太赫兹冰云辐射散射特性研究和探测参数设计

陈柯，董杉彬，李迎雪，徐红新，谢振超，姜丽菲，李恩晨，吴琼，商建

1.华中科技大学,武汉 430074;

2.上海航天电子技术研究所,上海 201109;

3.许健民气象卫星创新中心,中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室/国家卫星气象中心(国家空间天气监测预警中心),北京 100081

1 引 言

大气中广泛存在冰相粒子，大量冰相粒子聚集形成冰云，主要存在于6—15 km 高度处，在全球表面具有平均30%的覆盖率（刘磊等，2020）。一方面，冰云吸收地球表面和云层下方大气的热红外辐射，导致气候变暖，产生温室效应；另一方面，冰云将入射的太阳短波辐射反射到太空中，具有冷却效应，因此冰云在地球能量循环和水文循环中发挥着重要作用（Buehler等，2012）。冰云对辐射交换的影响取决于云层垂直结构、冰水含量和冰相粒子尺寸等物理特性，因此通过卫星遥感获取全球冰云参数，有助于完善冰云数值模型，为航空、农业、极端天气预警等多种应用领域提供服务（Buehler等，2007）。

冰云中冰相粒子尺寸集中在20—600 μm，目前主流的卫星遥感手段包括可见光/红外探测仪、激光雷达、微波雷达和微波辐射计对冰云探测都存在一定不足（王虎等，2017）。光学遥感的波长一般小于20 μm，云层穿透能力较差，通常只对50 μm以下的冰相粒子敏感；微波测云雷达，例如美国CloudSat 卫星搭载的94 GHz 云廓线雷达CPR（Cloud Profiling Radar），其探测频率较低，只对大尺寸冰粒敏感，同理微波辐射计也具有这种局限（杨冰韵等，2014）；激光测云雷达，例如美国的CALIOP （Cloud−Aerosols Lidar and Orthogonal Polarization），采用532 nm 和1064 nm 频点，波长较短，只能探测50 μm 以下冰晶，不能穿透较厚的云层，也难以实现较宽的探测刈幅。太赫兹波是指频率在0.1—10 THz（波长为3000—30 μm）范围内的电磁波，波长与冰相粒子尺寸相近，兼顾了穿透能力与敏感性，因此太赫兹被动遥感可以填补50—500 μm 尺寸冰相粒子探测空白，是目前最具潜力的冰云探测手段（Evans 和Stephens，1995b；Evans 等，1999）。

星载太赫兹被动冰云探测是基于冰云粒子对下方大气上视辐射的吸收和散射过程，这一过程导致亮温下降，使得冰云区域的太赫兹辐射亮温低于无冰云的晴空区域（董佩明等，2014）。冰云区域的亮温下降与辐射波长、冰相粒子密度和尺寸、观测角度等因素都密切相关，构成了太赫兹冰云探测的物理基础，因此掌握太赫兹频段冰云辐射散射特性是设计太赫兹冰云探测载荷、发展星载太赫兹被动冰云探测技术的前提（王虎等，2017）。自20 世纪末期，美国Evans 等（2002）开始研究太赫兹频段冰粒子的微物理效应，包括冰粒尺寸、形状属性，研究发现冰粒的形状属性是影响散射极化特性的主要因素，同时探讨了高空飞行器和卫星对卷云冰水路径进行高频微波遥感的可行性和可能的方法（Miao 等，2003；Jiménez等，2007；何杰颖和张升伟，2016）；21 世纪初期美国和欧洲陆续开展太赫兹频段微波亮温对冰粒子的敏感性研究和机载试验（Evans 等，2005；Rule 等，2013；Bennartz 和Bauer，2003；Kangas等，2014）。Evans 和Stephens（1995a）以及Evans等（1998）通过离散偶极子近似方法建立了冰云中不同形状（实心柱、空心柱、六边形板、平面玫瑰等）的散射模型；其后Tang 和Aydin（1995）研究了平面子弹玫瑰体的微波散射；在2008 年，Liu（2008）开发了一个包含15—340 GHz 范围内11 中冰粒子的散射特性模型库；2002 年，Skofronick−Jackson 等（2002）通过理论建模，研究了海洋对流风暴的4 个演化阶段在6—410 GHz频段内不同云物理参数方案对亮度温度的影响，并与CAMEX−2（Convection and Moisture Experiment−2）实测的亮温对比，对比结果在一定程度上验证了云参数化方案的可靠性。美国多家科研机构联合多个平台的卫星探测数据，通过离散偶极子近似方法，讨论了冰粒形状、冰粒尺寸和不同频率对体散射特性的影响，通过将体散射特性参数化为冰云粒子大小的函数，建立了一个100—1000 GHz频段、适用于六边形实心柱和空心柱、六边形板、三维弹状花状体、聚合体等非球形冰粒子的单散射数据库（Hong 等，2009）；Baran 等（2018）将物理光学方法应用到毫米波太赫兹频段，利用Voronoi 等非规则冰晶模型提出了一种更简化的三形态冰云模型来模拟实际的多种形态冰晶构成的冰云，实现太赫兹波段冰晶体散射特性的计算。

目前对冰云的太赫兹辐射散射特性研究仅针对固态冰粒子（Ice），但是数值模式的云微物理模式里面还包含另一种冰—空气—水混合的霰粒子（Graupel）。由于其物理特性与冰粒子不同，霰粒子的太赫兹辐射散射特性与冰粒子有明显区别（董佩明等，2014）。为了能够在太赫兹冰云探测中同时反演冰、霰两种粒子的参数，需要对冰、霰两种粒子构成冰云的太赫兹辐射散射特性进行研究；此外由于全球还没有实际发射在轨运行的太赫兹冰云探测载荷（欧洲气象卫星应用组织在下一代气象卫星Metop−SG B 上将搭载第一个星载太赫兹冰云成像仪ICI（Ice Cloud Imager），计划2023 年发射（Accadia 等，2013）），因此对载荷探测频段和观测角度等参数的设计方法介绍也比较少。

目前中国的太赫兹冰云探测技术研究尚处于起步阶段，为了深入理解冰云太赫兹辐射散射特性和探测仪参数设计对冰粒子和霰粒子探测能力的影响，本文基于离散纵标切线性辐射传输模式DOTLRT （Discrete−Ordinate Tangent Linear Radiative Transfer）模拟计算太赫兹频段冰云辐射亮温，以此为手段定量分析冰云中冰、霰两种粒子的特性参数（等效粒径Dme、冰水路径总量IWP（Ice Water Path）、霰水路径总量GWP（Graupel Water Path）对冰云辐射亮温的影响，掌握冰云太赫兹辐射散射特性，并以此为基础给出太赫兹冰云探测器的探测频率通道和探测角度的设计方法和结果。

2 冰云亮温模拟

大气辐射传输模式通过对辐射传输方程进行求解实现从大气物理参数到大气辐射亮温的映射计算。本文以冰云大气数据库为输入，使用辐射传输模式DOTLRT 模拟计算太赫兹冰云亮温数据。本节给出了模拟冰云亮温产生和验证过程。

2.1 DOTLRT辐射传输模式

DOTLRT 是美国NOAA 两位科学家Gasiewski和Voronovich 基于差分辐射传输方程DRTE（Differential Radiative Transfer Equation）的对称性和分析对角化，通过对称正定矩阵分解实现DRTE求解的一种离散正切线性辐射传输模型。DOTLRT能够对大气中的云水、雨、冰、雪、霰这5种水相粒子的吸收和散射效应进行计算，频率可至1 THz（Voronovich 等，2004），满足本文太赫兹冰云亮温模拟需求。

构成冰云的粒子形状包含球形和非球形，虽然目前已经有一些研究实现了非球形冰晶粒子的体散射特性计算（Hong 等，2009；Baran 等，2018），但是这些非球形粒子模型只针对冰粒子，没有包含霰粒子。因此本文还是采用球形冰、霰粒子的参数化模型来模拟冰云的散射辐射特性。球形冰云粒子模型可视为对相同质量非球形粒子散射特性的平均表征，虽然会引入一定误差，但是将模拟值与观测值对比表明统计误差的程度还是可以接受的（刘硕松等，2012）。DOTLRT 模式中计算粒子散射特性使用的HG（Heneny−Greenstain）散射相矩阵是一种近似计算公式，在粒子密度较大、散射较强时计算精度有所下降，因此本文在DOTLRT 模式中添加了Mie 散射相矩阵计算模块，使用经典Mie球形冰晶粒子散射公式来计算冰云粒子的散射特性（Kattawar等，1973）。

2.2 冰云辐射亮温模拟与验证

本文以美国气象再分析资料FNL（Final）为初始场驱动中尺度气象研究与预报模式WRF（Weather Research and Forecasting Model） 预 报 得到设定时刻、区域的大气温湿度廓线、气压廓线，以及云水、雨、冰、雪、霰这5种云的水相粒子混合比廓线等DOTLRT 模式需要的输入参数。实验案例选用了2016 年7 月7 日的台风“尼伯特”场景，预报场的初始时刻选取2016 年7 月7 日UTC 00：00 时刻，预报时长为6 个小时，大气垂直分层数为59 层，水平格点数为300×300。亮温验证方法采用了和美国气象卫星Suomi NPP 上的微波大气探测载荷ATMS （Advanced Technology Microwave Sounder）的183 GHz 频率通道观测亮温进行对比，将时间匹配的WRF 大气参数插值到ATMS 观测亮温数据格点上，ATMS 的观测点数为96×180。图1 展示了台风“尼伯特”场景，183.31±7 GHz、183.31±3 GHz、183.31±1 GHz 频率通道的ATMS 观测亮温和DOTLRT 模拟亮温的对比，表1 列出了ATMS 183 GHz 频段所有5 个通道的观测亮温与模拟亮温之间差异的均值和均方根。整体上来看模拟亮温在台风冰云区域的分布特征与观测亮温一致性较好，在台风对流冰云区域散射计算值略小于实际值，模拟亮温比观测值略高。从统计数据来看，误差较小，说明DOTLRT 模拟亮温精度能够满足卫星观测的冰云亮温模拟需求。

图1 ATMS观测亮温与模拟亮温对比Fig.1 Comparison between the brightness temperature of the ATMS and the simulation

表1 ATMS观测亮温与模拟的偏差与均方根差Table 1 The bias and Root Mean Square Error（RMSE）between the ATMS observed brightness temperature and the simulation

图2 是参考ICI 探测仪工作频率选择了243—874 GHz 太赫兹频率范围的9 个频率通道，使用台风“尼伯特”场景大气参数输入DOTLRT 模拟计算的冰云亮温。可以看出随着频率的升高，台风冰云区域的低亮温特征逐渐明显，而且在最高的664 GHz 和874 GHz 冰云区域面积最大，展示了太赫兹高频对薄冰云的敏感性。

图2 太赫兹频段冰云模拟亮温Fig.2 Simulated brightness temperature of ice cloud at terahertz frequency band

3 冰云太赫兹辐射散射特性研究

3.1 冰云参数

大气数值模式通常采用水相粒子的水含量WC（water content）的垂直分布廓线作为模式变量，WC 在垂直方向上的积分称为水路径WP（water path），不同数值模式中的冰云WP 值差异幅度最高可达一个数量级（Duncan 和Eriksson，2018），因此准确的冰云探测数据有利于提高数值模式中云模型的准确性。另一个描述冰云特性的重要参数是粒子有效尺寸，本文采用了一个与粒子质量密切相关的物理量，即中位数质量等效球直径（Dme），定义式如式（1）所示：

式中，m(D)表示直径为D的粒子的质量；n(D)为粒子尺寸分布函数，n(D)描述了粒子数密度与粒子尺寸之间的关系。Evans 等（1998）的文章中描述冰粒子尺寸分布使用的gamma 尺寸分布函数公式如下：

式中，α是控制粒子分布形状的参数，N0是控制粒子尺寸分布整体比例的参数，D表示粒子直径，Dα代表粒子直径D的α次方。由粒子的尺寸分布可以计算云的水相粒子在空气中的等效水含量WC（water content）：

图3 显示了WC=0.0011 g/m3时几种常用的尺寸分布函数中冰粒子数量密度随冰粒子直径的变化曲线。可以看出，图3 中前3 种分布函数（Geer、Sekhon and Srivastava以及McFarquhar and Heymsfield）中小尺寸粒子含量较高，gamma分布函数相较于前3 种分布，中间尺寸粒子含量较高，集中在100—300 μm之间，α值越大，粒子集中范围越小。

图3 冰粒子数量密度随冰粒直径的变化曲线Fig.3 Curve of the number density of ice particles varies with the equivalent diameter of ice particles

3.2 太赫兹亮温对冰云参数的敏感性分析

太赫兹频段冰云中的冰相粒子和辐射信号的相互作用以散射为主，因此相比于无云的晴空大气，会导致亮温降低（段民征和吕达仁，2007）。图4 展示了100—1000 GHz 频率范围内各种水相粒子引起的亮温下降对比。图4（a）是计算亮温使用的大气参数中的云水、雨、冰、雪、霰这5种水相粒子的水含量WC垂直分布廓线，可以看出云和雨粒子主要集中在7 km 以下的低层大气，冰云中的霰粒子高度较低，主要分布在7—12 km，总质量是最大的，而冰、雪粒子分布高度在霰之上，主要分布在10—15 km。图4（b）中不同线型代表在晴空亮温基础上添加不同水相粒子计算的模拟亮温，L、R、I、S、G 分别为液态水、雨、冰、雪、霰，下方的图表示液态水+雨（实线）、冰（点线）、雪（点虚线）、霰（短虚线）引起的亮温差；从中可以看到，在太赫兹频段范围内液态水粒子和雨粒子对亮温的“贡献”很小，基本可以忽略不计；冰粒子在太赫兹低频有很小的亮温正效应，此时，冰粒子以吸收效应为主，在高频各个水汽吸收峰之间的窗区频率，冰粒子引起的亮温下降随着频率的升高而逐渐增加；雪粒子在100—1000 GHz 频段内的不同窗区引起的亮温衰减变化较小；霰粒子在低频窗区对亮温的影响很大，而且随着频率的升高，吸收比重增加，霰粒子引起的亮温衰减逐渐减小。从图4（b）可以发现，冰粒子和霰粒子与辐射的相互作用很大程度上取决于粒子尺寸对波长的归一化比值，即粒子的电长度。

图4 100—1000 GHz水相粒子引起的亮温变化特性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仅仅将IWP（冰水路径）和Dme作为反演参数，而没有考虑霰粒子对辐射亮温的影响，图5 和图6 展示了100—1000 GHz频率冰云亮温对不同冰水路径IWP和霰水路径GWP的敏感性，可以看出与晴空相比，冰粒子和霰粒子会导致亮温产生明显下降。对比图5 和图6可以看出，低频亮温（约100—300 GHz）对冰粒子不敏感，但对霰粒子有较高的灵敏度，这种差异使得该频段具有单独探测霰粒子的潜力；而300 GHz以上的高频段亮温同时受到冰粒子和霰粒子的明显影响，IWP数值较低的薄冰云对高频亮温也引起明显的下降效应，该频段亮温同样对较小GWP值表现出明显的亮温下降，对于高GWP值的厚冰云低频亮温下降幅度大于高频亮温。

图5 不同IWP值对应的太赫兹冰云亮温谱Fig.5 THZ ice cloud brightness temperature spectrum due to different IWP

图6 不同GWP值对应的太赫兹冰云亮温谱Fig.6 THZ ice cloud brightness temperature spectrum due to different GWP

图7显示了在固定云水总含量情况下不同频率亮温对不同等效直径粒子的敏感性，从中可以看到，小粒子的存在导致高频时的亮温差异较大，而低频只对大粒子敏感；图8显示了在固定IWC值情况下消光系数和反照率对不同等效直径粒子的敏感性，从中可以看到，当Dme值较小时，随着Dme的增大，粒子集的散射增量增长迅速，消光和发射也明显增加，散射引起亮温下降，而粒子的自发射引起亮温升高（吸收=发射），当Dme增大到某一定值时，粒子散射的增长速度逐渐缓慢，此时消光中吸收比重增加，即粒子集的自发射增加，冰云粒子引起的亮温下降达到最大值，随着Dme继续增大，亮温下降值减小，对应图7 的变化。因此，使用多个频段同时探测冰云可以更精确的量化冰云各种尺寸粒子的分布，而且只有太赫兹频段测量才能提供一个合理的尺寸范围。

图7 冰粒子引起的亮温差随Dme的变化曲线Fig.7 The sensitivity of the brightness temperature depression at different frequencies to particle size Dme

图8 冰粒子的消光系数和反照率随Dme的变化曲线Fig.8 The sensitivity of the extinction coefficient and albedo of ice particles at different frequencies to particle size Dme

4 冰云探测参数设计

探测频率和观测角度是设计太赫兹冰云探测仪的重要参数，合理的探测参数设计有利于提升对冰云参数的探测精度（Battaglia 等，2014）。本文基于DOTLRT辐射传输模式模拟计算太赫兹冰云亮温及雅可比矩阵，开展冰云参数的敏感性分析，以此为基础设计合理的冰云探测频率通道和观测角度。

4.1 探测频率通道选择

在太赫兹频段，由于强烈的水汽吸收作用导致大气透明度降低，可以减小地表和低层大气对大气顶层辐射亮温的干扰，图9（a）展示了水汽吸收系数随频率的变化，从图5 和图6 中可以看到在水汽吸收峰处冰云中的冰、霰粒子引起的亮温下降接近于0，随着频率的偏移，不同IWP/GWP值情况下引起的亮温变化表现出明显的差异，当IWP/GWP 为300 g/m2情况下，频率为183.31+7.0 GHz 时冰/霰粒子引起的亮温下降为6.30 K/62.37 K，频率为183.31+2.0 GHz 时冰/霰粒子引起的亮温下降为2.28 K/12.26 K，这些差异中包含了冰云Dme、水路径总量WP 的信息，因此可以采用水汽吸收线附近的频率来探测冰云。另一方面，由于痕量气体分布高度通常在冰云之上，在大气痕量气体的吸收峰频率会对冰云信号产生强烈衰减，因此选择冰云探测频率的一个重要考量是尽量减少冰云之上的高层大气吸收气体对辐射传输的影响。图9 展示了大气中水汽、氧气和4 种痕量气体（O3、N2O、ClO 和CO）在压强为800 hPa、温度为300 K 时的吸收系数随频率的变化曲线。可以看到，频率越高，水汽吸收越强，大气不透明度越高；痕量气体的强吸收峰多数都集中在600 GHz以上的频率，并且均匀分布，在选择冰云探测频率时需要避免痕量气体强吸收峰处的频率。

图9 各种大气成分吸收系数随频率变化曲线Fig.9 Curves of absorption coefficients of various atmospheric components varies with frequency

冰云探测频率选择的另一个重要考量是频率通道权重函数的峰值高度，代表了该频率亮温对大气敏感的高度，而权重函数可以用亮温对大气温度的雅可比矩阵来计算，用来评估观测频点亮温对不同高度大气的敏感程度（Buehler 等，2012）。图10展示了晴空大气场景下以水汽吸收峰频率为中心的不同边带频率对大气温度的雅可比矩阵，从中可以看出，较低的4个水汽吸收频率的敏感高度位于冰云所在的高度范围内，高频率水汽通道由于强烈的吸收作用，只对10 km 以上的高层大气敏感，其中，最强的两个水汽吸收峰557 GHz 和752 GHz 敏感高度均介于云层之上的高度，因此，冰云探测不能采用高频水汽吸收通道；此外，380 GHz 和448 GHz 水汽通道的敏感高度均在10 km 上下分布，从本文3.2节的图5和图6中可以看到380 GHz和448 GHz水汽吸收频率附近冰/霰粒子会引起显著的亮温下降，变化的幅度也较为一致，考虑到不同波长对冰云中不同尺寸的粒子敏感度不同，选取波长跨度较大的频率组合有利于获取冰云更多粒子尺寸的信息，本文选择183 GHz、325 GHz 和448 GHz 这3 个水汽吸收峰作为探测中心频率。对于同一中心频率，频偏越大的通道水汽吸收作用越弱，从而对应不同的敏感高度。为了覆盖不同高度的冰云探测，需要选取多个不同频偏的频率通道同时测量。

图10 水汽吸收通道的温度雅可比曲线Fig.10 Temperature Jacobian curves of water vapor absorption channels

图11 展示了多个窗区通道对大气温度的雅可比曲线对比。从图11中可以看出，随着频率的升高，敏感高度上升，大气透明度降低，这与图9（a）中的结果一致。从图5中可以知道对于冰云中的小粒子，只有在太赫兹高频才有足够的探测灵敏度，而从图3可以看到冰粒子尺寸分布中小尺寸粒子含量较高，因此需要选取部分窗区通道作为探测通道，结合水汽通道，探测范围能够覆盖冰云几乎所有的粒子尺寸，参考现有载荷的窗区频率，本文选取了243 GHz、664 GHz、874 GHz 这3 个窗区频率作为冰云探测频率。综合分析，本文优化设计的冰云探测频段为183 GHz、243 GHz、325 GHz、448 GHz、664 GHz、874 GHz，具体12个频率通道如表2所示。

表2 太赫兹冰云探测频率通道Table 2 Frequency channels of THz ice cloud sounding

图11 窗区通道的温度雅可比曲线Fig.11 Temperature Jacobian curves of window channels

综上分析，可以得到以下4点冰云探测频率通道设计原则：（1）选取水汽吸收线附近的频率；（2） 避开冰云上层痕量气体的强吸收峰谱线；（3）选择权重函数峰值高度与冰云高度对应的频率；（4）选取多个间隔较大的水汽吸收频率，覆盖冰相粒子的主要尺寸分布范围。

图12 展示了本文选择的冰云探测频段在不同冰水路径IWP和霰水路径GWP下的大气亮温值。可以看到，不同IWP、GWP值在探测频段处的亮温差异非常明显，其中，对不同IWP差异最明显的是664 GHz和874 GHz窗区通道，不同GWP值差异最明显的是243 GHz 窗区通道和325 GHz 水汽通道，其次是183 GHz 水汽通道，183 GHz 水汽吸收峰的远翼通道对霰参数变化的敏感性远大于冰参数变化的敏感性，具有单独探测霰粒子的潜力。

图12 冰云探测频率通道的亮温随冰云含量的变化曲线Fig.12 Curves of brightness temperature varies with various particles content at ice cloud sounding frequency bands

4.2 观测角度设计

冰云探测仪通常采用固定观测角的圆锥扫描工作方式，扫描角度需要在获得良好的地球覆盖率（尽可能大的扫描角度）和避免过高的大气不透明度（尽可能小的扫描角度）之间进行折中平衡设计，此外也要保证选取的扫描角度对冰云具有较高的探测灵敏度（Battaglia 等，2014）。图13为表2 中12 个冰云探测频率通道在不同观测角度下的模拟晴空观测亮温，随着天顶角的增大，亮温的传输路径逐渐增长，可以看到在53°左右的位置大气吸收衰减速度出现拐点，衰减速度明显变快。因此考虑到大气不透明度的因素，冰云观测角不宜超过53°太多，而这个角度范围也能保证具有足够的刈幅宽度。

为了分析观测角度对冰云探测灵敏度的影响，本文基于DOTLRT 模式模拟计算了不同观测角度下两种冰相粒子（冰、霰）引起的亮温差。图14和图15 分别展示了在12 个冰云探测频率通道由不同路径总量的冰粒子、霰粒子散射引起的亮温差随观测角度的变化曲线，其中x 轴为观测角度，y 轴为冰、霰粒子引起的亮温差，不同线型表示不同的路径总量IWP和GWP，灰实线表示53°±5°观测角度范围。从图14 可以看到，在183 GHz 水汽吸收通道，冰粒子引起的亮温差较小；在325 GHz水汽吸收通道和243 GHz水汽窗区通道，较小观测角度时，大气透明度较高，对冰云层以下的大气更加敏感，随着观测角度的增大，大气不透明度变高，冰粒子对大气辐射亮温的散射特性显著增加；在448 GHz水汽吸收通道，观测角度的变化对冰粒子的散射特性影响较小；在664 GHz、874 GHz通道，随着观测角度的增大，冰粒子的散射特性变化较为平缓，观测角度约为53°左右时，冰粒子引起的亮温差最大。图15 中可以看到，在所有冰云探测频率通道下，随着观测角度的增大，霰粒子引起的亮温差先是缓慢减小，30°左右达到拐点，之后亮温差随着观测角度的增加逐渐变大，增加到80°左右亮温差达到饱和。观测角度从零度角开始增加的时候，大气辐射传输路径逐渐变长，这个时候氧气和水汽的吸收作用都会有所增加，大气不透明度变高，低层大气对辐射亮温的影响逐渐减弱（这里的低层大气也包含低层的霰粒子），因此霰粒子引起的亮温差逐渐变小，同时随着观测角度增加，频率通道权重函数的峰值高度也会增加，达到霰粒子分布中心高度时，霰粒子散射引起的亮温差开始增加。

图14 不同IWP时的亮温差随观测角度变化曲线Fig.14 Curve of the brightness temperature depression due to different IWP varies with observation angle

图15 不同GWP时的亮温差随观测角度变化曲线Fig.15 Curve of the brightness temperature depression due to different GWP varies with observation angle

从对两种冰相粒子的分析综合来看，同时需要考虑对于地表的覆盖范围以及探测高度覆盖范围，再考虑要保证对冰、霰粒子的亮温灵敏度足够大，观测入射角选择在53°附近是一个较好的折中方法，因此对冰云观测角度选择在53°±5°范围内较为合适。

5 结 论

根据以上基于DOTLRT 辐射传输模式模拟太赫兹冰云亮温开展的太赫兹冰云辐射散射特性研究和探测参数设计研究，可以得到以下结论：

（1）ATMS 载荷的183 GHz 频段亮温分析结果表明183 GHz频段亮温对霰粒子具有较高的敏感性但是对冰粒子很不敏感，而台风对流区的冰云中包含大量霰粒子，意味对太赫兹冰云探测需要同时考虑冰粒子和霰粒子。

（2）在太赫兹频段冰云中冰粒子和霰粒子与电磁波的共振最强，引起强烈的散射导致辐射亮温下降，对不同垂直水路径的变化，在100—300 GHz 霰引起的亮温差异更加明显，例如对应300 g/m2的IWP/GWP，冰/霰粒子在183.31+2.0 GHz产生的亮温下降为2.28 K/12.26 K，在183.31+7.0 GHz 产生的亮温下降为6.30 K/62.37 K，表明该频段具有单独探测霰粒子的潜力。而300 GHz以上的频率冰粒子和霰粒子的散射都很强烈，均引起明显的亮温下降。

（3）太赫兹频段多个频率对温度的雅可比矩阵表明，183 GHz、325 GHz、448 GHz 水汽吸收通道的敏感高度与冰云所处高度最为接近，具有探测冰云中冰、霰粒子的潜力，而243 GHz、664 GHz、874 GHz 窗区通道可以填补水汽吸收频率无法探测到的冰云粒子尺寸间隙，同时避免上层大气中痕量气体的影响，覆盖大部分的粒子尺寸范围。

（4） 太赫兹频段各个探测频率通道在不同观测角度下的模拟亮温表明，在较大的观测角度下，无法探测到低层大气，另一方面，考虑到较大的观测角度可以提供较大的地表覆盖面积，推荐冰云观测角度在53°±5°范围内较为合适。

志 谢感谢美国科罗拉多大学博尔德分校Al. Gasiewski 教授提供的DOTLRT 模式，在此表示衷心的感谢！