利用卫星高分辨率红外光谱遥感卷云的研究

卷云位于大气对流层中上层和平流层下层，常年覆盖地球大约20%-30%，对天气和气候产生显著的影响。由于卷云对地气系统的影响，使得军事（战略防御计划、强激光传输、卫星、飞机侦察）、空间研究（望远镜观察、飞行器载入）、通信系统等领域都必须把卷云作为重要的环境因素来考虑。卷云的探测资料非常匮乏，只有少量地基激光雷达和部分卫星的观测数据。目前卫星被动遥感主要利用可见光到近红外太阳的反射光来实现卷云遥感，夜间则无法进行。我们在研究中发现，薄卷云对热红外8-14微米波段地表和大气的光谱辐射有强烈的影响，其光学厚度和有效半径分别与该波段的大气亮温、亮温随波长的斜率有关。为了实现卷云的昼夜遥感，我们提出研究卷云的红外光谱辐射与卷云物理特性的关系；建立用红外高分辨率大气辐射光谱遥感卷云物理特性的实用算法，为我国即将发射的风云四号气象卫星实现昼夜卷云遥感提供理论基础;并获得卷云的统计分布规律。

本研究利用卫星红外高分辨率光谱数据遥感卷云，研究内容包括卷云特性参数化、红外高光谱辐射传输计算和卷云光学厚度遥感算法。取得主要结果如下：. 进行了卷云光学性质参数化研究，获得了参数化的卷云光学性质，包括五种冰晶粒子形状（六棱柱、六角平板、子弹花、聚合物、过冷水滴）卷云的平均消光效率因子、单次散射反照率、不对称因子和散射性函数随有效尺度的变化。. 在我们研制的通用辐射传输软件（CART）的基础上，增加了卷云条件下的大气红外高光谱分辨率辐射的快速计算功能，提出了一个卷云条件下包括多次散射在内的总辐射的快速计算方法，计算速度可以提高两个量级以上，计算精度(均方根误差)可以达到2％以内。利用CART分别从可见到近红外波段和红外波段模拟计算了各种卷云条件下的光谱辐射，对卷云导致的在卫星高度大气背景光谱辐射变化做了大量的计算，分析研究了大气红外光谱辐射对卷云的物理特性（光学厚度、有效尺度、高度等）的信息量和敏感性。发展的通用辐射大气传输计算软件（CART）已经在多项工程上得到应用，取得了良好的效益，并依此发展了辐射传输测量大气修正研究的学科。. 提出了一个利用卫星红外高光谱数据遥感卷云光学厚度的算法。利用AIRS卫星测量的1070-1150cm-1的高分辨率光谱数据，根据MODIS卷云高度和大气廓线参数，用CART计算大气红外光谱亮温，调整卷云光学厚度后计算卷云亮温和AIRS观测的亮温，当达到一致时即得到反演的卷云光学厚度。初步结果表明： 该反演算法可以利用红外高光谱数据反演薄到中等厚度卷云的光学厚度。利用卫星高分辨率红外光谱遥感卷云物理特性，是对可见和近红外波段探测卷云的补充，在未来卷云的研究中有着很好的应用前景。. 对北京地区卷云特性进行了概率统计与分析，得到了该地区卷云特性（包括云相态、卷云出现的概率、云顶高度、云光学厚度、有效尺度等）的季节变化规律。. 还开展了地面利用太阳前向散射和直射光遥感卷云工作，进行了数值模拟计算和研制了一台双筒多视场太阳光度计，对地基太阳光遥测卷云做了初步的尝试。. 该研究共发表标注本基金资助的论文24篇（含已接收论文3篇），其中SCI收录1篇,已查到EI收录13篇,申请与本研究有关的发明专利3项，已毕业博士4人，硕士2人，毕业学生中陈秀红获得2011年度中科院大恒光学优秀奖学金。