大气微波辐射与水汽的遥感

地面上接收大气的微波辐射可以遥感大气温度、湿度层结和云雨要素。在1981年9月—10月,本实验室用5 mm-1.35 cm波段中4个频段的微波辐射计进行大气遥感实验,本文讨论有关8 mm微波窗区和1.35 cm水汽吸收带大气微波辐射特性,以及用此两波段遥感大气总水汽含量的方法和实验。     

TOGA COARE IOP期间西太平洋“暖池”上空大气水的统计特征

在中、美等多国合作进行的TOGA COARE综合观测期间(1992-11～1993-02),首次实现了对“暖池”上空大气水的全面(包括水汽、云水和雨强)、定点(2°S,158°E)、高分辨率(5 min)的连续监测,本文介绍其统计分析结果.必要时,将它们与1985～1989年间中国科学院组织的在西太平洋热带海域考察的某些结果做了比较.1 观测仪器用一台自制的(船载)双波长(0.86cm和1.35cm)微波辐射计监测水汽总量和垂直路径积分云液态水含量,其取样时间分辨率为5min.该仪器的观测方式及数据的反演方法见文献[1].用美国提供的ISS(integrated sounding system)系统中的自动雨强测量系统(ARRMS)监测降水,该仪器提供的初始数据为每秒钟的雨强,考虑到与水汽、云水资料的可比性,我们将雨强作了5min时段平均.     

大气水汽分布的反演

由卫星红外辐射测量可推出大气水汽分布。但到目前为止,只有大气总的降水量可比较精确地确定,在得出水汽廓线方面是不很成功的。由于水汽通道的辐射不仅取决于水汽分布,还与温度分布有关;各通道的权重函数及其峰值的位置随水汽分布的不同而有明显的变化;红外通道所能提供的近地面层中水汽分布的信息也是很少的。此外,水汽的相对变化也     

机载对空微波辐射计及云液态水含量的测量

介绍作者研制的单波段(9.5 mm)单天线机载对空微波辐射计, 相应的反演方法及其测量云中液态水和过冷水含量的初步结果. 野外飞行实验表明, 该仪器能够灵敏地测量云中液态水和过冷水含量及其变化, 所得数值合理, 并与地面雷达回波强度变化有较好的对应关系. 表明仪器的技术设计和反演方法是可行的, 具有实用价值, 填补了我国该领域的空白.     

用遥感法测量钢建筑物应力的实验研究

我们在研究岩石的电磁辐射中,发现岩石的红外辐射和微波辐射随岩石应力状态变化而变化的物理现象,若这一物理现象在钢材料中也存在,那么对钢建筑物的应力及其分布有可能进行遥感测量,我们对钢材料进行了实验,得出了钢材料的红外辐射能量和微波辐射能量随钢材料应力状态变化而变化的实验结果,本文报道了这一新结果.     

钠蒸汽中电子产生的切伦柯夫线谱辐射的密度影响

自从尤峻汉等提出切伦柯夫线谱发射理论以来,我们在实验和理论上研究了此种辐射。利用准直β射线作为电子束穿过空气中测量,发现此种辐射的发射角分布不对称,集中在20°—40°之间,在30°附近有最大辐射强度;并确定了造成此种不对称性的光子的波长在2035附近。随后在溴蒸汽和钠蒸汽中又分别测量了此种辐射的线谱特性和偏振性。     

“嫦娥一号”对环形山起伏非均匀月表层微波辐射观测的理论建模分析

中国“嫦娥一号”探月卫星在世界上首次采用多通道微波辐射计垂直测量月球表面的微波热辐射, 以期由多通道微波辐射亮度温度了解整个月球表面的微波辐射特征, 进而反演月壤层厚度, 估算月壤层富含的氦3含量. 在该科学目标和技术条件下, 讨论了月球表面微波辐射理论建模中月表粗糙面、温度廓线介质辐射、密集粒子散射等物理要素的影响. 按照月表面环形山数目与形态的统计特征, 数值构造环形山随机分布的月表面地形. 由规则三角形网格对“嫦娥一号”微波辐射计空间分辨率量级的月表面地形数值剖分, 来计算随机起伏粗糙月表面微波平均反射率与发射率. 数值结果表明在“嫦娥一号”微波辐射计空间分辨率的条件下, 环形山月表面可视为平表面建模. 由具有相干势的准晶体近似讨论了月壤层密集颗粒的散射与吸收特性, 及其月壤层有效介电常数的计算. 用分层辐射传输方程推导具有非均匀温度廓线分布的月尘、月壤、月岩层微波辐射亮度温度, 分析了各个物理参数对辐射亮度温度的影响. 从而分析了“嫦娥一号”对月表面微波辐射观测的三层结构理论建模与参数选取.     

切伦柯夫线谱辐射的进一步验证

自从尤峻汉等提出切伦柯夫线状发射理论以来,我们在实验和理论上研究了此种辐射。利用准直β射线作为电子束穿过空气中测量,发现这种辐射的发射角分布不对称,在30°附近有最大辐射强度;确定了造成不对称的光子波长在2035附近。并在溴蒸汽和钠蒸汽中     

西北太平洋威马逊台风结构的卫星观测同化分析

以0205号台风威马逊为个例, 采用经过三维变分同化分析的AMSU微波资料研究西北太平洋台风结构. 分析结果表明, AMSU微波同化资料能够更加合理地反映台风三维结构特征, 增强了与强台风相对应的暖心结构, 台风中、下层的气旋性环流明显加大, 台风顶部出现强盛的反气旋性环流, 反映了台风本身所携带的水汽和水汽供应; 微波同化资料可以部分地弥补热带洋面上常规观测资料的不足.     

各种尘埃的宇宙学效应

在文献[1]中,我们讨论了被星系前大质量恒星加热的尘埃的再辐射对3K宇宙微波背景谱的影响。结果表明,在中性氢含量很少的情况下,尘埃的再辐射将使3K微波背景谱在峰值附近产生0.1 K—0.2 K的畸变。这为3K微波背景的畸变提供了一个有效的机制。现在观测表明,星际尘埃及星系际尘埃的主要成份的硅酸盐,但是用于天体上的硅酸盐模型有几个,而且所有的作者都声称,他们的模型均来自于观测和实验,在文献[1]中,为了计算方便起见,我们只采用了Silk等人1979年所提出的模型,因此人们必然要提出这样的问题:文献[1]的结果是否是模型的选择效应? 为了弄清这个问题,本文详细地讨论了两种硅酸盐模型,结果     

磁化非均匀等离子体中的太赫兹辐射研究

通过数值模拟研究了相对论强激光入射到密度在10¹⁹ cm^-3附近的非均匀磁化等离子体中由模式转换机制产生的太赫兹(THz)辐射. 研究表明, 改变磁场的大小和方向可以改变THz辐射的强度和方向, 与先前的解析理论符合. 同时模拟研究了激光入射角度对THz辐射的影响. 产生的THz辐射功率在MW量级以上, 场强可以达到几十MV/cm, 可以用来研究THz非线性物理.     

宇宙学的新动向

首先介绍观察宇宙学方面的一些新动向: 3K微波背景辐射的各向异性1965年彭齐阿斯和威尔逊发现了各向同性的宇宙微波背景辐射,这对均匀的、各向同性的标准宇宙模型(弗里德曼模型)是个有力的支持.然而,1978年美国普林斯顿大学的威尔金森(Wilkinson)及加里福尼亚大学贝克莱实验室的斯莫特(Smoot)等人,各自独立地发现在微波背景辐射中存在着偶极的各向异性,辐射温度最高点在狮子座a星方向,最大温度超过平均值3.5×10~(-3)K.对此可以看作是宇宙非各向同性的证据,即宇宙的整体可能既有切向运动又有转动.但由于这个各向异性是偶极分布的,因此也可以解释为:地球相对于微波背景辐射有一个速度为390公里/秒的运动,正是这个运动引起的多普勒效应使人们观察     

十年描银河:中德6 cm银道面偏振巡天的发现

射电连续谱偏振观测是探测银河系星际介质性质的有力工具.中德6 cm银道面偏振巡天使用新疆天文台南山站25 m射电望远镜对银道面银经10°～230°、银纬±5°之间的区域进行了总强度和线偏振的巡测.历时10年,完成了世界上地基射电望远镜观测频率最高的银道面射电连续谱偏振巡天,揭示了银道面在6 cm波段的辐射分布和横向磁场取向.该巡天是国产数据描绘的银河系画卷,其较高的观测频率使得消偏振效应小,能够探测来自银河系更远处的偏振辐射.利用这些数据,巡天团队对银河系超新星遗迹、电离氢区、法拉第屏等多种射电目标的研究取得了系列性结果:先后发现了4颗新的银河系超新星遗迹,其中在2011年发布的两个新超新星遗迹G178.2–4.2和G25.1–2.3是国内学者首次使用国内射电望远镜完成的发现工作;对70多个已知超新星遗迹进行了流量密度、偏振和谱的测量,首次探测到超新星遗迹G16.2–2.7、G69.7+1.0、G84.2–0.8、G85.9–0.6、G205.5+0.5和G206.9+2.3的偏振辐射,新的6 cm波段总强度测量还为确定20个超新星遗迹的谱指数提供了关键数据;完成了对巡天范围内可以准确估计6 cm波段流量密度的401个HII区的统计和测量,补充了国际HII区列表中对于延展HII区的数据缺失.在弥漫辐射偏振探测方面,发现了若干在低频射电偏振观测数据中无法显现的、在总强度辐射上没有对应体的高法拉第旋率结构.巡天数据已经在国际学术界产生重要影响,并一直被用于科学研究.     

微波生物学三十年

本文评述微波生物学的研究内容与现状。简要回顾了微波生物效应研究发展史,着重介绍了微波辐射的生物效应、安全标准以及在生物医学上的应用。最后,展望了微波生物学的前景。     

大气质量南北涛动的季节循环

利用1979~2006年NCEP/NCAR逐日、月平均地表气压、经向风、辐射及水汽再分析资料, 对大气质量南北涛动(IHO)季节特征进行分析, 结果表明: (1) 由地表气压计算的大气质量IHO季节循环明显, 两半球大气质量呈一波型反位相变化, 且两半球年变程相当; (2) 半球水汽质量在南北半球呈现反相变化的季节循环特征, 其年变程与IHO的季节循环相当, 但位相相反; (3) 季节变化中, 越赤道气流的形成与大气中水汽质量的变化有关(E-P); (4) 辐射加热为IHO的主要外强迫因子, 其中半球地表净短波和净长波辐射, 分别与水汽质量及越赤道质量流季节变化相对应; (5) IHO季节变化主要与中纬度大气质量变动有关. 全球范围大气质量的重新分布, 在不同季节间有显著的海陆分布差异, 在北半球主要表现为纬向型分布, 而南半球则以经向型分布为主.     

岩石和土壤的微波介电特征及其在微波遥感中的应用研究

要评价地物的微波辐射特征、散射特性和选择传感器的最佳波段,必须了解它们的介电性质的变化规律。岩石和土壤是分布最广的地物,研究其介电特性是微波遥感的一项重要内容。一、矿物、岩石、土壤的微波介电特征在三公分波段,利用谐振腔微扰法对近200种矿物,260多个岩石和150多个土壤样品的微波复介电常数(ε)的实部(ε′)和虚部(ε″)进行了系统的测量和研究,部分结果列于表1。     

电磁波辐射下化学反应过程的初步研究

微波加热能够显著加快化学反应、提高产率,微波是否仅仅起了加热的作用？是否存在某种特殊效应？这些问题仍然存在激烈的争论,用微波辐射对外界因素敏感的ＢＺ（Ｂｅｌｏｕｓｏｖ－Ｚｈａｂｏｔｉｎｓｋｙ）振荡反应,观察到微波辐射下反应周期发生了明显的变化,有迹象表明存在特殊效应。     

喜马拉雅山中段高过量氘与西风带水汽输送有关

喜马拉雅山中段希夏邦马达索普冰芯及冰川融水中的过量氘显著异常, 其值远远高于全球降水中过量氘均值及周围地区降水中过量氘值. 附近站点聂拉木连续一年以上降水中过量氘的变化揭示了这一异常现象. 研究发现这一异常与该地区降水的水汽来源地的季节变化有关. 发现在季风爆发期, 该地区降水受西南季风影响, 过量氘的值与其他受海洋水汽来源的地区一样, 为低值; 而在非季风月份, 水汽以西风输送为主, 降水中过量氘为高值. 而且在该地区冬春季降水占全年降水的比例较大, 结果使得该地区整年平均降水中过量氘的值显著高于青藏高原南部其他地区. 这一结论对该地区的冰芯研究有重要意义, 表明喜马拉雅山中段冰芯的水汽来源并非全部来源于西南季风的水汽输送, 而西风水汽输送占有很大比例.     

2006年度诺贝尔奖获得者

美国科学家马瑟（J.C.Mather）和斯穆特（G.F.Smoot）因发现黑体形态和宇宙微波背景辐射的扰动现象而获2006年诺贝尔物理学奖。借助1989年发射的COBE卫星，马瑟（右）和斯穆特领导的1000多人研究团队首次完成对宇宙微波背景辐射的太空观测研究，发现微波背景辐射与黑体辐射非常吻合，从而为大爆炸理论提供进一步支持。     

基于月表面赤道区域实时辐射亮度温度的风云4号毫米波热辐射定标

中国计划发射的地球同步卫星风云4号微波星(FY-4M)将搭载多通道的毫米波辐射计.工作频率从50～430 GHz,能实现区域高频重访气象观测,极大地提高了天气变化的监测与预报能力.在轨辐射定标是FY-4M辐射数据定量化应用的关键因素,由于月球表面物理与化学性质长期稳定,没有大气层等环境变化的影响,是FY-4M毫米波辐射计一个理想的定标源.本研究提出根据实时的日下点位置和日地距离,建立实时的太阳辐射强度模型;依据由克莱门汀750 nm数据得到月表面太阳反射率,以及月壤热物理参数廓线分布,求解一维热传导方程,推算月壤层物理温度廓线;用嫦娥2号37 GHz微波辐射亮度温度拟合,得到月表面正切损耗参数;用起伏逸散定理,计算FY-4M各毫米波频段的月表面辐射亮度温度.以此,给出月球赤道中心区域(0°N, 0°E)的表面物理温度和毫米波辐射亮度温度在2010年间随时间变化的关系,也比较了近日点和远日点附近月表面毫米波辐射亮度温度的差别.本研究提出的月表面实时毫米波辐射模型,可用于FY-4M毫米波辐射计数据的定标研究与应用.