冰云太赫兹辐射特性研究和探测参数设计

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在大气中,冰晶粒子构成的大范围冰云对气候有着显著的影响,对冰云进行遥感探测已受到广泛关注。一方面,冰云吸收地球表面和云层下方大气的热红外辐射,导致气候变暖;另一方面,冰云将入射的太阳短波辐射反射到太空中,具有冷却效果。根据电磁波长与冰晶尺寸之间的散射特性研究发现,波长与冰云中的冰晶粒子尺寸越接近,其散射效应越显著。研究表明冰云中冰晶粒子尺寸主要集中在20-600um,相较于红外和可见光频段,太赫兹频段的探测仪器观测冰云具有独特优势。国外对于太赫兹冰云探测技术的研究已长达二十余载,针对太赫兹冰云散射特性已经开展了大量的机载试验和研究,并且建立了单散射特性数据库,而我国在冰云太赫兹辐射亮温特性方面的研究开展的很少。太赫兹冰云探测的前提是冰云的太赫兹辐射亮温特性,理解冰云参数如何影响太赫兹辐射传输过程,建立正确的粒子散射模型是计算冰云太赫兹辐射传输过程的关键。本文以大气辐射传输理论为基础,在DOTLRT大气辐射传输模式中使用Mie散射理论实现冰云参数雅可比矩阵计算,并对模拟计算的太赫兹冰云亮温及其雅可比矩阵进行了验证分析。然后,基于DOTLRT模式对冰云的太赫兹辐射亮温特性开展了深入研究,对冰云参数(Dme、IWP、IWC、GWP、GWC)、粒子尺寸分布函数等因素对冰云太赫兹辐射亮温的影响进行了定量分析。最后,从探测频率、观测角度等仪器参数角度分析了冰云探测对太赫兹辐射计载荷的指标需求。和真实观测亮温以及ARTS模式对比的研究表明,DOTLRT辐射传输模式在太赫兹频段对大气和冰云的辐射传输计算精度较高,能够满足冰云的太赫兹辐射亮温计算要求,并且能够实现冰云参数雅可比矩阵的快速计算。在太赫兹频段,冰、霰粒子与电磁波之间有明显的共振特征,183GHz水汽吸收频段具备探测冰云霰粒子参数和垂直廓线的能力,325GHz、448GHz水汽吸收频段和664GHz、874GHz窗区频段具备探测冰粒子参数和垂直廓线的能力,扫描方式选取圆锥扫描固定探测角度更为合适,探测角度在48~58°范围内都具有相对最好的探测灵敏度。
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