太赫茲冰云輻射散射特性研究和探測參數(shù)設(shè)計(jì)

陳柯，董杉彬，李迎雪，徐紅新，謝振超，姜麗菲，李恩晨，吳瓊，商建

1.華中科技大學(xué),武漢 430074;

2.上海航天電子技術(shù)研究所,上海 201109;

3.許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心,中國氣象局中國遙感衛(wèi)星輻射測量和定標(biāo)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/國家衛(wèi)星氣象中心(國家空間天氣監(jiān)測預(yù)警中心),北京 100081

1 引 言

大氣中廣泛存在冰相粒子，大量冰相粒子聚集形成冰云，主要存在于6—15 km 高度處，在全球表面具有平均30%的覆蓋率（劉磊等，2020）。一方面，冰云吸收地球表面和云層下方大氣的熱紅外輻射，導(dǎo)致氣候變暖，產(chǎn)生溫室效應(yīng)；另一方面，冰云將入射的太陽短波輻射反射到太空中，具有冷卻效應(yīng)，因此冰云在地球能量循環(huán)和水文循環(huán)中發(fā)揮著重要作用（Buehler等，2012）。冰云對(duì)輻射交換的影響取決于云層垂直結(jié)構(gòu)、冰水含量和冰相粒子尺寸等物理特性，因此通過衛(wèi)星遙感獲取全球冰云參數(shù)，有助于完善冰云數(shù)值模型，為航空、農(nóng)業(yè)、極端天氣預(yù)警等多種應(yīng)用領(lǐng)域提供服務(wù)（Buehler等，2007）。

冰云中冰相粒子尺寸集中在20—600 μm，目前主流的衛(wèi)星遙感手段包括可見光/紅外探測儀、激光雷達(dá)、微波雷達(dá)和微波輻射計(jì)對(duì)冰云探測都存在一定不足（王虎等，2017）。光學(xué)遙感的波長一般小于20 μm，云層穿透能力較差，通常只對(duì)50 μm以下的冰相粒子敏感；微波測云雷達(dá)，例如美國CloudSat 衛(wèi)星搭載的94 GHz 云廓線雷達(dá)CPR（Cloud Profiling Radar），其探測頻率較低，只對(duì)大尺寸冰粒敏感，同理微波輻射計(jì)也具有這種局限（楊冰韻等，2014）；激光測云雷達(dá)，例如美國的CALIOP （Cloud?Aerosols Lidar and Orthogonal Polarization），采用532 nm 和1064 nm 頻點(diǎn)，波長較短，只能探測50 μm 以下冰晶，不能穿透較厚的云層，也難以實(shí)現(xiàn)較寬的探測刈幅。太赫茲波是指頻率在0.1—10 THz（波長為3000—30 μm）范圍內(nèi)的電磁波，波長與冰相粒子尺寸相近，兼顧了穿透能力與敏感性，因此太赫茲被動(dòng)遙感可以填補(bǔ)50—500 μm 尺寸冰相粒子探測空白，是目前最具潛力的冰云探測手段（Evans 和Stephens，1995b；Evans 等，1999）。

星載太赫茲被動(dòng)冰云探測是基于冰云粒子對(duì)下方大氣上視輻射的吸收和散射過程，這一過程導(dǎo)致亮溫下降，使得冰云區(qū)域的太赫茲輻射亮溫低于無冰云的晴空區(qū)域（董佩明等，2014）。冰云區(qū)域的亮溫下降與輻射波長、冰相粒子密度和尺寸、觀測角度等因素都密切相關(guān)，構(gòu)成了太赫茲冰云探測的物理基礎(chǔ)，因此掌握太赫茲頻段冰云輻射散射特性是設(shè)計(jì)太赫茲冰云探測載荷、發(fā)展星載太赫茲被動(dòng)冰云探測技術(shù)的前提（王虎等，2017）。自20 世紀(jì)末期，美國Evans 等（2002）開始研究太赫茲頻段冰粒子的微物理效應(yīng)，包括冰粒尺寸、形狀屬性，研究發(fā)現(xiàn)冰粒的形狀屬性是影響散射極化特性的主要因素，同時(shí)探討了高空飛行器和衛(wèi)星對(duì)卷云冰水路徑進(jìn)行高頻微波遙感的可行性和可能的方法（Miao 等，2003；Jiménez等，2007；何杰穎和張升偉，2016）；21 世紀(jì)初期美國和歐洲陸續(xù)開展太赫茲頻段微波亮溫對(duì)冰粒子的敏感性研究和機(jī)載試驗(yàn)（Evans 等，2005；Rule 等，2013；Bennartz 和Bauer，2003；Kangas等，2014）。Evans 和Stephens（1995a）以及Evans等（1998）通過離散偶極子近似方法建立了冰云中不同形狀（實(shí)心柱、空心柱、六邊形板、平面玫瑰等）的散射模型；其后Tang 和Aydin（1995）研究了平面子彈玫瑰體的微波散射；在2008 年，Liu（2008）開發(fā)了一個(gè)包含15—340 GHz 范圍內(nèi)11 中冰粒子的散射特性模型庫；2002 年，Skofronick?Jackson 等（2002）通過理論建模，研究了海洋對(duì)流風(fēng)暴的4 個(gè)演化階段在6—410 GHz頻段內(nèi)不同云物理參數(shù)方案對(duì)亮度溫度的影響，并與CAMEX?2（Convection and Moisture Experiment?2）實(shí)測的亮溫對(duì)比，對(duì)比結(jié)果在一定程度上驗(yàn)證了云參數(shù)化方案的可靠性。美國多家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合多個(gè)平臺(tái)的衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，通過離散偶極子近似方法，討論了冰粒形狀、冰粒尺寸和不同頻率對(duì)體散射特性的影響，通過將體散射特性參數(shù)化為冰云粒子大小的函數(shù)，建立了一個(gè)100—1000 GHz頻段、適用于六邊形實(shí)心柱和空心柱、六邊形板、三維彈狀花狀體、聚合體等非球形冰粒子的單散射數(shù)據(jù)庫（Hong 等，2009）；Baran 等（2018）將物理光學(xué)方法應(yīng)用到毫米波太赫茲頻段，利用Voronoi 等非規(guī)則冰晶模型提出了一種更簡化的三形態(tài)冰云模型來模擬實(shí)際的多種形態(tài)冰晶構(gòu)成的冰云，實(shí)現(xiàn)太赫茲波段冰晶體散射特性的計(jì)算。

目前對(duì)冰云的太赫茲輻射散射特性研究僅針對(duì)固態(tài)冰粒子（Ice），但是數(shù)值模式的云微物理模式里面還包含另一種冰—空氣—水混合的霰粒子（Graupel）。由于其物理特性與冰粒子不同，霰粒子的太赫茲輻射散射特性與冰粒子有明顯區(qū)別（董佩明等，2014）。為了能夠在太赫茲冰云探測中同時(shí)反演冰、霰兩種粒子的參數(shù)，需要對(duì)冰、霰兩種粒子構(gòu)成冰云的太赫茲輻射散射特性進(jìn)行研究；此外由于全球還沒有實(shí)際發(fā)射在軌運(yùn)行的太赫茲冰云探測載荷（歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織在下一代氣象衛(wèi)星Metop?SG B 上將搭載第一個(gè)星載太赫茲冰云成像儀ICI（Ice Cloud Imager），計(jì)劃2023 年發(fā)射（Accadia 等，2013）），因此對(duì)載荷探測頻段和觀測角度等參數(shù)的設(shè)計(jì)方法介紹也比較少。

目前中國的太赫茲冰云探測技術(shù)研究尚處于起步階段，為了深入理解冰云太赫茲輻射散射特性和探測儀參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)冰粒子和霰粒子探測能力的影響，本文基于離散縱標(biāo)切線性輻射傳輸模式DOTLRT （Discrete?Ordinate Tangent Linear Radiative Transfer）模擬計(jì)算太赫茲頻段冰云輻射亮溫，以此為手段定量分析冰云中冰、霰兩種粒子的特性參數(shù)（等效粒徑Dme、冰水路徑總量IWP（Ice Water Path）、霰水路徑總量GWP（Graupel Water Path）對(duì)冰云輻射亮溫的影響，掌握冰云太赫茲輻射散射特性，并以此為基礎(chǔ)給出太赫茲冰云探測器的探測頻率通道和探測角度的設(shè)計(jì)方法和結(jié)果。

2 冰云亮溫模擬

大氣輻射傳輸模式通過對(duì)輻射傳輸方程進(jìn)行求解實(shí)現(xiàn)從大氣物理參數(shù)到大氣輻射亮溫的映射計(jì)算。本文以冰云大氣數(shù)據(jù)庫為輸入，使用輻射傳輸模式DOTLRT 模擬計(jì)算太赫茲冰云亮溫?cái)?shù)據(jù)。本節(jié)給出了模擬冰云亮溫產(chǎn)生和驗(yàn)證過程。

2.1 DOTLRT輻射傳輸模式

DOTLRT 是美國NOAA 兩位科學(xué)家Gasiewski和Voronovich 基于差分輻射傳輸方程DRTE（Differential Radiative Transfer Equation）的對(duì)稱性和分析對(duì)角化，通過對(duì)稱正定矩陣分解實(shí)現(xiàn)DRTE求解的一種離散正切線性輻射傳輸模型。DOTLRT能夠?qū)Υ髿庵械脑扑?、雨、冰、雪、霰這5種水相粒子的吸收和散射效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，頻率可至1 THz（Voronovich 等，2004），滿足本文太赫茲冰云亮溫模擬需求。

構(gòu)成冰云的粒子形狀包含球形和非球形，雖然目前已經(jīng)有一些研究實(shí)現(xiàn)了非球形冰晶粒子的體散射特性計(jì)算（Hong 等，2009；Baran 等，2018），但是這些非球形粒子模型只針對(duì)冰粒子，沒有包含霰粒子。因此本文還是采用球形冰、霰粒子的參數(shù)化模型來模擬冰云的散射輻射特性。球形冰云粒子模型可視為對(duì)相同質(zhì)量非球形粒子散射特性的平均表征，雖然會(huì)引入一定誤差，但是將模擬值與觀測值對(duì)比表明統(tǒng)計(jì)誤差的程度還是可以接受的（劉碩松等，2012）。DOTLRT 模式中計(jì)算粒子散射特性使用的HG（Heneny?Greenstain）散射相矩陣是一種近似計(jì)算公式，在粒子密度較大、散射較強(qiáng)時(shí)計(jì)算精度有所下降，因此本文在DOTLRT 模式中添加了Mie 散射相矩陣計(jì)算模塊，使用經(jīng)典Mie球形冰晶粒子散射公式來計(jì)算冰云粒子的散射特性（Kattawar等，1973）。

2.2 冰云輻射亮溫模擬與驗(yàn)證

本文以美國氣象再分析資料FNL（Final）為初始場驅(qū)動(dòng)中尺度氣象研究與預(yù)報(bào)模式WRF（Weather Research and Forecasting Model） 預(yù) 報(bào) 得到設(shè)定時(shí)刻、區(qū)域的大氣溫濕度廓線、氣壓廓線，以及云水、雨、冰、雪、霰這5種云的水相粒子混合比廓線等DOTLRT 模式需要的輸入?yún)?shù)。實(shí)驗(yàn)案例選用了2016 年7 月7 日的臺(tái)風(fēng)“尼伯特”場景，預(yù)報(bào)場的初始時(shí)刻選取2016 年7 月7 日UTC 00：00 時(shí)刻，預(yù)報(bào)時(shí)長為6 個(gè)小時(shí)，大氣垂直分層數(shù)為59 層，水平格點(diǎn)數(shù)為300×300。亮溫驗(yàn)證方法采用了和美國氣象衛(wèi)星Suomi NPP 上的微波大氣探測載荷ATMS （Advanced Technology Microwave Sounder）的183 GHz 頻率通道觀測亮溫進(jìn)行對(duì)比，將時(shí)間匹配的WRF 大氣參數(shù)插值到ATMS 觀測亮溫?cái)?shù)據(jù)格點(diǎn)上，ATMS 的觀測點(diǎn)數(shù)為96×180。圖1 展示了臺(tái)風(fēng)“尼伯特”場景，183.31±7 GHz、183.31±3 GHz、183.31±1 GHz 頻率通道的ATMS 觀測亮溫和DOTLRT 模擬亮溫的對(duì)比，表1 列出了ATMS 183 GHz 頻段所有5 個(gè)通道的觀測亮溫與模擬亮溫之間差異的均值和均方根。整體上來看模擬亮溫在臺(tái)風(fēng)冰云區(qū)域的分布特征與觀測亮溫一致性較好，在臺(tái)風(fēng)對(duì)流冰云區(qū)域散射計(jì)算值略小于實(shí)際值，模擬亮溫比觀測值略高。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，誤差較小，說明DOTLRT 模擬亮溫精度能夠滿足衛(wèi)星觀測的冰云亮溫模擬需求。

圖1 ATMS觀測亮溫與模擬亮溫對(duì)比Fig.1 Comparison between the brightness temperature of the ATMS and the simulation

表1 ATMS觀測亮溫與模擬的偏差與均方根差Table 1 The bias and Root Mean Square Error（RMSE）between the ATMS observed brightness temperature and the simulation

圖2 是參考ICI 探測儀工作頻率選擇了243—874 GHz 太赫茲頻率范圍的9 個(gè)頻率通道，使用臺(tái)風(fēng)“尼伯特”場景大氣參數(shù)輸入DOTLRT 模擬計(jì)算的冰云亮溫?？梢钥闯鲭S著頻率的升高，臺(tái)風(fēng)冰云區(qū)域的低亮溫特征逐漸明顯，而且在最高的664 GHz 和874 GHz 冰云區(qū)域面積最大，展示了太赫茲高頻對(duì)薄冰云的敏感性。

圖2 太赫茲頻段冰云模擬亮溫Fig.2 Simulated brightness temperature of ice cloud at terahertz frequency band

3 冰云太赫茲輻射散射特性研究

3.1 冰云參數(shù)

大氣數(shù)值模式通常采用水相粒子的水含量WC（water content）的垂直分布廓線作為模式變量，WC 在垂直方向上的積分稱為水路徑WP（water path），不同數(shù)值模式中的冰云WP 值差異幅度最高可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)（Duncan 和Eriksson，2018），因此準(zhǔn)確的冰云探測數(shù)據(jù)有利于提高數(shù)值模式中云模型的準(zhǔn)確性。另一個(gè)描述冰云特性的重要參數(shù)是粒子有效尺寸，本文采用了一個(gè)與粒子質(zhì)量密切相關(guān)的物理量，即中位數(shù)質(zhì)量等效球直徑（Dme），定義式如式（1）所示：

式中，m(D)表示直徑為D的粒子的質(zhì)量；n(D)為粒子尺寸分布函數(shù)，n(D)描述了粒子數(shù)密度與粒子尺寸之間的關(guān)系。Evans 等（1998）的文章中描述冰粒子尺寸分布使用的gamma 尺寸分布函數(shù)公式如下：

式中，α是控制粒子分布形狀的參數(shù)，N0是控制粒子尺寸分布整體比例的參數(shù)，D表示粒子直徑，Dα代表粒子直徑D的α次方。由粒子的尺寸分布可以計(jì)算云的水相粒子在空氣中的等效水含量WC（water content）：

圖3 顯示了WC=0.0011 g/m3時(shí)幾種常用的尺寸分布函數(shù)中冰粒子數(shù)量密度隨冰粒子直徑的變化曲線?？梢钥闯?，圖3 中前3 種分布函數(shù)（Geer、Sekhon and Srivastava以及McFarquhar and Heymsfield）中小尺寸粒子含量較高，gamma分布函數(shù)相較于前3 種分布，中間尺寸粒子含量較高，集中在100—300 μm之間，α值越大，粒子集中范圍越小。

圖3 冰粒子數(shù)量密度隨冰粒直徑的變化曲線Fig.3 Curve of the number density of ice particles varies with the equivalent diameter of ice particles

3.2 太赫茲亮溫對(duì)冰云參數(shù)的敏感性分析

太赫茲頻段冰云中的冰相粒子和輻射信號(hào)的相互作用以散射為主，因此相比于無云的晴空大氣，會(huì)導(dǎo)致亮溫降低（段民征和呂達(dá)仁，2007）。圖4 展示了100—1000 GHz 頻率范圍內(nèi)各種水相粒子引起的亮溫下降對(duì)比。圖4（a）是計(jì)算亮溫使用的大氣參數(shù)中的云水、雨、冰、雪、霰這5種水相粒子的水含量WC垂直分布廓線，可以看出云和雨粒子主要集中在7 km 以下的低層大氣，冰云中的霰粒子高度較低，主要分布在7—12 km，總質(zhì)量是最大的，而冰、雪粒子分布高度在霰之上，主要分布在10—15 km。圖4（b）中不同線型代表在晴空亮溫基礎(chǔ)上添加不同水相粒子計(jì)算的模擬亮溫，L、R、I、S、G 分別為液態(tài)水、雨、冰、雪、霰，下方的圖表示液態(tài)水+雨（實(shí)線）、冰（點(diǎn)線）、雪（點(diǎn)虛線）、霰（短虛線）引起的亮溫差；從中可以看到，在太赫茲頻段范圍內(nèi)液態(tài)水粒子和雨粒子對(duì)亮溫的“貢獻(xiàn)”很小，基本可以忽略不計(jì)；冰粒子在太赫茲低頻有很小的亮溫正效應(yīng)，此時(shí)，冰粒子以吸收效應(yīng)為主，在高頻各個(gè)水汽吸收峰之間的窗區(qū)頻率，冰粒子引起的亮溫下降隨著頻率的升高而逐漸增加；雪粒子在100—1000 GHz 頻段內(nèi)的不同窗區(qū)引起的亮溫衰減變化較??；霰粒子在低頻窗區(qū)對(duì)亮溫的影響很大，而且隨著頻率的升高，吸收比重增加，霰粒子引起的亮溫衰減逐漸減小。從圖4（b）可以發(fā)現(xiàn)，冰粒子和霰粒子與輻射的相互作用很大程度上取決于粒子尺寸對(duì)波長的歸一化比值，即粒子的電長度。

圖4 100—1000 GHz水相粒子引起的亮溫變化特性Fig.4 Variation characteristics of brightness temperature due to various water phase particles at 100—1000 GHz

目前的冰云研究基本上都僅僅將IWP（冰水路徑）和Dme作為反演參數(shù)，而沒有考慮霰粒子對(duì)輻射亮溫的影響，圖5 和圖6 展示了100—1000 GHz頻率冰云亮溫對(duì)不同冰水路徑IWP和霰水路徑GWP的敏感性，可以看出與晴空相比，冰粒子和霰粒子會(huì)導(dǎo)致亮溫產(chǎn)生明顯下降。對(duì)比圖5 和圖6可以看出，低頻亮溫（約100—300 GHz）對(duì)冰粒子不敏感，但對(duì)霰粒子有較高的靈敏度，這種差異使得該頻段具有單獨(dú)探測霰粒子的潛力；而300 GHz以上的高頻段亮溫同時(shí)受到冰粒子和霰粒子的明顯影響，IWP數(shù)值較低的薄冰云對(duì)高頻亮溫也引起明顯的下降效應(yīng)，該頻段亮溫同樣對(duì)較小GWP值表現(xiàn)出明顯的亮溫下降，對(duì)于高GWP值的厚冰云低頻亮溫下降幅度大于高頻亮溫。

圖5 不同IWP值對(duì)應(yīng)的太赫茲冰云亮溫譜Fig.5 THZ ice cloud brightness temperature spectrum due to different IWP

圖6 不同GWP值對(duì)應(yīng)的太赫茲冰云亮溫譜Fig.6 THZ ice cloud brightness temperature spectrum due to different GWP

圖7顯示了在固定云水總含量情況下不同頻率亮溫對(duì)不同等效直徑粒子的敏感性，從中可以看到，小粒子的存在導(dǎo)致高頻時(shí)的亮溫差異較大，而低頻只對(duì)大粒子敏感；圖8顯示了在固定IWC值情況下消光系數(shù)和反照率對(duì)不同等效直徑粒子的敏感性，從中可以看到，當(dāng)Dme值較小時(shí)，隨著Dme的增大，粒子集的散射增量增長迅速，消光和發(fā)射也明顯增加，散射引起亮溫下降，而粒子的自發(fā)射引起亮溫升高（吸收=發(fā)射），當(dāng)Dme增大到某一定值時(shí)，粒子散射的增長速度逐漸緩慢，此時(shí)消光中吸收比重增加，即粒子集的自發(fā)射增加，冰云粒子引起的亮溫下降達(dá)到最大值，隨著Dme繼續(xù)增大，亮溫下降值減小，對(duì)應(yīng)圖7 的變化。因此，使用多個(gè)頻段同時(shí)探測冰云可以更精確的量化冰云各種尺寸粒子的分布，而且只有太赫茲頻段測量才能提供一個(gè)合理的尺寸范圍。

圖7 冰粒子引起的亮溫差隨Dme的變化曲線Fig.7 The sensitivity of the brightness temperature depression at different frequencies to particle size Dme

圖8 冰粒子的消光系數(shù)和反照率隨Dme的變化曲線Fig.8 The sensitivity of the extinction coefficient and albedo of ice particles at different frequencies to particle size Dme

4 冰云探測參數(shù)設(shè)計(jì)

探測頻率和觀測角度是設(shè)計(jì)太赫茲冰云探測儀的重要參數(shù)，合理的探測參數(shù)設(shè)計(jì)有利于提升對(duì)冰云參數(shù)的探測精度（Battaglia 等，2014）。本文基于DOTLRT輻射傳輸模式模擬計(jì)算太赫茲冰云亮溫及雅可比矩陣，開展冰云參數(shù)的敏感性分析，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)合理的冰云探測頻率通道和觀測角度。

4.1 探測頻率通道選擇

在太赫茲頻段，由于強(qiáng)烈的水汽吸收作用導(dǎo)致大氣透明度降低，可以減小地表和低層大氣對(duì)大氣頂層輻射亮溫的干擾，圖9（a）展示了水汽吸收系數(shù)隨頻率的變化，從圖5 和圖6 中可以看到在水汽吸收峰處冰云中的冰、霰粒子引起的亮溫下降接近于0，隨著頻率的偏移，不同IWP/GWP值情況下引起的亮溫變化表現(xiàn)出明顯的差異，當(dāng)IWP/GWP 為300 g/m2情況下，頻率為183.31+7.0 GHz 時(shí)冰/霰粒子引起的亮溫下降為6.30 K/62.37 K，頻率為183.31+2.0 GHz 時(shí)冰/霰粒子引起的亮溫下降為2.28 K/12.26 K，這些差異中包含了冰云Dme、水路徑總量WP 的信息，因此可以采用水汽吸收線附近的頻率來探測冰云。另一方面，由于痕量氣體分布高度通常在冰云之上，在大氣痕量氣體的吸收峰頻率會(huì)對(duì)冰云信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈衰減，因此選擇冰云探測頻率的一個(gè)重要考量是盡量減少冰云之上的高層大氣吸收氣體對(duì)輻射傳輸?shù)挠绊憽D9 展示了大氣中水汽、氧氣和4 種痕量氣體（O3、N2O、ClO 和CO）在壓強(qiáng)為800 hPa、溫度為300 K 時(shí)的吸收系數(shù)隨頻率的變化曲線?？梢钥吹剑l率越高，水汽吸收越強(qiáng)，大氣不透明度越高；痕量氣體的強(qiáng)吸收峰多數(shù)都集中在600 GHz以上的頻率，并且均勻分布，在選擇冰云探測頻率時(shí)需要避免痕量氣體強(qiáng)吸收峰處的頻率。

圖9 各種大氣成分吸收系數(shù)隨頻率變化曲線Fig.9 Curves of absorption coefficients of various atmospheric components varies with frequency

冰云探測頻率選擇的另一個(gè)重要考量是頻率通道權(quán)重函數(shù)的峰值高度，代表了該頻率亮溫對(duì)大氣敏感的高度，而權(quán)重函數(shù)可以用亮溫對(duì)大氣溫度的雅可比矩陣來計(jì)算，用來評(píng)估觀測頻點(diǎn)亮溫對(duì)不同高度大氣的敏感程度（Buehler 等，2012）。圖10展示了晴空大氣場景下以水汽吸收峰頻率為中心的不同邊帶頻率對(duì)大氣溫度的雅可比矩陣，從中可以看出，較低的4個(gè)水汽吸收頻率的敏感高度位于冰云所在的高度范圍內(nèi)，高頻率水汽通道由于強(qiáng)烈的吸收作用，只對(duì)10 km 以上的高層大氣敏感，其中，最強(qiáng)的兩個(gè)水汽吸收峰557 GHz 和752 GHz 敏感高度均介于云層之上的高度，因此，冰云探測不能采用高頻水汽吸收通道；此外，380 GHz 和448 GHz 水汽通道的敏感高度均在10 km 上下分布，從本文3.2節(jié)的圖5和圖6中可以看到380 GHz和448 GHz水汽吸收頻率附近冰/霰粒子會(huì)引起顯著的亮溫下降，變化的幅度也較為一致，考慮到不同波長對(duì)冰云中不同尺寸的粒子敏感度不同，選取波長跨度較大的頻率組合有利于獲取冰云更多粒子尺寸的信息，本文選擇183 GHz、325 GHz 和448 GHz 這3 個(gè)水汽吸收峰作為探測中心頻率。對(duì)于同一中心頻率，頻偏越大的通道水汽吸收作用越弱，從而對(duì)應(yīng)不同的敏感高度。為了覆蓋不同高度的冰云探測，需要選取多個(gè)不同頻偏的頻率通道同時(shí)測量。

圖10 水汽吸收通道的溫度雅可比曲線Fig.10 Temperature Jacobian curves of water vapor absorption channels

圖11 展示了多個(gè)窗區(qū)通道對(duì)大氣溫度的雅可比曲線對(duì)比。從圖11中可以看出，隨著頻率的升高，敏感高度上升，大氣透明度降低，這與圖9（a）中的結(jié)果一致。從圖5中可以知道對(duì)于冰云中的小粒子，只有在太赫茲高頻才有足夠的探測靈敏度，而從圖3可以看到冰粒子尺寸分布中小尺寸粒子含量較高，因此需要選取部分窗區(qū)通道作為探測通道，結(jié)合水汽通道，探測范圍能夠覆蓋冰云幾乎所有的粒子尺寸，參考現(xiàn)有載荷的窗區(qū)頻率，本文選取了243 GHz、664 GHz、874 GHz 這3 個(gè)窗區(qū)頻率作為冰云探測頻率。綜合分析，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)的冰云探測頻段為183 GHz、243 GHz、325 GHz、448 GHz、664 GHz、874 GHz，具體12個(gè)頻率通道如表2所示。

表2 太赫茲冰云探測頻率通道Table 2 Frequency channels of THz ice cloud sounding

圖11 窗區(qū)通道的溫度雅可比曲線Fig.11 Temperature Jacobian curves of window channels

綜上分析，可以得到以下4點(diǎn)冰云探測頻率通道設(shè)計(jì)原則：（1）選取水汽吸收線附近的頻率；（2） 避開冰云上層痕量氣體的強(qiáng)吸收峰譜線；（3）選擇權(quán)重函數(shù)峰值高度與冰云高度對(duì)應(yīng)的頻率；（4）選取多個(gè)間隔較大的水汽吸收頻率，覆蓋冰相粒子的主要尺寸分布范圍。

圖12 展示了本文選擇的冰云探測頻段在不同冰水路徑IWP和霰水路徑GWP下的大氣亮溫值?？梢钥吹剑煌琁WP、GWP值在探測頻段處的亮溫差異非常明顯，其中，對(duì)不同IWP差異最明顯的是664 GHz和874 GHz窗區(qū)通道，不同GWP值差異最明顯的是243 GHz 窗區(qū)通道和325 GHz 水汽通道，其次是183 GHz 水汽通道，183 GHz 水汽吸收峰的遠(yuǎn)翼通道對(duì)霰參數(shù)變化的敏感性遠(yuǎn)大于冰參數(shù)變化的敏感性，具有單獨(dú)探測霰粒子的潛力。

圖12 冰云探測頻率通道的亮溫隨冰云含量的變化曲線Fig.12 Curves of brightness temperature varies with various particles content at ice cloud sounding frequency bands

4.2 觀測角度設(shè)計(jì)

冰云探測儀通常采用固定觀測角的圓錐掃描工作方式，掃描角度需要在獲得良好的地球覆蓋率（盡可能大的掃描角度）和避免過高的大氣不透明度（盡可能小的掃描角度）之間進(jìn)行折中平衡設(shè)計(jì)，此外也要保證選取的掃描角度對(duì)冰云具有較高的探測靈敏度（Battaglia 等，2014）。圖13為表2 中12 個(gè)冰云探測頻率通道在不同觀測角度下的模擬晴空觀測亮溫，隨著天頂角的增大，亮溫的傳輸路徑逐漸增長，可以看到在53°左右的位置大氣吸收衰減速度出現(xiàn)拐點(diǎn)，衰減速度明顯變快。因此考慮到大氣不透明度的因素，冰云觀測角不宜超過53°太多，而這個(gè)角度范圍也能保證具有足夠的刈幅寬度。

為了分析觀測角度對(duì)冰云探測靈敏度的影響，本文基于DOTLRT 模式模擬計(jì)算了不同觀測角度下兩種冰相粒子（冰、霰）引起的亮溫差。圖14和圖15 分別展示了在12 個(gè)冰云探測頻率通道由不同路徑總量的冰粒子、霰粒子散射引起的亮溫差隨觀測角度的變化曲線，其中x 軸為觀測角度，y 軸為冰、霰粒子引起的亮溫差，不同線型表示不同的路徑總量IWP和GWP，灰實(shí)線表示53°±5°觀測角度范圍。從圖14 可以看到，在183 GHz 水汽吸收通道，冰粒子引起的亮溫差較小；在325 GHz水汽吸收通道和243 GHz水汽窗區(qū)通道，較小觀測角度時(shí)，大氣透明度較高，對(duì)冰云層以下的大氣更加敏感，隨著觀測角度的增大，大氣不透明度變高，冰粒子對(duì)大氣輻射亮溫的散射特性顯著增加；在448 GHz水汽吸收通道，觀測角度的變化對(duì)冰粒子的散射特性影響較小；在664 GHz、874 GHz通道，隨著觀測角度的增大，冰粒子的散射特性變化較為平緩，觀測角度約為53°左右時(shí)，冰粒子引起的亮溫差最大。圖15 中可以看到，在所有冰云探測頻率通道下，隨著觀測角度的增大，霰粒子引起的亮溫差先是緩慢減小，30°左右達(dá)到拐點(diǎn)，之后亮溫差隨著觀測角度的增加逐漸變大，增加到80°左右亮溫差達(dá)到飽和。觀測角度從零度角開始增加的時(shí)候，大氣輻射傳輸路徑逐漸變長，這個(gè)時(shí)候氧氣和水汽的吸收作用都會(huì)有所增加，大氣不透明度變高，低層大氣對(duì)輻射亮溫的影響逐漸減弱（這里的低層大氣也包含低層的霰粒子），因此霰粒子引起的亮溫差逐漸變小，同時(shí)隨著觀測角度增加，頻率通道權(quán)重函數(shù)的峰值高度也會(huì)增加，達(dá)到霰粒子分布中心高度時(shí)，霰粒子散射引起的亮溫差開始增加。

圖14 不同IWP時(shí)的亮溫差隨觀測角度變化曲線Fig.14 Curve of the brightness temperature depression due to different IWP varies with observation angle

圖15 不同GWP時(shí)的亮溫差隨觀測角度變化曲線Fig.15 Curve of the brightness temperature depression due to different GWP varies with observation angle

從對(duì)兩種冰相粒子的分析綜合來看，同時(shí)需要考慮對(duì)于地表的覆蓋范圍以及探測高度覆蓋范圍，再考慮要保證對(duì)冰、霰粒子的亮溫靈敏度足夠大，觀測入射角選擇在53°附近是一個(gè)較好的折中方法，因此對(duì)冰云觀測角度選擇在53°±5°范圍內(nèi)較為合適。

5 結(jié) 論

根據(jù)以上基于DOTLRT 輻射傳輸模式模擬太赫茲冰云亮溫開展的太赫茲冰云輻射散射特性研究和探測參數(shù)設(shè)計(jì)研究，可以得到以下結(jié)論：

（1）ATMS 載荷的183 GHz 頻段亮溫分析結(jié)果表明183 GHz頻段亮溫對(duì)霰粒子具有較高的敏感性但是對(duì)冰粒子很不敏感，而臺(tái)風(fēng)對(duì)流區(qū)的冰云中包含大量霰粒子，意味對(duì)太赫茲冰云探測需要同時(shí)考慮冰粒子和霰粒子。

（2）在太赫茲頻段冰云中冰粒子和霰粒子與電磁波的共振最強(qiáng)，引起強(qiáng)烈的散射導(dǎo)致輻射亮溫下降，對(duì)不同垂直水路徑的變化，在100—300 GHz 霰引起的亮溫差異更加明顯，例如對(duì)應(yīng)300 g/m2的IWP/GWP，冰/霰粒子在183.31+2.0 GHz產(chǎn)生的亮溫下降為2.28 K/12.26 K，在183.31+7.0 GHz 產(chǎn)生的亮溫下降為6.30 K/62.37 K，表明該頻段具有單獨(dú)探測霰粒子的潛力。而300 GHz以上的頻率冰粒子和霰粒子的散射都很強(qiáng)烈，均引起明顯的亮溫下降。

（3）太赫茲頻段多個(gè)頻率對(duì)溫度的雅可比矩陣表明，183 GHz、325 GHz、448 GHz 水汽吸收通道的敏感高度與冰云所處高度最為接近，具有探測冰云中冰、霰粒子的潛力，而243 GHz、664 GHz、874 GHz 窗區(qū)通道可以填補(bǔ)水汽吸收頻率無法探測到的冰云粒子尺寸間隙，同時(shí)避免上層大氣中痕量氣體的影響，覆蓋大部分的粒子尺寸范圍。

（4） 太赫茲頻段各個(gè)探測頻率通道在不同觀測角度下的模擬亮溫表明，在較大的觀測角度下，無法探測到低層大氣，另一方面，考慮到較大的觀測角度可以提供較大的地表覆蓋面積，推薦冰云觀測角度在53°±5°范圍內(nèi)較為合適。

志 謝感謝美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校Al. Gasiewski 教授提供的DOTLRT 模式，在此表示衷心的感謝！