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大气辐射传输模型LBLRTM优化及临近空间大气温度反演初步研究

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大气辐射传输模型LBLRTM优化及临近空间大气温度反演初步研究

作者：张炳炎中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)

学位级别：硕士

本论文针对临近空间大气辐射传输过程复杂,环境影响因素繁多的问题,以LBLRTM辐射模型为主要研究对象,通过对多年的实测数据分析,建立CO浓度模型提高LBLRTM对临近空间区域大气辐射模拟的准确度,并利用LBLRTM大气辐射模型进行大气参数反... 详细信息

本论文针对临近空间大气辐射传输过程复杂,环境影响因素繁多的问题,以LBLRTM辐射模型为主要研究对象,通过对多年的实测数据分析,建立CO浓度模型提高LBLRTM对临近空间区域大气辐射模拟的准确度,并利用LBLRTM大气辐射模型进行大气参数反演。论文主要内容与结论如下:(1)介绍了LBLRTM模型的使用方法。(2)分别从高分辨透射率谱线、大气环境参数、大气气体吸收算法和非局地热力平衡这四个方面分析了这些因素对LBLRTM模型模拟准确度的影响。(3)通过月平均方式分析了17年的TIMED/SABER CO浓度数据,并建立了CO浓度拟合公式。(4)通过拟合公式获取拟合参数数据集,利用数据分析和图像化应用程序及编程语言IDL建立了CO浓度模型。通过IDL将CO浓度模型及大气参数模型NRLMSISE-00嵌入LBLRTM模型,优化LBLRTM模型。并利用模型模拟计算并将结果与TIMED/SABER实测辐射数据进行对比分析,对比了优化前后LBLRTM模型结果的变化,结果表明优化的LBLRTM模型有效的提高了准确度。(5)初步开展了临近空间大气温度反演研究,验证了本文反演算法的可行性。

关键词：临近空间大气辐射传输 LBLRTM模型 CO2浓度建模温度反演

大气辐射传输的数值模拟及气溶胶粒子辐射特性实验研究

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大气辐射传输的数值模拟及气溶胶粒子辐射特性实验研究

作者：鹿化文哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

大气辐射传输是指太阳辐射能和热辐射能以电磁波的形式在大气中的传播输送和转化,它是大气物理活动的最主要动力来源。人类活动对全球气候系统影响的加剧以及大气遥感、大气化学、气象学等学科的快速发展使得大气辐射传输的研究显得更... 详细信息

大气辐射传输是指太阳辐射能和热辐射能以电磁波的形式在大气中的传播输送和转化,它是大气物理活动的最主要动力来源。人类活动对全球气候系统影响的加剧以及大气遥感、大气化学、气象学等学科的快速发展使得大气辐射传输的研究显得更加重要。大气辐射计算面临的最基本问题就是大气气体的吸收与云和气溶胶粒子的吸收和散射同时存在,所以在大气辐射传输的研究中,大气气体吸收系数计算、大气云及气溶胶粒子散射及吸收性质的量化、辐射传输方程的求解这三个问题成为重中之重。本文利用气溶胶分级采集器采集不同天气下的哈尔滨地区气溶胶粒子,并利用透射法实验和反演模型得到哈尔滨地区气溶胶粒子的复折射率数据。针对常见的气溶胶粒子(SiO粒子、AlO粒子)及混合粒子的光学常数做了实验研究,并与有效介质理论中的复折射体积平均方法(VARI)做了对比。本实验获取的氧化铝复折射率与Malitson所得到数据非常接近,反演得到的SiO和AlO混合粒子系的复折射率与VARI理论计算结果整体吻合较好。除此之外,以相关K分布模式计算标准大气的吸收系数,辐射传输方程的求解采用计算速度和精度都比较理想的球谐离散坐标法,在无云无气溶胶的标准大气情况下,将计算结果与LOWTRAN比较,计算所得的透过率平均误差为0.0698;并模拟层云大气辐射传输过程,分析了云的光学物性对大气辐射的影响,详细介绍了SHDOM程序包的使用方法。

关键词：气溶胶粒子复折射率大气辐射传输 SHDOM 云的光学物性

基于CO_(2)测量数据的大气辐射传输模型LBLRTM优化

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空间科学学报 2021年第6期41卷 905-910页

作者：张炳炎闫召爱郭文杰胡雄中国科学院国家空间科学中心北京100190 中国科学院空间环境态势感知技术重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO_(2)观测数据,分析CO_(2)浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO_(2)浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO_(2)浓度数据分别进行拟合,生成... 详细信息

根据TIMED/SABER 2002—2018年的CO_(2)观测数据,分析CO_(2)浓度的变化特征.依据变化特征给出了CO_(2)浓度随时间、高度、纬度变化的月平均拟合公式,利用非线性最小二乘拟合法,对不同高度和不同纬度的CO_(2)浓度数据分别进行拟合,生成相应的拟合参数.然后,将所有拟合参数汇总并生成拟合参数文件,结合拟合公式构建全球CO_(2)浓度经验计算模块,并将该模块应用到大气辐射传输模型LBLRTM中,对该模型进行优化.将优化前与优化后的LBLRTM模型模拟结果分别与TIMED/SABER观测数据进行比较发现,优化前的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差为15.4%,而优化后的LBLRTM模型模拟结果与观测值的均方根误差由15.4%下降至8.91%.结果表明该优化方法可以提高LBLRTM模型在红外波段的辐射模拟精度.

关键词：大气辐射传输红外辐射 CO_(2)浓度

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大气辐射传输快速计算及仿真技术研究

大气辐射传输快速计算及仿真技术研究

作者：丁国鹏西安电子科技大学

学位级别：硕士

大气辐射传输建立在电磁传播理论、热力学以及分子光谱学理论之上,主要研究大气中辐射能量的传输和转换过程,而大气效应仿真就是对大气辐射传输数值计算结果的可视化显示。大气效应仿真在工程应用方面有着重要意义。从数字地球到小规模... 详细信息

大气辐射传输建立在电磁传播理论、热力学以及分子光谱学理论之上,主要研究大气中辐射能量的传输和转换过程,而大气效应仿真就是对大气辐射传输数值计算结果的可视化显示。大气效应仿真在工程应用方面有着重要意义。从数字地球到小规模场景仿真,大气辐射传输效应对场景的逼真度有至关重要的影响。纵观目前主流大气辐射传输模型,大部分都具备光谱分辨率高、计算结果可信度高等优点,但在计算速度方面比较缓慢。对于部分对光谱分辨率要求较低的大气辐射传输计算,使用较为简洁快速的计算模型可以有效提高计算效率。本文以大气辐射传输快速计算和实时仿真为研究目标,主要做了以下工作:（1）从Rayleigh散射、Mie散射以及气体吸收理论出发,考虑了大气压强和大气温度对气体吸收系数的影响,使用经验公式对吸收系数进行修正,并结合朗伯-比尔定律计算大气透过率。根据基尔霍夫定律建立了局部热力学平衡状态下大气自辐射快速计算方法。考虑大气对太阳光的散射作用,使用了一种简化大气散射计算模型,通过逐次散射叠加的方法计算大气散射亮度。（2）考虑大气的球面分布特点,研究了球面大气的分层方法和几何参数计算方法,结合GPU实现大气辐射传输高速计算。为满足大气辐射传输实时仿真的要求,本文研究了一种大气透过率、路径辐射和散射查找表的映射方法,这种映射方式可以适用于球面大气的大气效应仿真。为了降低大气纹理采样时因线性插值导致的精度损失,本文使用了一种非线性的纹理映射方法。（3）将本模型与MODTRAN的计算结果进行对比,分析了简化算法的可行性。然后研究了等效纹理的计算方法以及不同观察方式下的大气几何参数计算方法,结合纹理映射函数实现大气效应的实时仿真。

关键词：大气辐射传输 GPU并行计算纹理映射预计算查找表实时仿真

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局地大气辐射传输模拟研究

局地大气辐射传输模拟研究

作者：杨晶晶山西大学

学位级别：硕士

大气是一个非常复杂的系统,在不同的地区、环境、时间和其他条件下,其变化很大。大气辐射传输是大气基本物理过程之一,在地基定标、遥感反演及验证中都是很关键的过程。在热红外波段,大气辐射传输受到大气温湿气等廓线的影响,精准进行... 详细信息

大气是一个非常复杂的系统,在不同的地区、环境、时间和其他条件下,其变化很大。大气辐射传输是大气基本物理过程之一,在地基定标、遥感反演及验证中都是很关键的过程。在热红外波段,大气辐射传输受到大气温湿气等廓线的影响,精准进行大气辐射传输模拟对热红外波段数据的校正至关重要,而这种模拟依赖于高精度的大气廓线和大气辐射传输模型的获取和使用。传统大气辐射传输模型的标准大气模式只能刻画大尺度区域大气特性,难以精确表征局地大气动态变化。因而如何获取、评价大气廓线及构建更符合实际大气状况的局地大气模式是亟待解决的问题。本文以UWYO(the University of Wyoming)地基探空大气廓线为参考数据,全面评估了不同来源的7种大气廓线精度,分别为:MYD07大气廓线(the MODerate-resolution Imaging Spectroradiomete atmospheric profile product)、AIRS大气廓线(the Atmospheric Infrared Sounder atmospheric profile product)、ECMWF大气廓线(the European Centre for Medium-range Weather Forecasts)、MERRA2大气廓线(the Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications,Version 2)、NCEP/GFS大气廓线(the National Centers for Environmental Prediction(NCEP)/Global Forecasting System(GFS))、NCEP/FNL大气廓线(NCEP/Final Operational Global Analysis(FNL))、NCEP/DOE大气廓线(NCEP/Department of Energy);同时,基于中国五大气候分区,利用86个UWYO中国探空站点大气廓线2000-2019年共20年的数据,构建更为符合中国大气状况的局地大气廓线模式。主要研究结论如下:(1)以UWYO大气廓线为参考数据,MYD07大气廓线精度最差。从空气温度和露点温度廓线的垂直分布来看,MYD07与UWYO大气廓线之间差异最大;从大气参数计算结果来看,MYD07的大气透过率、大气上行辐射、大气下行辐射和大气水汽含量的均方根误差(RMSE)值分别约为0.06、0.5 W/m/sr/μm、0.7 W/m/sr/μm和0.4 g/cm,均低于其他大气廓线。(2)与UWYO大气廓线相比,利用MYD07,AIRS和NCEP/DOE大气廓线反演的地表温度,其RMSE值(大于0.8 K)要大于使用ECMWF,MERRA2,NCEP/GFS和NCEP/FNL大气廓线反演地表温度的RMSE值(约0.5 K)。与海拉尔、乌拉特前旗和乌海等地的实测地表温度相比,使用ECMWF,MERRA2,NCEP/GFS和NCEP/FNL大气廓线计算的地表温度的RMSE值约为1.0 K。NCEP/DOE大气廓线反演的地表温度与实测地表温度之间差异最大,RMSE值约为1.5 K。结果表明,ECMWF,MERRA2,NCEP/GFS和NCEP/FNL大气廓线可以计算得到更为准确的大气参数。(3)局地大气廓线模式拟合结果表明中国五大气候区大气参数拟合结果都大致符合其各自的气候特征。热带季风气候区在春、夏、秋、冬四季都表现出了最好的拟合精度:其气压廓线拟合RMSE值均小于0.01 hPa,温度廓线在1 km处基本稳定在295 K附近,水汽廓线具有明显的季节差异,在1 km处水汽差异达到了7 g/kg。而这恰好符合其全年高温、有明显干湿两季的气候特征,也表明了本文所构建的局地大气模式基本符合我国的实际情况。

关键词：大气辐射传输大气廓线局地大气模式

基于扰动的大气辐射传输方程综合反演地表温度与大气剖面参数

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基于扰动的大气辐射传输方程综合反演地表温度与大气剖面参数

作者：宋金红吉林大学

学位级别：硕士

陆地表面温度(LST)是地表能量平衡中的一个重要参数,它在地表与大气相互作用过程中起着重要的作用,特别在气象、地质、水文、生态等众多领域有着广泛的应用需求。本文总结和分析了地表温度反演中的线性和非线性数值方法基础上,为了提高... 详细信息

陆地表面温度(LST)是地表能量平衡中的一个重要参数,它在地表与大气相互作用过程中起着重要的作用,特别在气象、地质、水文、生态等众多领域有着广泛的应用需求。本文总结和分析了地表温度反演中的线性和非线性数值方法基础上,为了提高反演精度,通过建立扰动形式的大气辐射传输方程,研究利用吉洪诺夫正则化和非线性牛顿迭代算法求解扰动形式的大气辐射传输方程,实现地表温度、地表比辐射率和大气剖面参数的反演。基于该方法,分别在鄱阳湖和栾城地区,采用Terra和Aqua上的MODIS数据分别反演大气剖面参数和地表参数;同时,尝试综合利用Terra和Aqua上的MODIS数据实现其反演。最后,结合实验区地表温度观测数据和NASA地表温度和比辐射率数据产品来验证反演结果。

关键词：大气辐射传输非线性牛顿迭代不适定的 Tikhonov Regularization MODIS Terra Aqua

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遥感成像大气辐射传输快速仿真与实现

遥感成像大气辐射传输快速仿真与实现

作者：张慧敏华中科技大学

学位级别：硕士

随着卫星遥感技术的发展,高分辨率遥感影像在各个领域的需求日趋增加。大场景遥感仿真由于其数据量大,因此提高仿真速度逐渐成为了研究热点。大气辐射传输仿真作为成像仿真中的重要环节,其仿真的速度直接影响了全链路遥感成像仿真的效... 详细信息

随着卫星遥感技术的发展,高分辨率遥感影像在各个领域的需求日趋增加。大场景遥感仿真由于其数据量大,因此提高仿真速度逐渐成为了研究热点。大气辐射传输仿真作为成像仿真中的重要环节,其仿真的速度直接影响了全链路遥感成像仿真的效率。本文的主要目的是对遥感成像场景的大气辐射传输过程进行仿真,分别针对陆表-大气和海洋-大气两个方面,研究大气辐射传输基础理论,面向遥感成像场景区域大的特点,提出了分别适用于陆表和海洋的大气辐射传输仿真快速算法。本文的主要工作包括三个方面:1)大气辐射传输理论研究。介绍了大气对辐射传输的影响作用,分析了辐射传输的基本过程以及大气辐射传输理论方程;2)基于MODTRAN的大气辐射传输仿真快速方法研究。针对通用模型MODTRAN计算速度慢的缺点,提出了一种快速的大气辐射传输仿真方法,所提方法采用大气辐射简化模型和快速查表技术,提高了场景仿真的速度。3)海洋-大气辐射传输仿真快速方法。分析海洋-大气与陆表-大气辐射传输的异同点,以陆表-大气辐射传输仿真快速方法为基础,提出一种适用于海洋-大气辐射传输仿真的快速方法。最后,本文以实际遥感地物反射率和海洋水体参数为数据进行实验,实验结果证实了本文提出的大气辐射传输仿真快速方法的高效性和准确性。

关键词：遥感成像大气辐射传输查找表快速仿真

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大气辐射传输组件的设计与实现

计算机仿真 2008年第5期25卷 298-301页

作者：顾有林易维宁乔延利中国科学院安徽光学精密机械研究所

MODTRAN软件作为大气辐射传输计算主要的工具,主要有两种使用方式,第一种方法利用MODTRAN制作查找表,然后利用插值的方法得到输出量,虽然在速度上较快,但精度上难以保证;第二种方法直接使用MODTRAN源代码可以保证计算的精度,但很难使用... 详细信息

MODTRAN软件作为大气辐射传输计算主要的工具,主要有两种使用方式,第一种方法利用MODTRAN制作查找表,然后利用插值的方法得到输出量,虽然在速度上较快,但精度上难以保证;第二种方法直接使用MODTRAN源代码可以保证计算的精度,但很难使用在不同的编程语言中。针对以上问题,提出了一种以组件技术为基础的大气辐射传输模型的建模方法,根据大气辐射传输算法功能要求,设计了组件对外接口,实现了大气辐射传输组件,并对其进行测试。结果表示,采用该方法可以很好地解决上述问题,大气辐射传输组件不仅具有计算精度高,而且还具有可复用性和可扩展性,易与其它语言进行混合编程,被广泛应用于反演地球大气参数与开发遥感成像仿真系统。

关键词：大气辐射传输组件设计实现

基于SCIATRAN大气辐射传输模式的卷云大气短波红外敏感性分析

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成都信息工程大学学报 2017年第3期32卷 276-281页

作者：李姗姗邓小波丁继烈刘海磊成都信息工程大学四川成都610225

对于痕量气体二氧化碳浓度的精确测量问题,首先比较大气辐射传输的几种模型,然后选用SCIATRAN这种模型在二氧化碳的强吸收带进行晴空大气和卷云大气辐射的模拟计算,接着对计算结果进行敏感性测验,结果表明:晴空时的辐射强度比卷云时的... 详细信息

对于痕量气体二氧化碳浓度的精确测量问题,首先比较大气辐射传输的几种模型,然后选用SCIATRAN这种模型在二氧化碳的强吸收带进行晴空大气和卷云大气辐射的模拟计算,接着对计算结果进行敏感性测验,结果表明:晴空时的辐射强度比卷云时的辐射强度小;卷云条件下太阳天顶角和卫星观测角越小时,辐射强度越大;卷云条件下地表反照率越大时,辐射强度越大;卷云条件下光学厚度越小时,辐射强度越大。最后用神经网络的方法对SCIATRAN计算的结果进行训练和模拟并与实际结果进行对比分析,以期对于下一步二氧化碳浓度的反演模型和算法提供有力的理论依据和技术支撑。

关键词：大气辐射传输 SCIATRAN模型敏感性测验神经网络