàn)狀研究[J]. 高太長,李書磊,劉磊,黃威.  紅外與激光工程. 2016(04)



本文編號：3050317