地球科学进展, 2020, 35(12): 1211-1221 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.103

综述与评述

太赫兹波被动遥感冰云研究现状及进展

刘磊,1,2, 翁陈思3, 李书磊1,2, 胡帅1,2, 叶进1, 窦芳丽4, 商建4

1.国防科技大学气象海洋学院,湖南 长沙 410073

2.电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏 南京 211101

3.61287部队,四川 成都 610036

4.国家卫星气象中心,北京 100081

Review of Terahertz Passive Remote Sensing of Ice Clouds

Liu Lei,1,2, Weng Chensi3, Li Shulei1,2, Hu Shuai1,2, Ye Jin1, Dou Fangli4, Shang Jian4

1.College of Meteorology and Oceanography,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China

2.National Key Laboratory on Electromagnetic Environment and Electro-optical Engineering,Nanjing 211101,China

3.Unit No. 61287 of PLA,Chengdu 610036,China

4.National Satellite Meteorological Center,Beijing 100081,China

收稿日期: 2020-09-27   修回日期: 2020-10-28   网络出版日期: 2021-02-09

基金资助: 国家自然科学基金面上项目“利用远红外—太赫兹波高光谱辐射反演冰云微物理参数.  41875025
“十三五”民用航天项目资助

Received: 2020-09-27   Revised: 2020-10-28   Online: 2021-02-09

作者简介 About authors

刘磊(1983-),男,山东日照人,副教授,主要从事大气物理学与大气环境研究.E-mail:liuleidll@gmail.com

LiuLei(1983-),male,RizhaoCity,ShandongProvince,Associateprofessor.Researchareasincludeatmosphericphysicsandtheatmosphericenvironment.E-mail:liuleidll@gmail.com

摘要

太赫兹波(频率0.1~10 THz,波长3 mm~30 μm)位于微波与红外波段之间,其波长与典型冰云粒子尺度处于同一量级,是理论上遥感冰云微物理参数的最佳波段,利用该波段进行冰云探测已成为重要的前沿领域和研究热点。首先,概述了太赫兹波被动遥感冰云微物理参数的基本原理;然后,从太赫兹波冰云探测仪器、太赫兹波段大气辐射传输模拟器和太赫兹波被动遥感冰云的反演方法等3个方面详细介绍了太赫兹波被动遥感冰云的关键技术,尤其是对已有太赫兹波辐射计的关键参数、太赫兹辐射传输模拟器的特点和不同反演方法的优缺点进行了探讨分析;最后,对太赫兹波被动遥感冰云技术进行了总结和展望,以期能为今后太赫兹波被动遥感冰云相关研究提供参考依据。

关键词: 太赫兹波 ; 冰云反演 ; 被动遥感

Abstract

The frequency of terahertz wave is in the range of 0.1~10 THz (wavelength 3 mm~30 μm), which is located between the microwave and infrared bands. Its wavelength is similar to the size of typical ice cloud particles, and it has great potential in ice cloud remote sensing. Terahertz region is expected to have a promising prospect concerning measuring cirrus microphysical parameters, which has broad application prospects and application values for Terahertz wave passive remote sensing of ice clouds. Firstly, the basic principle of terahertz remote sensing of ice clouds was summarized. Then, the key technologies were introduced in detail from three aspects, including the measurement instrument, the forward radiative transfer model and the inversion method of the terahertz remote sensing of ice clouds. In particular, the key parameters of the existing terahertz radiometers, the characteristics of terahertz radiative transfer simulators and the advantages and disadvantages of different inversion methods were discussed and analyzed. Finally, the summary and prospect of the terahertz remote sensing of ice clouds were proposed, in order to provide a reference for the future research of terahertz wave passive remote sensing of ice clouds.

Keywords: Terahertz wave ; Ice cloud Inversion ; Passive remote sensing

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本文引用格式

刘磊, 翁陈思, 李书磊, 胡帅, 叶进, 窦芳丽, 商建. 太赫兹波被动遥感冰云研究现状及进展. 地球科学进展[J], 2020, 35(12): 1211-1221 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.103

Liu Lei, Weng Chensi, Li Shulei, Hu Shuai, Ye Jin, Dou Fangli, Shang Jian. Review of Terahertz Passive Remote Sensing of Ice Clouds. Advances in Earth Science[J], 2020, 35(12): 1211-1221 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.103

1 引 言

冰云主要由形状各异的冰晶粒子组成,一般处于平流层下部与对流层上部之间,并且分布非常广泛,水平范围从几公里到上千公里,平均覆盖了地球上空的20%~50%1。冰云对气候模式和数值天气预报具有重要影响,在地气系统的辐射平衡中扮演着相当重要的角色,对地气系统辐射收支平衡起调节和控制作用2。一方面冰云通过散射或吸收太阳短波辐射,减少到达地面的太阳辐射而致使地气系统降温(反照率效应);另一方面冰云通过吸收地表和大气发射的长波辐射,致使地气系统增温(温室效应)。冰云的高度、粒子形状、粒子尺度和光学厚度等参数决定了这两种效应的相对强弱,进而决定辐射能量的再分配3。同时,冰云微物理参数及其在不同时空尺度上的变化对于各种尺度的天气系统有着深刻的影响。

目前来看,冰云微物理参数的测量水平仍不能满足模式及预报的要求。一方面可供使用的全球高质量测量数据有限45。另一方面,公开的数据集或再分析集之间也存在显著差异6。现有获取冰云特性参数的主要方法为原位测量和遥感。原位测量主要是在空基平台上安装传感器探头并飞入云内进行采样,由于代价昂贵且探测范围有限,因此一般作为各种遥感手段的验证方法使用。遥感又包括利用激光雷达和毫米波雷达等主动遥感手段(如CALIPSO、CloudSat卫星等)以及利用可见光、红外和微波辐射计等被动遥感手段(如MODIS卫星等)。主动遥感技术能够以较高的垂直分辨率探测整个云层,但只对卫星星下点的大气进行采样,空间覆盖范围非常有限7。被动遥感测量范围大,但无法获得云体内部廓线等细节信息。从探测波段而言,可见光和红外探测穿透性弱,其结果仅能反映冰云顶部的粒子信息,并且由于波长较短,其仅对冰云中的小尺度粒子较为敏感;现有微波探测能够深入云层,但频率主要在190 GHz以下,主要表征大粒子的特征8。冰云所处的位置、复杂的产生机制等特点都给其观测带来了较大困难,目前所使用的观测手段存在不小的观测误差,而这些观测误差很大程度上导致了冰云辐射强迫效应的不确定性。

由于太赫兹波波长与典型冰云粒子尺度在同一量级,所以其受到冰云粒子较强的散射作用,在冰云参数遥感反演方面具有巨大的应用潜力9~12,并逐渐受到重视。美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)、欧洲航天局(European Space Agency,ESA)、欧洲气象卫星应用组织(European Organisation for the Exploitation of Meteorological Satellites,EUMETSAT)、日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)等纷纷发布了星载太赫兹遥感冰云的载荷计划,并进行了大量的前期研究,包括理论方法的创新和机载载荷的验证等。我国在“十三五”期间也系统开展了太赫兹冰云探测仪等预研工作,并提出了下一代风云气象卫星将搭载太赫兹冰云辐射计的计划,致力于提高冰云微物理参数的准确测量能力。

论文首先介绍了太赫兹波被动遥感冰云微物理参数的理论基础,然后详细总结了太赫兹波被动遥感冰云参数的关键技术,包括冰云探测仪器、辐射传输模型和反演方法等,最后对太赫兹波被动遥感冰云技术进行了总结和展望。

2 太赫兹被动遥感反演冰云的理论基础

太赫兹波是指频率在0.1~10 THz(波长3 mm~30 μm)范围内的电磁波,该波段位于微波与红外波段之间,是电子学向光子学、宏观经典理论向微观量子理论过渡的区域13。太赫兹波具有较好的背景噪声抑制能力、良好的时空相干性、超低的光子能量以及较强的穿透能力等特点,使其在大气探测领域具有重大的研究价值和广阔的应用前景,包括遥感水汽廓线、温度廓线和微量气体成分等14。其中利用太赫兹波进行冰云参数的遥感尤其受到重视,将可能弥补可见光、红外波段和毫米波段反演冰云参数的不足。

太赫兹波被动遥感冰云主要是基于星载或机载向下观测方式,或应用在高原或极地等水汽含量较少的大气环境的地基向上观测方式。基本原理主要是利用冰云的辐射效应,将冰云的粒子尺度和冰水路径等参数表征为大气辐射光谱的变化特征。其中,星载观测方式利用冰云对低层较暖大气(通常为对流层低层中的水汽)向上发射的太赫兹辐射的散射作用,导致机载或星载太赫兹辐射计接收到的亮温降低9。不同频率的亮温衰减大小取决于冰云参数,如冰水路径和粒子尺度分布等,根据参数的不同亮温差,相应可从几K到几十K。基于上述辐射计测量的信号,利用一定的反演方法可以实现冰云微物理参数的反演。

Evans等15通过数值模拟验证了太赫兹波遥感冰云参数的优势,并针对亚毫米波被动遥感冰云微物理参数的方法进行了理论研究,结果表明亚毫米波对半径10~1 000 μm的冰晶粒子敏感,并基于研究结果提出部分可用通道,但该模型并未对冰晶粒子的非球形形状造成的误差进行评估。李书磊等16分析了晴空和有云条件下大气层顶太赫兹辐射亮温差值的特点,并定量计算了卷云参数对太赫兹辐射的敏感系数,表明太赫兹波对卷云的粒子尺度和冰水路径具有较高的敏感性,并发现在对数坐标下,冰水路径和亮温差近似呈线性关系。Grützun等17对不同通道频率进行信息容量分析,结果发现183.31 GHz以上的高频通道含有较高的冰水凝物信息容量,如冰云和雪,尤其可以获得大量冰云的微物理特性信息。近年来,一些学者1819研究了太赫兹波段超光谱传感器的探测潜力,发现通过使用超光谱传感器可以显著增加水凝物的信息含量。另外,Gong等20利用全球降水测量GPM微波成像仪GMI的89 GHz和166 GHz通道、TC-4试验期间亚毫米波成像辐射计CoSSIR的640 GHz通道探测到的数据,发现冰云粒子的散射是高度极化的,冰云粒子的形状和取向不同,垂直极化和水平极化的体积散射系数不同,极化差和垂直极化亮温存在通用的“钟形曲线”关系。

合理选择太赫兹波辐射计的工作频率、极化方式和观测角等可更好地建立太赫兹波辐射计亮温与目标反演参数之间的关系。一般选取吸收线为中心频率,一方面可尽量减小地表、低层大气以及其他吸收气体对亮温的影响;另一方面在距气体吸收线中心不同距离处设置多个边频带可以反演云层高度,以较小的代价获得不同高度的冰云信息。同时,大气窗区通道的晴空和冰云场景亮温差异明显,利用窗区可获取与吸收线不同的冰云信息。

太赫兹波在被动遥感反演冰云特性方面具有巨大潜力,但该技术仍是一个较为复杂的问题。其主要流程如图1所示,主要包括探测仪器探测到亮温,利用正演辐射传输模式模拟亮温,再采用遥感反演方法得到冰云特性参数。下文将详细介绍3个方面的关键技术:太赫兹波被动遥感冰云的探测仪器、太赫兹波大气正演辐射传输模型以及太赫兹波被动遥感冰云反演方法。

图1

图1   太赫兹波被动遥感反演冰云的主要流程

Fig.1   Process for terahertz passive remote sensing of ice clouds


3 太赫兹被动遥感反演冰云的关键技术

3.1 太赫兹波被动遥感冰云的探测仪器

太赫兹频段的大气遥感仪器可以为探测地球大气信息提供全新的视角,在大气科学领域具有良好的应用前景,高太长等21分别从星载、机载和球载平台的太赫兹波段大气遥感载荷的发展历程做出了系统介绍。用于被动遥感大气参数的太赫兹波探测仪器主要是太赫兹辐射计,可以通过其获得的太赫兹波辐射能量反演得到大气的物理特性。其本质上是一个高灵敏度、高稳定度的接收机,输入信号经过天线接收、接收机放大、滤波、功率检波后最终输出。其主要性能参数包括工作频率和带宽、测温灵敏度、测温精度和空间分辨率等。目前太赫兹辐射计技术已应用于临边探测22,可提供大气温湿廓线、微量气体成分以及对流层顶部冰云的特征信息,如UARS/MLS、AURA/MLS和SMILES等23。此外,美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration,NOAA)应用地基亚毫米波辐射计开展极地观测试验,包括183、340以及380 GHz附近的11个亚毫米波通道,以观测可降水量(Precipitable Water Vapor,PWV)、液态水路径(Liquid Water Path,LWP)以及温湿廓线2425

美国和欧洲等相继提出发展星载太赫兹波被动遥感冰云参数的计划,如SIRICE、GOMAS、CloudIce、IceCube和ICI等2627,太赫兹波测云辐射计将是下一代气象卫星的重要载荷。美国NASA于2017年5月发射883 GHz实验性微纳卫星载荷IceCube,并于6月6日开始对全球冰云进行观测。截至7月17日,IceCube冰云辐射计获得的观测数据制作出第一张全球883 GHz的冰云冰水路径云图。其核心射频接收机由偏置抛物线反射器、混频器、稳定振荡器、射频倍增链、中频链、视频放大器和检测器组成。辐射计的基本参数如表1所示。此外,为了简化系统设计和降低任务风险,IceCube取消了微波辐射计用于辐射定标和大气观测的传统扫描镜机制。取而代之的是,利用旋转获得冷空间和地球大气层之间的周期性扫描提供其所需的背景校准,以跟踪接收器的热变化和时间变化,得出仪器的增益/灵敏度等。尽管原计划演示验证期限为28天,但实际载荷寿命持续了约17个月。IceCube在运行期间也遇到了一些问题,包括仪器噪声变化较大,下行和定轨期间两行轨道根数(Two-Line Elements,TLEs)数据不准确。但IceCube项目成功验证了883 GHz通道用于冰云观测的可行性和先进性,试验了载荷的热力环境和动态环境。

表1   IceCube冰云辐射计载荷的基本参数表

Table 1  Parameter information of IceCube radiometer

参数参数值
通道频率(883±12) GHz
极化特征V
NEDT0.25 K
定标源内部定标
3 dB带宽6~12 GHz
中频增益30~40 dB
质量≤1.3 kg

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由美国科罗拉多州立大学牵头在研的微纳卫星载荷TWICE(Tropospheric Water and cloud ICE)冰云成像仪,主要目标针对对流层上层水汽和冰云进行观测2829。其中冰云粒子的可观测尺度为25 μm~1 mm,采用圆锥扫描方式,频率覆盖118~183、230~390和660~680 GHz,入射角为53°。采用天线口面周期两点定标,幅宽可达650 km,轨道高度400 km,重量12 kg,尺寸36 cm×23 cm×10 cm。其通道参数如表2所示。

表2   TWICE冰云成像仪的通道参数

Table 2  Fundamental parameters of TWICE channels

通道中心频率/GHz偏置频率/GHz带宽/GHz
118.75±1.100.4
118.75±1.500.4
118.75±2.100.8
118.75±5.002.0
183.31±1.000.5
183.31±3.001.0
183.31±6.601.5
243.20±2.503.0
310.00±2.503.0
380.20±0.750.7
380.20±1.801.0
380.20±3.351.7
380.20±6.203.6
664.00±4.204.0

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欧洲航天局和欧洲气象卫星应用组织设计的第二代极轨气象业务卫星MetOp-SGB将搭载冰云成像仪ICI(Ice Cloud Imager),预计于2023年发射,2023—2043年对全球大气提供持续的观测,并协同毫米波成像仪提供全球冰云的物理特征信息。通道覆盖183~664 GHz的频率范围内5个中心频率的11个通道,其中(243.20±2.50) GHz和(664.00±4.20) GHz通道采用双极化探测,通道的参数配置如表3所示。ICI由包含主反射面天线、馈源组件和接收电子器件的旋转部分和包含热定标体、冷空反射镜和控制电子设备的固定部分组成,有望成为第一个专门用于冰云探测的多通道太赫兹波星载天底探测传感器,支持气候监测和冰云模型验证,以及天气和气候模型中冰云参数化30

表3   ICI冰云成像仪的通道参数

Table 3  Fundamental parameters of ICI channels

通道中心频率/GHz通道设置/GHz中频带宽/GHzNEDT/K
183183.31±1.51.40.6
183.31±3.52.00.5
183.31±7.03.00.4
243243.20±2.53.00.5
325325.15±1.51.61.0
325.15±3.52.40.8
325.15±9.53.00.7
448448.00±1.41.21.9
448.00±3.02.01.4
448.00±7.23.01.2
664664.00±4.25.01.5

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由于星载仪器涉及到空间轨道角度和重复使用等技术问题,一般首先以机载方式对仪器进行验证性测试,然后再搭载在卫星上使用。1992年NASA研制的机载六通道全功率微波成像辐射计MIR(Millimeter-wave Imaging Radiometer),采用交叉轨道扫描方式,半波束宽度为3.5°,通道频率为89、150、183和220 GHz,随后增加340 GHz通道,以提高MIR探测卷云粒子的敏感性31。1998年研制的机载傅氏变换光谱仪FIRSC主要用于探测地球红外至亚毫米波段的辐射。包括1个机载快速扫描高分辨率的傅氏变换光谱仪和灵敏双通道探测器,以及1个CCD相机实时记录每次扫描的天底云图像。通道1起初为10~70 cm-1(300~21 000 GHz),1999年变为10~35 cm-1(300~10 500 GHz);通道2为80~135 cm-1(2 400~4 050 GHz),于2000年AFWEX试验中进行飞行测试32。2000年研制的亚毫米波冰云辐射计SWCIR(Submillimeter-Wave Cloud Ice Radiometer)搭载于DC-8飞机上,包含183.31、325.15、448.00和642.86 GHz的4个中心频率的10个通道,探测器使用平面肖特基管混频器和倍增耿氏二极管本振,其中643 GHz通道接收机采用了室温肖特基管混频器33

另外,NASA研制的新型被动亚毫米波全功率成像辐射计CoSSIR(Compact Scanning Submillimeter-wave Imaging Radiometer)分别于2002年、2006年和2007年在CRYSTAL-FACE、CR-AVE和TC-4试验中进行飞行测试34,工作频段为183~874 GHz。2002年飞行测试时在183、220、380、487(垂直和水平极化)和640 GHz附近共15个通道,以4°的波束宽度作两轴圆锥扫描或交叉轨道扫描。2006年经改进后共进行3次飞行测试,对冰云进行极化测量。2007年飞行测试时对探测通道进行优化,在183、220、380、640(垂直和水平极化)和874 GHz附近共11个通道,以4°的波束宽度作圆锥扫描。结果表明,640 GHz的双极化通道可遥感冰云粒子形状,183和380 GHz通道可用于反演水汽廓线,新增的874 GHz通道增加了对较小冰云粒子的敏感性35

ESA和Met Office共同研制出最新的亚毫米波机载辐射计ISMAR(International Submillimetre Airborne Radiometer)作为星载太赫兹辐射计ICI的验证仪器36。ISMAR为15通道外差式接收机,定标采用RAL实验室设计的双黑体实时定标技术,分别于2014年、2015年和2016年在STICCS、COSMICS和WINTEX-16试验中进行飞行测试,可测量118到664 GHz的几个频率通道,随后增加874 GHz通道。测试数据表明,当天顶角为0°时,所有通道的测量误差保持在1 K以内。造成误差的最大原因为定标误差,除644 GHz通道外,其余通道的噪声等效温差保持在2 K以内。辐射传输模式闭合试验的结果表明,测量数据与模拟数据吻合度较高,且已通过IceCube星载载荷验证了883 GHz通道的有效性37表4列举出机载太赫兹冰云辐射计的通道信息。

表4   CoSSIRISMAR机载太赫兹波测云仪通道参数

Table 4  Channel information of airborne terahertz cloud sensors CoSSIR and ISMAR

载荷通道中心频率/GHz偏置频率/GHz极化特性
CoSSIR183.31±1.0H
±3.0
±6.6
220.00±2.5H
380.20±0.8H
±1.8
±3.3
±6.2
487.25±0.8V&H
±1.2
±3.3
640.00±2.5V&H
873.60H
ISMAR118.75±1.1V
±1.5
±2.1
±3.0
±5.0
243.20±2.5V&H
325.15±1.5V
±3.5
±9.5
424.70±1.0V
±1.5
±4.0
448.00±1.4V
±3.0
±7.2
664.00±4.2V&H
874.40±6.0V&H

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3.2 太赫兹波大气传输正演辐射传输模型

太赫兹波在大气中传输的过程包括大气发射和衰减等基本过程,其中大气衰减主要为气体分子吸收和粒子散射。太赫兹波被动遥感反演冰云技术的主要原理就是利用冰云粒子对低层上行辐射的散射作用,而科学准确的太赫兹波大气传输的正向模型是开展太赫兹波被动遥感反演冰云特性参数的基础。正向辐射传输模型的主要结构如图2所示。

图2

图2   太赫兹波大气传输正向模型的基本结构

Fig.2   Structure of terahertz forward radiative transfer model


大气中辐射传输的基本物理过程可用辐射传输方程来表示,再利用离散纵坐标或蒙特卡罗等数值方法进行求解。由于太赫兹波段波长相对较短,因此在模拟计算亮温时,Rayleigh-Jeans近似不再适用,这也是与微波波段辐射传输计算的不同之处。其中,气体吸收数据库主要有法国气象动力学实验室1974年开始创建的GEISA数据库38和美国空军剑桥研究实验室1960年开始创建的HITRAN数据库39。对于大气衰减中的气体分子吸收,可用逐线积分法、相关k分布法和谱带模式计算,其中最精确的计算方法是逐线积分法,即计算大气层中所有分子对谱线的贡献,需要谱线的特征,如谱线中心、谱线强度、谱线能量、谱线宽度和谱线形状等。针对水汽、氧气、氮气和二氧化碳等气体的连续吸收项的计算,通常需采用国际上公认精度较高的模型,如CKD、CKDMT、PWR98和CP98等。另外可采用插值的方法提高计算效率,即称为拟合数据库法。对于大气衰减中的粒子散射,太赫兹波被动遥感反演冰云需要冰云粒子的单散射特性,主要包括消光效率因子、单散射反照率和散射相矩阵等。单散射特性的计算方法有Mie理论法、T矩阵法、有限差分时域法FDTD、几何光学近似法GOA和离散偶极子近似法DDA等。目前已存在的太赫兹波段不同形状冰云粒子的散射特性库主要包括Liu40、Hong等41、Nowell等42以及ARTS团队43开发的数据库等,其各自适宜频率f、粒子最大尺度Dmax的特点如表5所列。国防科技大学气象海洋学院胡帅等也自主研制了PSTD4445、MRTD46~48、不变嵌入T矩阵法49及射线追踪技术与电磁等效原理相结合几何光学近似模型,实现了覆盖瑞利散射区间至几何光学区间的粒子散射参数计算,初步构建了太赫兹波段相应的粒子散射特性库。

表5   典型冰云粒子太赫兹波散射特性库

Table 5  Typical terahertz wave scattering properties databases of ice cloud particles

数据库频率/GHzDmax/μm
Liu(2008)3.00~340.0050~12 454
Hong(2009)90.00~874.002~2 000
Nowell(2013)10.65~183.31200~12 584
ARTS(2017)1.00~886.0010~2 000

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众多学者对太赫兹波大气传输过程开展了较多研究,并提出一些太赫兹波大气传输正向模型。值得注意的是,所有包含云的大气传输正向模型都必须以云层厚度、云内粒子形态和粒子谱等特征参数为输入,正向模型对这些参数复杂性的表达方式是影响正向模型计算结果准确性的重要因素。不同模型对气体分子吸收、粒子散射及极化等的处理不完全相同,如Pardo等50提出ATM(Atmospheric Transmission at Microwaves)模型,适用于0~10 THz内的辐射传输计算,其中共振吸收的逐线计算依据当时的最新数据库进行,碰撞线宽则来自实验室公布的数据。对于远翼吸收的处理引入干大气的碰撞诱导吸收和水汽不透明性这2个不同的连续项。此外还考虑了相位色散,根据Kramers Kronig色散理论(与频率相关的相位延迟函数与吸收线形有关)对延迟进行了建模。但该模型未考虑散射和偏振的影响,仅适用于晴空大气的计算。Liebe等51提出MPM(Millimeter-wave Propagation Model)模型,可用于计算1 GHz~1 THz的大气辐射传输,其中包括44条O2线和34条H2O线的局部线光谱以及1项水汽连续吸收项。此外增加了干洁大气的非共振谱以及悬浮水滴、冰粒和降水的折射率表达式,但对于散射问题的处理过于简化、忽略微量气体光谱等问题使得其适用范围有限。日本国家信息和通信技术研究所(National Institute of Information and Communication Technology,NICT)专门针对太赫兹波辐射仿真提出的AMATERASU(Advanced Model for Atmospheric Terahertz Radiation Analysis and Simulation)模型52,是在继承Moliere53和SARTre54模型的基础上改进而来,包括Moliere对计算分子吸收系数、权重函数、仪器线形应用等模块,以及SARTre中大气粒子的光学特性和散射的模块。目前该模型已经修正了基于Moliere的吸收系数模块,使频率范围覆盖至亚毫米到近红外区域,同时开发新的辐射传输模块,可以处理不同类型的光学路径和处于任意位置的接收器。但对于水平非均匀的大气建模以及有云的情况,仍处于发展和完善阶段。

近年,Evans等35曾使用LBLRTM模型55计算分子吸收,用计算效率较高但更近似的混合Eddington二次近似/单散射辐射传输模型56模拟所需视角和飞机高度的SWCIR亮温33,并用SHDOMPPDA57一维辐射传输模型模拟CoSSIR的亮温,可对任意方向的粒子进行非极化的辐射传输计算。ARTS(Atmospheric Radiative Transfer Simulator)是一个高度模块化、可扩展性强、普遍适用的综合辐射传输器,可用于处理地气系统从微波至热红外波段范围内辐射传输的模拟和计算5859。该模型气体分子吸收采用逐线积分方法,可处理重叠吸收带及非均匀大气路径的谱线吸收问题,同时加入Zeeman效应和分子碰撞导致的吸收的计算。对云和气溶胶等粒子的散射问题的处理是ARTS的显著特征。其中单个粒子散射特性的计算采用Mie散射理论或T矩阵方法。对于粒子群的散射特性计算,提供了单一分散模型、伽马分布、对数正态分布和MH模型等粒子尺寸分布模型。随后采用离散坐标迭代法处理一维粒子散射、蒙特卡罗法处理三维粒子散射及多次散射问题。另外ARTS可通过计算Stokes矢量和相矩阵等描述辐射传输的极化状态。目前该辐射传输模式已成功应用于 Odin/SMR、MASTER与SOPRANO等探测器的正向模拟与反演系统60。Fox等61基于COSMICS和WINTEX-16两次飞行试验的ISMAR观测数据,使用ARTS模型和冰云散射特性数据库,验证了325~664 GHz频率时模型对冰云辐射传输模拟的准确性。

3.3 太赫兹波被动遥感冰云的反演方法

利用太赫兹辐射反演冰云参数可以看做是一个不适定的问题。目前相关学者提出了多种反演方案,如查找表法、神经网络法和贝叶斯蒙特卡洛积分法等。

Liu等62和Deeter等63建立了150和220 GHz双通道查找表法反演冰云冰水路径和粒子尺度的方法,并以TOGA-COARE试验期间的数据进行了验证。同时指出,水云对反演结果存在影响,提出针对不同云类型进行分类,建立相适应的反演方法。李书磊等64基于不同通道亮温差、亮温差斜率等特征参数,进行插值、归一化等优化过程,最终建立粒子尺度和冰水路径的二维多重查找表,采用逐步搜索法进行遍历求解反演,并定量分析了地表反射率、大气廓线、中低层水云对反演误差的影响65。此方法对频率通道和特征参数的筛选要求较高。

神经网络反演算法以神经元作为基本处理单元,通过学习训练神经网络各层的传输函数和输入输出,得到各个神经元间最适当的加权函数,从而建立一个非线性的数值模型。Jiménez等966建立了神经网络反演冰云特性参数的方法,通过大量样本训练,调整权重函数,建立输入与输出的非线性关系。最近,Brath等67对COSMICS中FAAM-B897飞行试验BAe-146飞机上搭载的ISMAR机载实测亮温数据,采用神经网络方法反演海洋上空的水凝物信息,反演结果与模式模拟结果具有一致性。

Evans等10提出基于贝叶斯理论的双通道反演方法,规避通道的相关性给反演带来的不适定问题。但过分依赖先验信息的假定,以及亮温差值与冰水路径线性关系的假设。随后又针对CoSSIR仪器建立了基于贝叶斯理论的蒙特卡洛积分法,并对CRYSTAL-FACE和TC-4中ER-2飞机上搭载的CoSSIR机载数据进行反演3435,也有使用Odin-SMR和Aura-MLS卫星临边探测辐射计的星载数据进行冰云的反演68~70。此方法从概率统计的观点出发,先验信息以多维概率密度的形式描述,反演参数也不是简单地看作某个未知的确定参量,而是视为某一概率分布,利用后验概率分布来预测和评价反演结果,其中通过蒙特卡洛积分解决反演过程中的不适定性问题,即对反演数据库中的待反演参数进行遍历积分,以提供参数估计的同时计算出反演的不确定度。Liu等27将优化过程融合在贝叶斯蒙特卡洛理论框架下,提出了针对冰水含量的集合优化反演算法,由概率分布估计和概率分布采样两部分组成,算法在迭代过程中不需要使用梯度信息,可有效减小代价函数。

另外,也有学者提出,使用最优估计和马尔可夫链蒙特卡洛反演方法35。最优估计理论通常是基于Rodgers于2000年提出的方法进行云参数反演7172,一般是基于高斯牛顿非线性迭代方法。尽管最优估计理论方法先验概率分布和条件概率分布都是相对简单的高斯分布,然而最优估计理论应用较少。其通常假设先验概率分布的协方差矩阵为对角矩阵,忽略了变量之间相互关联的信息。另外,最优估计理论由于循环迭代,计算效率比较低。马尔可夫链蒙特卡洛反演方法同样也不适用于大数据量的反演。最近,Weng等73重点针对冰水路径这一冰云参数,通过多个通道的组合以消除粒子尺度以及云高因素对亮温差的大部分影响,在缺乏冰云先验物理信息的条件下,采用多通道线性回归方法直接实现冰水路径的反演,此方法相对而言更加简单高效。

太赫兹波被动遥感冰水路径的反演方法中,神经网络法和贝叶斯反演方法最为常用,其中贝叶斯反演方法可以直接给出反演不确定度。二者相同之处为都需先构建反演先验数据库,反演精度严重依赖于先验信息廓线库的信息量,因此首要的关键技术问题和难点是如何建立一个接近真实状况、具有典型代表性的大气和冰云廓线库及相对应的亮温数据库。如Evans等34利用无线电探空仪和飞机探测数据随机生成的Colorado数据库,以及Rydberg等74利用地基云雷达产品数据随机生成的Chalmers数据库。Jiménez等9使用两种数据库进行神经网络法反演冰水路径、粒子尺度、云高,结果显示反演出的IWP误差具有一致性,而两种数据库的数据来源不同、辐射传输模式不同,说明构建的反演先验数据库是有效的。Rydberg等69利用Cloudsat星载云雷达产品数据生成反演先验库,但主要用于热带区域冰云的临边探测。此外,有学者直接使用数值天气预报模式仿真来构建反演先验数据库,如Brath等67利用ICON数值天气预报模式生成大气及云廓线来构建反演先验数据库。值得注意的是,这些数据库的生成均需要使用辐射传输模式,并对可能存在的冰云微物理特性做出假设。

4 总结和展望

太赫兹波在被动遥感冰云微物理参数方面具有广阔的应用前景。其关键技术主要包括太赫兹波被动遥感冰云的测量仪器研制、太赫兹波大气传输的正演辐射传输模型以及太赫兹波被动遥感冰云的反演方法。目前来看,上述关键技术在理论和试验方面均有了很大的进展。

在太赫兹冰云遥感仪器方面,目前的研究思路或从微波波段向上扩展至亚毫米波段,或从红外波段向下扩展至远红外波段,相应的仪器则主要采用超外差式检测仪器或宽带测辐射热计、成像阵列或致冷分光光度计等直接检测仪器。前者适用于频率稍低但谱线分辨率较高的场合,但关键器件混频器设计制造难度较大,在一定程度上限制了其应用。而后者无法得到信号的相位信息,同样也存在灵敏度低、背景噪声影响较大和标定问题等。在太赫兹辐射传输正向模型方面,由于需要考虑各种因素对大气传输特性的影响,这其中采用了不同程度的近似算法,因此,太赫兹波段辐射传输模式的有效性和精度验证亟待研究。此外,建立合理的太赫兹辐射传输快速模型对于推动太赫兹大气遥感的应用至关重要。由于太赫兹波长与典型冰云粒子尺度在同一量级,对于冰晶粒子单散射特性的计算,需要数值求解Maxwell方程或亥姆霍兹方程,但受求解边界、计算复杂度和计算稳定性等因素的限制,目前尚存在较大困难。而在反演方法方面,尽管目前来看,使用贝叶斯反演方法较为合理可行,但该方法对于反演数据库的完备性要求较高。神经网络等智能算法的反演精度同样依赖反演数据库的精度。

为进一步推动太赫兹波冰云遥感技术的发展,未来可从以下几个方面开展进一步的研究:

(1)太赫兹冰云探测器研发。一方面,改进国际上已经应用的太赫兹遥感器件,提高光谱分辨率,降低系统噪声、提高接收机灵敏度。另一方面,研究太赫兹波与物质的相互作用,探索物理机理与效应,突破检测机制,据此研制新型太赫兹波探测器。

(2)太赫兹波的极化探测。冰云内部粒子形状和取向较为复杂,这也是导致冰云反演精度不高的原因之一。而不同粒子形状和取向对太赫兹波的散射作用是高度极化的,考虑增加太赫兹波辐射计的极化通道探测,可获得更多冰云内部粒子的信息,提高冰云参数的反演精度。

(3)太赫兹波和其他波段联合探测反演。利用太赫兹波段能更好地遥感冰云参数,但太赫兹波辐射计接收到的亮温除了与冰云自身性质有关,也受冰云下方的中低层水云的影响,尤其是中层水云对高频窗区的影响较大。为了更好地探测冰云,提高云参数的整体测量精度,有必要考虑与其他波段联合反演的方式。

(4)更多探测对象同时探测反演。太赫兹波频谱跨度范围广,目前使用的频段主要集中于118~874 GHz,充分考虑频谱范围内各气体组分的特征吸收线将产生更广阔的应用,在利用太赫兹波被动反演冰云的同时可以获得水汽、温度和微量气体等信息。

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