大气冰云中冰晶粒子取向的研究进展及应用现状分析

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2025.047

冰云是天气和气候系统中重要的组成部分，冰晶取向通过影响其散射特性，进而影响遥感反演和数值预报的准确性。随着冰云探测卫星计划的推进，精确量化冰晶取向的需求日益凸显。综述了国内外冰晶取向遥感探测的研究进展，系统回顾了主被动遥感技术在不同波段的应用，分析了各类遥感手段的探测机理及优劣势，特别强调了星载太赫兹辐射计的应用前景。尽管现有遥感技术在冰晶取向研究中展现出一定潜力，但受限于冰晶复杂性、观测能力和反演算法的制约，定量反演仍面临挑战。未来研究应聚焦于新型探测设备研发、冰晶散射特性精确计算、辐射传输理论优化以及多源遥感数据融合等方面。

关键词: 冰云, 非球形粒子, 粒子取向, 散射, 遥感

Ice clouds are a critical component of the Earth’s weather and climate systems. The orientation of ice crystals influences their scattering properties, thereby affecting the accuracy of remote sensing and numerical weather predictions. With the advancement of satellite programs dedicated to ice cloud observation, precise quantification of ice crystal orientation has become increasingly important. This review summarizes the research progress in remote sensing of ice crystal orientation. Both active and passive remote-sensing techniques have been systematically reviewed across various spectral bands. The detection mechanisms, advantages, and disadvantages of diverse remote sensing techniques were analyzed, with particular emphasis on the prospects of spaceborne terahertz radiometers. Although existing techniques have demonstrated some capacity for ice crystal orientation studies, quantitative retrieval remains challenging owing to ice crystal complexity, observational constraints, and limitations in retrieval algorithms. Future research should focus on developing novel detection instruments, improving the accuracy of ice crystal scattering property calculations, optimizing radiative transfer models, and synergistic integration of multi-source remote sensing datasets.

Key words: Ice clouds, Non-spherical crystal, Crystal orientation, Scattering, Remote sensing

中图分类号:

P412.25

图1 优先取向六边形板状冰晶的坐标系^［35］（a）实验室坐标系；（b）粒子坐标系；（c）描述粒子取向的欧拉角（

α

、

β

、

γ

）。

Fig. 1 Coordinate systems for preferentially oriented hexagonal plate ice crystals^［35］（a） Lab coordinate system；（b） Particle coordinate system；（c） Euler angles （

α

，

β

，

γ

） defining particle orientation.

图1 优先取向六边形板状冰晶的坐标系^［35］（a）实验室坐标系；（b）粒子坐标系；（c）描述粒子取向的欧拉角（

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）。

Fig. 1 Coordinate systems for preferentially oriented hexagonal plate ice crystals^［35］（a） Lab coordinate system；（b） Particle coordinate system；（c） Euler angles （

α

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） defining particle orientation.

图2 CALIOP观测的冰云层积分后向散射衰减与退偏振比^［54］（a）理论关系示意图；（b）最低点观测结果；（c）偏离最低点3°的观测结果。

Fig. 2 Layer-integrated attenuated backscatter and depolarization ratio observed by CALIOP in the presence of ice clouds^［54］（a） Schematic of theoretical relationship；（b） Nadir observation data；（c） 3° off-nadir observation data.

图3 全球微波成像仪观测的不同纬度带海洋区域166 GHz PD-TBV概率密度函数的峰值曲线^［28］

Fig. 3 The Probability Density Function （PDF） peak curves of 166 GHz PD-TBV over ocean regions in different latitude belts， obtained from the Global Microwave Imager （GMI）^［28］

表1 各类遥感技术在冰晶取向研究中的比较

Table 1 Comparison of remote sensing techniques in ice crystal orientation research

遥感技术	工作波段	冰晶取向探测原理	优势	局限性
激光雷达	紫外、可见光和近红外	高后向散射，低退偏振比	精度高，垂直分辨率高，对小粒子敏感	水平扫描范围有限，穿透能力弱，受大气衰减影响，仅适用于光学薄云
微波雷达	厘米波和毫米波	水平与准斜线性去极化比的差，或差分反射率和共极化相关系数的仰角依赖性	垂直分辨率高，对降水粒子敏感，穿透性强，可探测云内信息	水平扫描范围有限，对小粒子不敏感，毫米波雷达多为单极化测量，取向研究受限
被动光学遥感	可见光和红外	太阳闪光现象	对小粒子敏感，成本低，易于全球研究	空间分辨率低，易受天气条件影响，无法穿透厚云
被动微波和太赫兹遥感	毫米波和太赫兹	PD-TBV钟形曲线	毫米波：对降水粒子敏感；太赫兹波：对典型尺寸冰云粒子敏感。二者均具有穿透性强的特点，可全天候观测全球冰云	毫米波：易受地表和大气背景辐射影响；太赫兹波：数据获取和处理难度较高。二者均受到空间分辨率和垂直探测能力不足的限制

表1 各类遥感技术在冰晶取向研究中的比较

Table 1 Comparison of remote sensing techniques in ice crystal orientation research

遥感技术	工作波段	冰晶取向探测原理	优势	局限性
激光雷达	紫外、可见光和近红外	高后向散射，低退偏振比	精度高，垂直分辨率高，对小粒子敏感	水平扫描范围有限，穿透能力弱，受大气衰减影响，仅适用于光学薄云
微波雷达	厘米波和毫米波	水平与准斜线性去极化比的差，或差分反射率和共极化相关系数的仰角依赖性	垂直分辨率高，对降水粒子敏感，穿透性强，可探测云内信息	水平扫描范围有限，对小粒子不敏感，毫米波雷达多为单极化测量，取向研究受限
被动光学遥感	可见光和红外	太阳闪光现象	对小粒子敏感，成本低，易于全球研究	空间分辨率低，易受天气条件影响，无法穿透厚云
被动微波和太赫兹遥感	毫米波和太赫兹	PD-TBV钟形曲线	毫米波：对降水粒子敏感；太赫兹波：对典型尺寸冰云粒子敏感。二者均具有穿透性强的特点，可全天候观测全球冰云	毫米波：易受地表和大气背景辐射影响；太赫兹波：数据获取和处理难度较高。二者均受到空间分辨率和垂直探测能力不足的限制

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