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
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[4,5]。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。
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[18,19]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 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
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[24,25]。
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[26,27],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。