利用远红外-太赫兹波高光谱辐射反演冰云微物理参数

Ice clouds play an important role by influencing the Earth's radiation budget and the global climate. To improve the measurement accuracy of ice cloud microphysical properties has been a very active research topic in the world. Considering the wavelengths of far-infrared and terahertz region are in the order of the size of typical ice cloud particles, exploring this spectral region might significantly improve our knowledge and understanding of ice clouds in the future. The existing research mainly concentrated in the low frequency region of terahertz (less than 1THz) on some sensitive frequency characteristics of ice clouds and the corresponding principle prototypes and their performance tests. This is because of the limitation to the technical level of far infrared and terahertz detection device. This project intends to do some research on the theory and method of hyperspectral remote sensing of ice cloud in the far-infrared and terahertz region. The hyperspectral retrieval method of ice effective size and ice water path in this region wish to be established systematically. The errors will be analyzed by considering the high spectral radiation characteristics, instrument characteristics, cloud properties and radiative transfer model error. The capability of the inversion method combined with the thermal infrared band will be investigated. The expected results can provide theoretical support for the development of new ice cloud measurement instrument, and it may also provide a new way for remote sensing of cloud over the polar region and Tibetan plateau.

冰云对地气系统的辐射平衡和气候变化有重要的影响，提高冰云微物理特性的测量准确性一直是国际上十分活跃的研究课题。由于远红外-太赫兹波段对几乎全部尺寸的冰晶粒子有相互作用并且具备很好的穿透性，有效利用该波段将有助于提升冰云的测量水平。本课题拟开展远红外-太赫兹波高光谱探测冰云的理论与方法研究，针对现有研究主要集中于低频太赫兹区（小于1THz）一些冰云敏感频点的现状，重点研究冰云在覆盖远红外-太赫兹波段范围的高光谱特性，系统建立该波段高光谱遥感反演冰云有效尺度和冰水路径的方法。在此基础上，综合考虑高光谱辐射特点、仪器特性、云层属性以及模式误差等因素，分析并明确冰云微物理参数的理论反演误差。进一步地，研究并建立与热红外高光谱辐射数据进行冰云和温湿廓线一体化探测的方法。预期成果可为开发新型冰云探测设备提供理论支撑，同时也可能为我国极地以及青藏高原云的遥感观测提供一种新途径。

冰云微物理参数的准确探测对于深化冰云对气候变化驱动作用的认识、提高冰云在气候模式中的代表性具有重要意义。然而，目前的可见光、激光、红外、毫米波遥感方法都会带来不小的观测误差，而远红外-太赫兹波长与典型冰云粒子尺度处于同一量级，对几乎全部尺寸的冰晶粒子有相互作用并且具备很好的穿透性，是理论上遥感冰云微物理参数的最佳波段。本项目针对极地地区地基远红外-太赫兹高光谱探测冰云的理论与方法开展了研究，首先基于时域多分辨方法（MRTD）和不变嵌入T矩阵法建立了该波段非球形冰晶粒子散射特性库；在此基础上，分析了不同属性的冰云在远红外-太赫兹波段的高光谱特征，开展了冰云有效粒子尺度和冰水路径的敏感性试验；然后，建立了基于最优估计理论的远红外-太赫兹高光谱反演冰云微物理参数的模型，并开展了仪器测量特性、云层不均匀性等因素的反演不确定度分析；并且探索发展了利用地基红外高光谱辐射进行其他气象信息获取的方法。通过数值模拟数据及实测数据分析，建立的多重特征参数的查找表关系揭示了极地地区冰云在远红外-太赫兹波段的高光谱辐射特性，该波段对冰晶粒子尺度和冰水路径具有较高的敏感性；建立的反演模型可实现冰云微物理参数的高精度反演；另外，利用地基红外高光谱辐射可实现云检测、云底高度和边界层高度的快速反演。项目的研究成果可为我国开展极地以及青藏高原冰云的高精度遥感提供理论和技术支撑，从而对深化极地地区冰云的辐射强迫效应、提高冰云对气候影响机制的认识具有重要的科学意义。