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基于系留气艇平台的红外辐射传输算法实验验证

章文星 吕达仁 霍娟 王勇 孙宝来 李立群

章文星, 吕达仁, 霍娟, 等. 基于系留气艇平台的红外辐射传输算法实验验证. 应用气象学报, 2011, 22(6): 654-662..
引用本文: 章文星, 吕达仁, 霍娟, 等. 基于系留气艇平台的红外辐射传输算法实验验证. 应用气象学报, 2011, 22(6): 654-662.
Zhang Wenxing, Lü Daren, Huo Juan, et al. Alidation of atmospheric radiative transfer model with field experiments using tethered-balloon-borne facilities. J Appl Meteor Sci, 2011, 22(6): 654-662.
Citation: Zhang Wenxing, Lü Daren, Huo Juan, et al. Alidation of atmospheric radiative transfer model with field experiments using tethered-balloon-borne facilities. J Appl Meteor Sci, 2011, 22(6): 654-662.

基于系留气艇平台的红外辐射传输算法实验验证

资助项目: 

国家自然科学基金项目 40775026

国家自然科学基金项目 40333034

国家自然科学基金项目 40475013

详细信息
    通信作者:

    吕达仁, E-mail:ludr@mail.iap.ac.cn

alidation of Atmospheric Radiative Transfer Model with Field Experiments Using Tethered-balloon-borne Facilities

  • 摘要: 中国科学院大气物理研究所中层大气和全球环境探测重点实验室 (LAGEO) 建立了以系留气艇为平台的综合探测系统。通过气艇在大气边界层上升、下降过程获得不同高度的气象参数和同时的辐射参数。以气象参数为输入,应用辐射传输模式 (MODTRAN4.0) 获得模式辐射输出,将其与实测辐射值作对比,验证MODTRAN4.0模式的准确性,为有关目标识别与遥感提供基础。2006年8月在中国科学院大气物理研究所香河综合观测站利用系留气艇平台进行了验证实验,并对热红外波段的模式对比结果进行分析。结果表明:所建实验系统具备进行模式验证的能力,在热红外波段,MODTRAN4.0模式输出结果与实测辐射亮度之间的相对误差的均方差在边界层大气条件下小于3%。
  • 图  1  异型系留气艇结构图

    Fig. 1  Schematic diagram of tethered-balloon-based facilities

    图  2  北京1—12月天顶亮温随高度的变化 (单位:℃)

    (a) 能见度为23 km, (b) 能见度为3 km

    Fig. 2  Seasonal variation of the vertical distribution of thermal infrared brightness temperature in zenith direction over Beijing(unit: ℃) (a) VIS=23 km, (b) VIS=3 km

    图  3  北京不同季节天顶亮温随能见度的分布情况 (单位:℃)

    Fig. 3  Variation of zenith looking thermal infrared brightness temperature with height and surface visibility over Beijing for different seasons(unit:℃)

    图  4  红外辐射数据处理流程图

    Fig. 4  Flow chart of thermal infrared radiation data processing

    图  5  2006年8月15日温、湿、压廓线1 km以上分别采用北京市观象台早晚两次探空资料的模拟计算结果

    Fig. 5  Model output of zenith looking thermal radiation with height by using tethered-balloon borne observation within 1 km and morning and evening radiosonding profiles on 15 August 2006

    图  6  2006年8月15日17:19—17:45晴空情况下气艇上升实验对比

    Fig. 6  Comparion of model output and field observation of infrared radiances for clear sky during 17:19—17:45 on 15 August 2006

    图  7  2006年8月24日14:18—14:37层状云情况下气艇上升试验对比图

    Fig. 7  Comparion of model output and field observation of infrared radiances for overcast sky during 14:18—14:37 on 24 August 2006

    图  8  2006年8月23日18:08—18:26分立云块情况下气艇下降试验对比图

    Fig. 8  Comparion of model output and field observation of infrared radiances for broken cloudy sky during 18:08—18:26 on 23 August 2006

    表  1  系留气艇观测时间与相关气象情况

    Table  1  Meteorological conditions during field experiments

    实验
    序号
    起始时间 气艇
    状态
    天气云况 云量/成 地面能
    见度/km
    数据及处理
    1 08-12T20:31 上升 阴, 层状云 10 1 由于上升中至少3层不同高度云过顶,过于复杂,
    2 08-12T21:18 下降 阴, 层状云 10 1 未处理600 m以下处于同一云层下,600~1000 m有云层变化
    3 08-15T15:27 上升 20 1000 m以下均合适
    4 08-15T15:53 下降 20 1000 m以下均合适
    5 08-15T17:19 上升 20 1000 m以下均合适
    6 08-15T17:46 下降 20 200~1000 m合适,200 m以下姿态可能不稳
    7 08-17T12:50 上升 层状云 10 5 间歇于2块云层下,分别于不同云底高度下
    8 08-17T13:14 下降 层状云 10 5 500 m以下与850 m以上同一天空,550~750 m为同一云层
    9 08-21T15:32 上升 毛卷云 2 5 650 m以下合适
    10 08-21T15:55 下降 毛卷云 2 5 550 m以下合适
    11 08-21T17:12 上升 毛卷云, 密卷云 3 10 700 m以下合适
    12 08-21T17:23 下降 毛卷云, 密卷云 3 10 400~750 m合适, 100~400 m合适
    13 08-23T15:04 上升 毛卷云 2 4 550 m以下、900~1050 m合适
    14 08-23T15:25 下降 毛卷云 2 4 1000 m以下合适
    15 08-23T15:40 上升 毛卷云 2 4 1000 m以下合适
    16 08-23T15:54 下降 毛卷云 2 4 600~1000 m、550 m以下合适
    17 08-23T17:00 上升 毛卷云 2 4 云况十分复杂,处于有云、无云变化状态
    18 08-23T17:14 下降 毛卷云 2 4 云况太复杂,无法处理
    19 08-23T17:35 上升 毛卷云 2 4 云有一定复杂性,800 m以下基本合适
    20 08-23T18:08 下降 毛卷云 2 4 850 m以下合适
    21 08-23T18:52 上升 毛卷云 2 5 1000 m以下合适
    22 08-23T19:05 下降 毛卷云 2 5 900 m以下合适
    23 08-24T11:29 上升 高积云 10 3 1000 m以下合适
    24 08-24T11:46 下降 高积云 10 3 云况太复杂,无法处理
    25 08-24T13:39 上升 高积云, 高层云 10 3 云况太复杂,无法处理
    26 08-24T13:53 下降 高积云, 高层云 10 3 400 m以下合适
    27 08-24T14:18 上升 高积云, 高层云 8 4 850 m以下合适
    28 08-24T14:38 下降 高积云, 高层云 8 4 云况太复杂,无法处理
    29 08-24T15:29 上升 高积云, 高层云 8 4 1000 m以下合适
    30 08-24T15:40 下降 高积云, 高层云 8 4 1000 m以下合适
    31 08-24T16:19 上升 高积云, 高层云 6 5 云况太复杂,无法处理
    32 08-24T16:35 下降 高积云, 高层云 6 5 600 m以下合适
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    表  2  验证对比统计结果

    Table  2  Statistical result of the validation

    试验序号 时间 气艇状态 对比高度范围 晴空或云下 相对误差均方差/%
    2 08-12T21:18 下降 地面~800 m 云下 1.59
    3 08-15T15:27 上升 地面~1014 m 4.82
    4 08-15T15:53 下降 地面~904 m 2.00
    5 08-15T17:19 上升 地面~1029 m 1.59
    6 08-15T17:46 下降 200~ 984 m 3.55
    8 08-17T13:14 下降 地面~506 m,
    530~723 m
    云下 1.53
    2.80
    9 08-21T15:32 上升 地面~ 663 m 云下 3.49
    10 08-21T15:55 下降 地面~ 545 m 云下 2.04
    11 08-21T17:12 上升 地面~ 667 m 云下 2.46
    12 08-21T17:23 下降 400~727 m 云下 2.41
    13 08-23T15:04 上升 地面~486 m,
    898~1036 m
    云下 0.87
    2.07
    14 08-23T15:25 下降 地面~486 m 云下 4.56
    15 08-23T15:40 上升 地面~1003 m 云下 3.34
    16 08-23T15:54 下降 地面~549 m,
    632~1023 m
    云下 3.06
    2.56
    19 08-23T17:35 上升 地面~767 m 云下 3.87
    20 08-23T18:08 下降 119~849 m 云下 2.45
    21 08-23T18:52 上升 地面~784 m 云下 3.27
    22 08-23T19:05 下降 107~908 m 云下 4.60
    23 08-24T11:29 上升 地面~1130 m 云下 3.23
    26 08-24T13:53 下降 地面~389 m 云下 1.02
    27 08-24T14:18 上升 地面~848 m 云下 0.89
    29 08-24T15:29 上升 98~1026 m 云下 6.74
    30 08-24T15:40 下降 地面~1030 m 云下 5.95
    32 08-24T16:35 下降 地面~601 m 云下 2.31
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出版历程
  • 收稿日期:  2010-10-20
  • 修回日期:  2016-01-13
  • 刊出日期:  2011-12-31

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