ARTS Microwave 数据库 及其 python Interface 的简介（一）

前言

ARTS Microwave 数据库全称 ARTS Microwave Single Scattering Properties Database, ARTS 微波单散射光学特性数据库。目前被托管在 Zenodo research share 云上。

这个粒子光学特性数据库是ARTS项目旗下的一个子项目，ARTS 全称 Atmospheric Radiative Transfer Simulator， 大气辐射传输模拟工具，是德国汉堡大学和查尔姆斯理工大学的一个合作项目，感兴趣的可以参考ARTS项目官网：

http://www.radiativetransfer.org/about/

ARTS粒子微波光学特征数据库初版发布于2018年2月， 就目前获取到的信息看，数据库还在长期维护更新中， 目前已经发行的版本仅仅包括了粒子随机欧拉角的光学特性数据（totally random), 规划未来还将引入随机方向角光学特性数据（Azimuthally random），以及非球形水滴，融化层微粒等新组件。

之所以选择这个数据库，除了它还在长期维护更新外还有以下原因：

• 微波可用频域较宽，1GHZ-886GHZ
• 温度可用范围较宽，190K-270K
• 同时支持主动观测和被动观测
• 支持粒子折射模型完整的Stokes向量，理论上可以导出任何其他衍生光学物理量
• 17个粒子Habit受支持，粒子 Habit 分类为： 单晶(single crystal), 高度淞附粒子(heavily rimmed particles)，聚合粒子(aggregating particles), 其他粒子(hail, snow), 每种粒子的尺寸分布略有不同， 每种Habit平均约有30个尺寸
• 支持液体粒子
• 数据本体以NetCDF4格式存储，提取，转化方式可以利用Python或MATLAB， 相对而言非常方便

数据库本体托管于：

https://zenodo.org/record/1175573#.W5fAHfZuI3J

数据库接口托管于：

https://zenodo.org/record/1175589#.W5fAFfZuI3I

一. ARTS 数据库基本架构

ARTS Database structure.PNG

数据库根目录下有四个重要的子目录

1. SSD: Single scattering database, 它是数据库本体，也就是粒子单散射数据库， 包含了17种粒子Habit的基本光学特性，是所有导出光学量的根本。

2. Input: 是产生数据库SSD的一些工程文件，包括粒子的三维模型，建模程序等等

3. DataInterfaces: 数据库接口，包括python MATLAB的数据库接口，本质上是提取转化SSD一个脚本工具集。 里面有通过这些工具提取转化生成的17个.rssp文件（reduced single scattering properties, RTTOV 不需要完整的 stokes 向量), 这十七个装配好的.rssp文件目前已经集成到RTTOV12.2版本上， 可以直接通过 Mietable_generation.ksh 脚本生成Mietable 。
   如果你使用的RTTOV版本较低， 可以通过 /DataInterface/RTTOV/patch 目录下的补丁文件修改 你的RTTOV12.1 or earlier 版本文件, 修改完后重新编译一下RTTOV，就可以正常使用 ARTS 数据库了

4. StandardHabits: 自带的提取组合几种基本Habit生成的复合Habit(也有部分是单Habit 直接提取的， 没有经过Habit组合)。 是原始的Single scattering properties, 没有经过转化的Reduce步骤， 这些数据以 .xml 格式 或 .mat(MATLAB数据文件)格式提供。

我们先重点来看本体SSD 目录架构：

SSD 架构.PNG

Layer 1: 粒子旋转随机类型： TotallyRandom/AzimuthallyRandom
Layer 2: 粒子相态： Ice/liquid
Layer 3: 粒子聚合类型： singleCrystal/Aggregates
Layer 4: 粒子原型/衍生形： Pristine/Rimmed
Layer 5: 粒子Habit： ........
Layer 6: 粒子旋转随机类型： TotallyRandom/AzimuthallyRandom [该目录下附带粒子基本属性报告]
Layer 7：粒子尺寸分文件存储的数据库granules

用ncl_dump 来看看数据库granule的基本结构

granules1.PNG

granules2.PNG

我们看到， 数据是分group存储的， 每个group对应一个固定的频率和温度，
每个group下有三个子group, 分别是单散射光学特性数据， 粒子形状数据， 与计算生成形式有关的元数据。

重点关注单散射数据， 单散射数据下有几个重要的维度：aa_scat 散射角azimuth, 因为totally random所以这个维度被消去了。za_scat 散射角zenith, 0~181不等间距， 角度信息存储在aa_scat变量中， inc表示 income 入射光线， 容易理解

scatMat_row 是 Stokes 向量 行
scatMat_col 是 Stokes 向量 列
phaMatElem 是6个非零独立的Stokes向量相元素
extMatElem 是Extinction系数元素
absVecEleme 是Absorption系数元素

basic radiative transfer equation.PNG

具体含义参照辐射传输基本方程

data.PNG

数据就存储在这些Data 后缀的变量中

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这一期暂时就到这里，下一期讲python interface

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第二期已更新，链接：

ARTS Microwave 数据库 及其 python Interface 的简介（二）