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基于多重查找表的太赫兹波段卷云微物理参数的反演方法

李书磊 刘磊 高太长 胡帅 黄威

基于多重查找表的太赫兹波段卷云微物理参数的反演方法

李书磊, 刘磊, 高太长, 胡帅, 黄威
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  • 太赫兹波长和典型卷云冰晶粒子尺度处于同一量级,是理论上遥感卷云微物理参数(粒子尺度和冰水路径)的最佳波段.结合183,325,462,664,874 GHz通道的辐射传输特性,通过通道亮温差、亮温差斜率等五个参数量化粒子尺度和冰水路径对太赫兹辐射光谱的影响,基于加权最小二乘法建立了多重查找表反演卷云微物理参数的方法,并通过模拟数据序列进行了理论反演误差分析.结果表明:多重查找表反演方法可实现粒子尺度50-500 m和冰水路径10-500 g/m2范围内卷云微物理参数稳定、有效的反演.与只采用亮温差特征或亮温差斜率特征相比,粒子尺度的反演误差分别降低了68.78%和60.28%,冰水路径的反演误差则分别降低了78.17%和49.01%.对反演结果进行不确定度分析表明,粒子尺度和冰水路径的不确定度与粒子尺度和冰水路径的大小相关,冰水路径的不确定度分布在0-15 g/m2范围内,粒子尺度的不确定度分布在0-20 m范围内.研究结果对于进一步发展太赫兹波被动遥感卷云技术、提高卷云参数的反演精度具有重要借鉴意义.
      通信作者: 刘磊, liuleidll@gmail.com
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:41575024)资助的课题.
    [1]

    Rossow W B, Schiffer R A 1991Bull.Am.Meteorol.Soc. 72 2

    [2]

    Parry M L, Canziani O F, Palutikof J P 2007Climate change 2007:Impacts, Adaptation and Vulnerability(Cambridge:Cambridge University Press) pp214-223

    [3]

    Heymsfield A J 2003J.Atmos.Sci. 60 2592

    [4]

    Davis C P, Evans K F, Buehler S A, Wu D L, Pumphrey H C 2006Atmos.Chem.Phys.Discuss. 6 12701

    [5]

    Mendrok J, Baron P, Yasuko K 2008Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XⅢ Cardiff, United Kingdom, September 15, 2008 p710704

    [6]

    Mendrok J, Wu D L, Stefan A B 2009Sensors, Systems and Next-generation Satellites XⅢBerlin, Germany, August 31, 2009 p74740T-1

    [7]

    Vanek M D, Nolt I G, Tappan N D, Peter A R, Gannaway F C, Hamilton P A, Lee C, Davis J E, Predko S 2001Appl.Opt. 40 2169

    [8]

    Evans K F, Walter S J, Heymsfield A J, Mcfarquhar G 2002J.Geophys.Res. 107 4028

    [9]

    Miao J, Johnsen K P, Buehler S A, Kokhanovsky A 2003Atmos.Chem.Phys. 3 39

    [10]

    Buehler S A, Jimnez C, Evans K F, Eriksson P, Rydberg B, Heymsfield A J, Stubenrauch C J, Lohmann U, Emde C, John V O, Sreerekha T R, Davis C P 2007Q.J.R.Meteorolog.Soc. 133 109

    [11]

    Zhao H B, Zheng C, Zhang Y F, Liang B, Ou N M, Miao J G 2014Prog.Electromagn.Res.M 35 183

    [12]

    Buehler S A, Defer E, Evans K F, Eliasson S, Mendrok J, Eriksson P, Lee C, Jimenez C, Prigent C, Crewell S, Kasai Y, Bennartz R, Gasiewski A J 2012Atmos.Meas.Tech. 5 1529

    [13]

    Moyna B, Lee C, Charlton J, Rule I, King R, Oldfield M, Kangas V 2010Twenty-First International Symposium on Space Terahertz Technology Oxford, UK, March 23, 2010 185

    [14]

    Evans K F, Stephens G L 1995J.Atmos.Sci. 52 2058

    [15]

    Evans K F, Walter S J, Heymsfield A J, Deeter M N 1998J.Appl.Meteor. 37 184

    [16]

    Jimnez C, Eriksson P, Murtagh D 2003J.Geophys.Res. 108 4791

    [17]

    Jimnez C, Buehler S A, Rydberg B, Eriksson P, Evans K F 2007Q.J.R.Meteorolog.Soc. 133 129

    [18]

    Evans K F, Walter S J, Heymsfield A J, McFarquhar G M 2002J.Geophys.Res. 107 4028

    [19]

    Evans K F, Wang J R, Racette P E, Heymsfield G, Li L H 2004J.Appl.Meteorol. 44 839

    [20]

    Evans K F, Wang J R, Starr D O, Heymsfield G, Li L H, Tian L, Lawson R P, Heymsfield A J, Bansemer A 2012Atmos.Meas.Tech. 5 2277

    [21]

    Li S L, Liu L, Gao T C, Huang W, Hu S 2016Acta Phys.Sin. 65 134102(in Chinese)[李书磊, 刘磊, 高太长, 黄威, 胡帅2016物理学报65 134102]

    [22]

    Liou K N (translated by Guo C L, Zhou S J)2004An Introduction to Atmospheric Radiation(2nd Ed.)(Beijing:China Meteorology Press) pp170-176(in Chinese)[廖国男著(郭彩丽, 周诗健译)2004大气辐射导论(北京:气象出版社)第170-176页]

    [23]

    Buehler S A, Eriksson P, Kuhna T 2005J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 91 65

    [24]

    Eriksson P, Buehler S A, Davis C P 2011J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 112 1551

    [25]

    Emde C, Buehler S A, Davis C, Eriksson P, Sreerekha T R, Teichmann C 2004J.Geophys.Res. 109 D24207

    [26]

    Anderson G P, Clough S A, Kneizys F X 1986AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0-120 km)(Hanscom Massachusetts:Optical Physics Division, Air Force Geophysics Laboratory) pp21-35

    [27]

    Hong G, Yang P, Baum B A, Heymsfield A J, Weng F Z, Liu Q H, Heygster G, Buehler S A 2009J.Geophys.Res. 114 D06201

    [28]

    Andrew J H, Aron B, Carl S 2004Am.Meteorol.Soc.61 982

    [29]

    Jeffrey L S, Julie A H, Andrew J H 2004Am.Meteorol.Soc.43 779

    [30]

    Baum B A, Heymsfield A J, Yang P, Bedka S T 2005J.Appl.Meteorol. 44 1885

    [31]

    Sheng P X, Mao J T, Li J G, Ge Z M, Zhang A C, Sang J G, Pan N X, Zhang H S 2013Atmospheric Physics(2nd Ed.)(Beijing:Peking University Press) pp304-305(in Chinese)[盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 葛正谟, 张霭琛, 桑建国, 潘乃先, 张宏升2013大气物理学第二版(北京:北京大学出版社)第304-305页]

    [32]

    Henken C, Lindstrot R, Preusker R, Fischer J 2014Atmos.Meas.Tech. 7 3873

    [33]

    Arnold C P 2009Cloud Property Retrievals Using ATSR-2Transfer of Status Report Trinity Term pp27-28

    [34]

    Bevington P R, Robinson D K 2002Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences(3rd Ed.)(New York:McGraw-Hill Education) pp36-46

  • [1]

    Rossow W B, Schiffer R A 1991Bull.Am.Meteorol.Soc. 72 2

    [2]

    Parry M L, Canziani O F, Palutikof J P 2007Climate change 2007:Impacts, Adaptation and Vulnerability(Cambridge:Cambridge University Press) pp214-223

    [3]

    Heymsfield A J 2003J.Atmos.Sci. 60 2592

    [4]

    Davis C P, Evans K F, Buehler S A, Wu D L, Pumphrey H C 2006Atmos.Chem.Phys.Discuss. 6 12701

    [5]

    Mendrok J, Baron P, Yasuko K 2008Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XⅢ Cardiff, United Kingdom, September 15, 2008 p710704

    [6]

    Mendrok J, Wu D L, Stefan A B 2009Sensors, Systems and Next-generation Satellites XⅢBerlin, Germany, August 31, 2009 p74740T-1

    [7]

    Vanek M D, Nolt I G, Tappan N D, Peter A R, Gannaway F C, Hamilton P A, Lee C, Davis J E, Predko S 2001Appl.Opt. 40 2169

    [8]

    Evans K F, Walter S J, Heymsfield A J, Mcfarquhar G 2002J.Geophys.Res. 107 4028

    [9]

    Miao J, Johnsen K P, Buehler S A, Kokhanovsky A 2003Atmos.Chem.Phys. 3 39

    [10]

    Buehler S A, Jimnez C, Evans K F, Eriksson P, Rydberg B, Heymsfield A J, Stubenrauch C J, Lohmann U, Emde C, John V O, Sreerekha T R, Davis C P 2007Q.J.R.Meteorolog.Soc. 133 109

    [11]

    Zhao H B, Zheng C, Zhang Y F, Liang B, Ou N M, Miao J G 2014Prog.Electromagn.Res.M 35 183

    [12]

    Buehler S A, Defer E, Evans K F, Eliasson S, Mendrok J, Eriksson P, Lee C, Jimenez C, Prigent C, Crewell S, Kasai Y, Bennartz R, Gasiewski A J 2012Atmos.Meas.Tech. 5 1529

    [13]

    Moyna B, Lee C, Charlton J, Rule I, King R, Oldfield M, Kangas V 2010Twenty-First International Symposium on Space Terahertz Technology Oxford, UK, March 23, 2010 185

    [14]

    Evans K F, Stephens G L 1995J.Atmos.Sci. 52 2058

    [15]

    Evans K F, Walter S J, Heymsfield A J, Deeter M N 1998J.Appl.Meteor. 37 184

    [16]

    Jimnez C, Eriksson P, Murtagh D 2003J.Geophys.Res. 108 4791

    [17]

    Jimnez C, Buehler S A, Rydberg B, Eriksson P, Evans K F 2007Q.J.R.Meteorolog.Soc. 133 129

    [18]

    Evans K F, Walter S J, Heymsfield A J, McFarquhar G M 2002J.Geophys.Res. 107 4028

    [19]

    Evans K F, Wang J R, Racette P E, Heymsfield G, Li L H 2004J.Appl.Meteorol. 44 839

    [20]

    Evans K F, Wang J R, Starr D O, Heymsfield G, Li L H, Tian L, Lawson R P, Heymsfield A J, Bansemer A 2012Atmos.Meas.Tech. 5 2277

    [21]

    Li S L, Liu L, Gao T C, Huang W, Hu S 2016Acta Phys.Sin. 65 134102(in Chinese)[李书磊, 刘磊, 高太长, 黄威, 胡帅2016物理学报65 134102]

    [22]

    Liou K N (translated by Guo C L, Zhou S J)2004An Introduction to Atmospheric Radiation(2nd Ed.)(Beijing:China Meteorology Press) pp170-176(in Chinese)[廖国男著(郭彩丽, 周诗健译)2004大气辐射导论(北京:气象出版社)第170-176页]

    [23]

    Buehler S A, Eriksson P, Kuhna T 2005J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 91 65

    [24]

    Eriksson P, Buehler S A, Davis C P 2011J.Quant.Spectrosc.Radiat.Transfer 112 1551

    [25]

    Emde C, Buehler S A, Davis C, Eriksson P, Sreerekha T R, Teichmann C 2004J.Geophys.Res. 109 D24207

    [26]

    Anderson G P, Clough S A, Kneizys F X 1986AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0-120 km)(Hanscom Massachusetts:Optical Physics Division, Air Force Geophysics Laboratory) pp21-35

    [27]

    Hong G, Yang P, Baum B A, Heymsfield A J, Weng F Z, Liu Q H, Heygster G, Buehler S A 2009J.Geophys.Res. 114 D06201

    [28]

    Andrew J H, Aron B, Carl S 2004Am.Meteorol.Soc.61 982

    [29]

    Jeffrey L S, Julie A H, Andrew J H 2004Am.Meteorol.Soc.43 779

    [30]

    Baum B A, Heymsfield A J, Yang P, Bedka S T 2005J.Appl.Meteorol. 44 1885

    [31]

    Sheng P X, Mao J T, Li J G, Ge Z M, Zhang A C, Sang J G, Pan N X, Zhang H S 2013Atmospheric Physics(2nd Ed.)(Beijing:Peking University Press) pp304-305(in Chinese)[盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 葛正谟, 张霭琛, 桑建国, 潘乃先, 张宏升2013大气物理学第二版(北京:北京大学出版社)第304-305页]

    [32]

    Henken C, Lindstrot R, Preusker R, Fischer J 2014Atmos.Meas.Tech. 7 3873

    [33]

    Arnold C P 2009Cloud Property Retrievals Using ATSR-2Transfer of Status Report Trinity Term pp27-28

    [34]

    Bevington P R, Robinson D K 2002Data Reduction and Error Analysis for the Physical Sciences(3rd Ed.)(New York:McGraw-Hill Education) pp36-46

  • [1] 张会云, 刘蒙, 尹贻恒, 吴志心, 申端龙, 张玉萍. 基于格林函数法研究金属线栅在太赫兹波段的散射特性. 物理学报, 2013, 62(19): 194207. doi: 10.7498/aps.62.194207
    [2] 吴群, 王玥, 贺训军, 殷景华, 施卫. 基于纳观域碳纳米管的太赫兹波天线研究. 物理学报, 2009, 58(2): 919-924. doi: 10.7498/aps.58.919
    [3] 傅佳辉, 王玥, 吴群, 王岩, 王东兴, 吴昱明, 李乐伟. 碳纳米管辐射太赫兹波的理论分析与数值验证. 物理学报, 2011, 60(5): 057801. doi: 10.7498/aps.60.057801
    [4] 陈伟, 郭立新, 李江挺, 淡荔. 时空非均匀等离子体鞘套中太赫兹波的传播特性. 物理学报, 2017, 66(8): 084102. doi: 10.7498/aps.66.084102
    [5] 张戎, 曹俊诚. 光子晶体对太赫兹波的调制特性研究. 物理学报, 2010, 59(6): 3924-3929. doi: 10.7498/aps.59.3924
    [6] 孙红起, 赵国忠, 张存林, 杨国桢. 不同中心波长飞秒脉冲激发InAs表面辐射太赫兹波的机理研究. 物理学报, 2008, 57(2): 790-795. doi: 10.7498/aps.57.790
    [7] 李忠洋, 姚建铨, 李俊, 邴丕彬, 徐德刚, 王鹏. 基于闪锌矿晶体中受激电磁耦子散射产生可调谐太赫兹波的理论研究. 物理学报, 2010, 59(9): 6237-6242. doi: 10.7498/aps.59.6237
    [8] 陆金星, 黄志明, 黄敬国, 王兵兵, 沈学民. 相位失配与材料吸收对利用GaSe差频产生太赫兹波功率影响的研究. 物理学报, 2011, 60(2): 024209. doi: 10.7498/aps.60.024209
    [9] 司黎明, 侯吉旋, 刘埇, 吕昕. 基于负微分电阻碳纳米管的太赫兹波有源超材料特性参数提取. 物理学报, 2013, 62(3): 037806. doi: 10.7498/aps.62.037806
    [10] 王磊, 肖芮文, 葛士军, 沈志雄, 吕鹏, 胡伟, 陆延青. 太赫兹液晶材料与器件研究进展. 物理学报, 2019, 68(8): 084205. doi: 10.7498/aps.68.20182275
    [11] 郑灵, 赵青, 刘述章, 邢晓俊. 太赫兹波在非磁化等离子体中的传输特性研究. 物理学报, 2012, 61(24): 245202. doi: 10.7498/aps.61.245202
    [12] 王玥, 王暄, 贺训军, 梅金硕, 陈明华, 殷景华, 雷清泉. 太赫兹波段表面等离子光子学研究进展. 物理学报, 2012, 61(13): 137301. doi: 10.7498/aps.61.137301
    [13] 孙丹丹, 陈智, 文岐业, 邱东鸿, 赖伟恩, 董凯, 赵碧辉, 张怀武. 二氧化钒薄膜低温制备及其太赫兹调制特性研究. 物理学报, 2013, 62(1): 017202. doi: 10.7498/aps.62.017202
    [14] 莫漫漫, 文岐业, 陈智, 杨青慧, 李胜, 荆玉兰, 张怀武. 基于圆台结构的超宽带极化不敏感太赫兹吸收器. 物理学报, 2013, 62(23): 237801. doi: 10.7498/aps.62.237801
    [15] 田伟, 文岐业, 陈智, 杨青慧, 荆玉兰, 张怀武. 硅基全光宽带太赫兹幅度调制器的研究. 物理学报, 2015, 64(2): 028401. doi: 10.7498/aps.64.028401
    [16] 张顺浓, 朱伟骅, 李炬赓, 金钻明, 戴晔, 张宗芝, 马国宏, 姚建铨. 铁磁异质结构中的超快自旋流调制实现相干太赫兹辐射. 物理学报, 2018, 67(19): 197202. doi: 10.7498/aps.67.20181178
    [17] 陈旭生, 李九生. 缺陷组合嵌入VO2薄膜结构的可调太赫兹吸收器. 物理学报, 2020, 69(2): 027801. doi: 10.7498/aps.69.20191511
    [18] 张玉萍, 张会云, 耿优福, 谭晓玲, 姚建铨. 太赫兹波在有限电导率金属空芯波导中的传输特性. 物理学报, 2009, 58(10): 7030-7033. doi: 10.7498/aps.58.7030
    [19] 徐德刚, 姚建铨, 刘 欢. 基于GaSe和ZnGeP2晶体差频产生可调谐太赫兹辐射的理论研究. 物理学报, 2008, 57(9): 5662-5669. doi: 10.7498/aps.57.5662
    [20] 李忠洋, 邴丕彬, 徐德刚, 曹小龙, 姚建铨. 级联参量振荡产生太赫兹辐射的理论研究. 物理学报, 2013, 62(8): 084212. doi: 10.7498/aps.62.084212
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-08-05
  • 修回日期:  2016-11-30
  • 刊出日期:  2017-03-05

基于多重查找表的太赫兹波段卷云微物理参数的反演方法

  • 1. 解放军理工大学气象海洋学院, 南京 211101
  • 通信作者: 刘磊, liuleidll@gmail.com
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号:41575024)资助的课题.

摘要: 太赫兹波长和典型卷云冰晶粒子尺度处于同一量级,是理论上遥感卷云微物理参数(粒子尺度和冰水路径)的最佳波段.结合183,325,462,664,874 GHz通道的辐射传输特性,通过通道亮温差、亮温差斜率等五个参数量化粒子尺度和冰水路径对太赫兹辐射光谱的影响,基于加权最小二乘法建立了多重查找表反演卷云微物理参数的方法,并通过模拟数据序列进行了理论反演误差分析.结果表明:多重查找表反演方法可实现粒子尺度50-500 m和冰水路径10-500 g/m2范围内卷云微物理参数稳定、有效的反演.与只采用亮温差特征或亮温差斜率特征相比,粒子尺度的反演误差分别降低了68.78%和60.28%,冰水路径的反演误差则分别降低了78.17%和49.01%.对反演结果进行不确定度分析表明,粒子尺度和冰水路径的不确定度与粒子尺度和冰水路径的大小相关,冰水路径的不确定度分布在0-15 g/m2范围内,粒子尺度的不确定度分布在0-20 m范围内.研究结果对于进一步发展太赫兹波被动遥感卷云技术、提高卷云参数的反演精度具有重要借鉴意义.

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