陆文强 1,2,3杨世植 1,2,3,*罗涛 1,2,3李学彬 1,2,3[ ... ]韩叶颜 1,2,3
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
4 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所基础科学研究中心，安徽 合肥 230031
5 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所通用光学定标与表征技术重点实验室，安徽 合肥 230031
基于中分辨率成像光谱仪/云和气溶胶探测激光雷达（MODIS/CALIOP）的匹配数据集，提出一个分类神经网络进行透明卷云的识别，利用两个回归神经网络对透明卷云的光学厚度和云顶高度进行反演。结果表明，分类网络的精确度可达到84%，检测率达到79%。对成功识别的透明卷云参数进行了反演，得到透明卷云光学厚度的平均绝对误差为0.2，均方根误差为0.25，相关系数为0.79。对云顶高度进行了反演，得到云顶高度的平均绝对误差为0.61 km，均方根误差为0.74 km，相关系数达到0.87。本研究利用MODIS/CALIOP匹配数据集以及神经网络算法，可得到透明卷云的分布以及其参数特性，为其在南海海域上空的分布情况提供了数据支撑，有助于相关研究人员了解该地区透明卷云的分布情况，提高辐射计算的精度。
大气光学 透明卷云 中分辨率成像光谱仪 云和气溶胶探测激光雷达 神经网络 中国南海海域
1 西安工业大学光电工程学院, 陕西 西安 710021
3 西安理工大学自动化学院, 陕西 西安 710048
高空卷云主要由各种不同形状的冰晶粒子组成, 是地空链路上激光信号传输的重要影响因素。 依据高空卷云中冰晶粒子的分布特征和散射特性, 采用C版本的离散纵标法(CDISORT), 充分考虑地球球形曲率及云层冰晶粒子多次散射影响因素, 研究准球形边界云层的激光透过率和衰减特性, 并比较了太阳天顶角不同时平面平行模式和准球面模式下卷云大气激光透过率的差异, 数值计算了三种激光波长(0.65, 1.06和3.8 μm)在卷云中传输时的衰减和透过特性。 计算结果表明: 较小太阳天顶角(小于80°)入射时, 两种模式下卷云大气激光透过率相对误差很小, 其中0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差仅为1.72%, 较大太阳天顶角(大于80°)入射时, 两种模式下卷云大气激光透过率相对误差明显增大, 0.65 μm激光波长入射时两种模式下的相对误差最大达到69%; 卷云粒子单次散射时, 激光在云层的衰减与卷云粒子有效半径、 传输距离、 光学厚度及激光波长等因素有关, 随光学厚度的增加, 云层的激光透过率减少, 1.06 μm激光波长入射时透过率最大, 3.8 μm激光波长入射时透过率最小; 0.65和1.06 μm激光波长入射时, 随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐增加, 而3.8 μm波长激光, 随云层粒子有效半径的增加激光透过率逐渐减少, 随相对方位角的增加, 云层的激光透过率减少, 且不同卷云传输模型对激光透过率也存在不同的影响。 该研究工作将为开展地空链路星载、 机载激光通信、 激光雷达探测等工程系统中的激光信号云层传输特性的应用提供理论支持, 同时也可进一步拓展为地空链路激光遥感、 制导和预警等应用提供预先理论研究基础。
激光辐射传输 卷云 透过率 多次散射 Laser radiation transmission Cirrus clouds Cloud transmittance Multiple scattering
1 南京信息工程大学电子与信息工程学院, 江苏 南京 210044
2 南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心, 江苏 南京 210044
卷云对量子通信光信号的传输有极大的影响。根据卷云特性建立了卷云冰晶粒子的分布模型,研究了卷云的消光特性,并根据卷云的散射特性,分析了卷云冰水含量、传输距离、链路消光特性、信道容量和信道纠缠度衰减的定量关系,研究了噪声影响下隐形传态保真度的变化,并进行了仿真实验。实验结果表明,当传输距离为3 km时,在卷云冰水含量(体积质量)为0.4 g·m -3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.05 dB·km -1、0.94 dB·km -1和0.52,而在卷云冰水含量(体积质量)为 0.1 g·m -3的条件下,对应的链路衰减、信道容量和信道纠缠度分别为0.20 dB·km -1、0.82 dB·km -1和0.07。由实验结果可见,自由空间量子通信信道的性能在卷云的影响下均发生了不同程度的变化。因此,在进行量子通信时,需考虑卷云的影响,根据卷云的变化调整性能参数,以提高通信质量。
量子光学 量子通信 卷云 链路消光特性 纠缠度衰减 隐形传态保真度 光学学报
2021, 41(20): 2027001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所基础科学中心光电探测室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 安徽四创电子股份有限公司,安徽 合肥 230088
基于自行研制的一种自动快速变视场太阳光度计(VFOVSP),实现了不同视场内太阳辐射的快速测量,为地基区分气溶胶粒子与云粒子提供了 一个新的技术手段。新型光度计采用基于CCD图像传感器的太阳跟踪技术,并采用程控可变视场光阑,实现了在较短的时间间隔内对 不同视场值的快速测量。通过在不同的天气条件下,对仪器不同视场测量数据分析初步表明:通过比较不同视场测量的大气光学厚度的 变化,可提供一种薄卷云与气溶胶的区分技术。该方法可以较快地识别出当前大气环境中是否有卷云存在,为研究卷云特性提供了基础。
新型光度计 不同视场 光学厚度 卷云识别 novel photometer different fields of view atmospheric optical thickness cirrus clouds recognition 大气与环境光学学报
2020, 15(3): 189
中国空间技术研究院 西安分院, 陕西 西安 710100
冰云位于上对流层, 在全球表面覆盖率达30%, 在地球大气系统中发挥了重要作用。但由于一些技术因素限制, 目前并没有进行足够的观测。太赫兹波波长接近冰云中典型的冰晶粒子尺寸, 星载太赫兹辐射探测仪观测冰云具有独特的优势, 目前得到了极大关注。基于国内外相关研究, 首先阐述了冰云探测的重要性及已有卫星探测手段的不足之处, 然后介绍了太赫兹冰云探测技术国内外发展情况, 在此基础上分析和讨论了我国太赫兹冰云探测技术发展将面临的问题, 为未来技术发展提供参考。
冰云 卷云 太赫兹辐射计 亚毫米波辐射计 ice clouds cirrus clouds Terahertz radiometer sub-millimeter radiometer 太赫兹科学与电子信息学报
2017, 15(5): 722
解放军理工大学 气象海洋学院, 江苏 南京 211101
THz波的频段范围(0.1~10 THz)及其特性使THz波具有较高的空间分辨率及大气参数灵敏性, 同时THz辐射在地球辐射平衡中的重要作用决定了其在大气探测领域有重大的研究价值和广阔的应用前景。介绍了THz技术在大气探测领域的应用现状, 重点分析介绍了THz波遥感探测大气水汽廓线、温度廓线、卷云的微物理参数及大气微量气体成分的原理、特性及存在的问题, 最后对THz波大气探测技术的研究提出几点建议和展望, 并指出了当前THz波大气探测技术的研究前沿和研究热点。
THz辐射 大气探测 温湿廓线 卷云 微量气体成分 THz radiation atmospheric sounding temperature and humidity profiles cirrus clouds trace gas 红外与激光工程
2016, 45(11): 1125001
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所 大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 光学辐射重点实验室, 北京 100854
利用2011~2014年MODIS云产品数据对北极地区夏季卷云的出现概率、云顶温度、云顶高度、光学厚度、有效粒径大小进行统计分析, 并讨论了北极地区夏季卷云有效粒径大小和卷云高度的关系。结果表明, 北极地区上空夏季卷云出现概率最高, 水云较少。卷云云顶温度主要分布在230～272 K(即-43～-5 ℃), 其云顶高度主要在2～8 km, 4.5～6 km出现概率最大。卷云的光学厚度主要在小于10范围内。卷云的有效粒径在5～40 μm之间, 10～20 μm出现概率最大。卷云的有效粒径和高度的关系与中纬度地区相反, 北极地区卷云高度越高, 卷云有效粒径越大。北极地区卷云随着纬度增大, 卷云出现概率增加, 卷云云顶温度降低, 卷云高度增加, 卷云有效粒径增大, 卷云光学厚度增大。
卷云 北极地区 光学厚度 有效尺度 cirrus clouds Arctic optical thickness effective radius 红外与激光工程
2016, 45(4): 0432002
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学技术大学环境光学学院, 安徽 合肥 230031
基于大气红外探测器L1B红外高光谱辐射观测资料,结合中分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer,MODIS)云产品数据,利用通用大气辐射传输模式(combined atmospheric radiative transfer model,CART),根据模式模拟和AIRS实际观测亮温的亮温差,研究从AIRS红外波段1 070～1 135 cm-1高光谱数据反演卷云的光学厚度和云顶高度.将反演的卷云光学厚度与云顶高度作为输入参数模拟计算650～1 150 cm-1波段卷云大气顶的辐射亮温谱,并将模拟值与AIRS观测亮温谱进行了对比分析.将反演的卷云光学厚度和云顶高度和AIRS的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温以及MODIS卷云反射率进行了对比分析.最后将反演的卷云云顶高度和MODIS云顶高度进行了对比分析.研究结果表明:反演所使用的650～1 150 cm-1波段模式模拟和观测亮温谱吻合得很好,说明CART可以较好的模拟AIRS亮温谱.反演的卷云参数与AIRS在大气窗口区的760通道(900.56 cm-1,11.1 μm)的亮温的分布满足低亮温对应较大的卷云光学厚度和高云顶高度.反演的卷云参数和MODIS卷云的反射率分布满足高卷云光学厚度和云顶高度对应高卷云反射率.反演的卷云云顶高度和MODIS的卷云云顶高度之间线性相关系数相对较高,且都在8.5～11.5 km的概率较高,两者的概率分布趋势一致.说明CART可以用于反演卷云的性质,反演结果具有一定的可靠性。
卷云 红外高光谱 光学厚度 云高 反演 Cirrus clouds IR high spectra AIRS AIRS Optical thickness Cloud top height Retrieval 光谱学与光谱分析
2015, 35(5): 1208
武汉大学物理科学与技术学院， 湖北 武汉 430072
采用离散纵标法(DISORT)耦合大气分子吸收散射，考虑地表的热辐射以及地表反射，模拟计算了卷云大气的反射率以及透过率。研究了在红外波段卷云的光学厚度、有效尺寸及不同大气模式等因素对于辐射特性的影响。结果表明，卷云大气反射率受地表热发射的影响很大，且随卷云光学厚度增大减小。大气模式对于卷云大气辐射传输特性影响显著，比较而言，卷云的粒子尺寸影响较小。
卷云大气 反射率 透过率 cirrus clouds atmosphere reflectance transmittance DISORT DISORT
兰州大学大气科学学院, 半干旱气候变化教育部重点实验室,甘肃 兰州 730000
为了研究中国西北半干旱区卷云几何特征和光学特性的时空分布特征, 利用兰州大学半干旱气候与环境观 测站(SACOL, 3557N, 1048E) 的微脉冲激光雷达(MPL-4B)探测卷云过程,分析讨论了卷云的结构、 光学性质及其时间变化特征,结果表明,卷云高度分布范围为 7~10 km, 卷云经历了薄-厚-薄的过程, 平均厚度为 (2.0±0.5) km。卷云环境温度在 -51℃-39℃范围之内。卷云的光学厚度在 0.084~1.649 之间, 光学厚度随几何厚度的增加而增大,平均光学厚度为 0.651±0.403。卷云激光雷达比为 (17±17) sr。 薄卷云的激光雷达比要比厚卷云的大。光学厚度小于0.3的光学薄卷云出现高度在8.6 km以上, 环境温度低于-45℃, 几何厚度小于1.8 km, 雷达比分布在5~69 sr。
遥感 几何和光学特征 透过率法 卷云 remote sensing geometrical and optical properties transmittance method cirrus clouds
