六盘山地形及相对湿度对微波辐射计反演气温的影响

利用2018年4月至2019年11月的六盘山隆德站微波辐射计探测资料与平凉站探空资料,研究了微波辐射计反演温度(TM)对空气相对湿度的敏感性。首次提出湿度敏感性系数(HSR)和零度漂移度(ZDD)概念,利用这两个参量在不同高度层的分布特征,研究了六盘山地形对空气相对湿度和温度的影响,主要结论如下:(1)非降水天气条件下,空气相对湿度越大,HSR与1.0的差别越大,ZDD也越大。(2)六盘山地形对大气层的湿度垂直分布影响较大。爬坡气流或抬升气流明显增加了3 km以下气层湿度水平,晴天和阴天条件下空气相对湿度分别在山顶以上0.5 km气层和1.0~2.0 km气层达到最大,TM比实际温度最大能偏低2.7℃。(3)地形对气层湿度的影响进一步影响了空气温度的垂直分布,阴天条件下的大气逆辐射加热使得3 km以下气层平均升温2.3℃,因湿度敏感性产生的温度影响平均达到0.9℃,最高能达到1.7℃。

综合孔径微波辐射计的射频干扰源空间角度稀疏贝叶斯估计方法

该文提出一种综合孔径微波辐射计射频干扰源(RFI)空间稀疏贝叶斯估计方法。首先建立了综合孔径微波辐射计可见度函数干涉测量模型,观测数据表示为综合孔径天线基线对相关导向矢量观测矩阵与视场亮温的乘积,由于相关导向矢量观测矩阵的正交性和RFI空间角度分布的稀疏性,亮温在基线对相关导向矢量观测矩阵正交基所构成的支撑域中的变换系数是稀疏的。该文在稀疏贝叶斯学习(SBL)框架下对亮温进行稀疏重构。该方法在无需稀疏度和正则化参数等先验信息前提下也能获得较高的重构性能。计算机仿真验证了该方法的有效性。

地基微波辐射计露点温度廓线估算方案及初步应用

面向业务和台站实际,针对露点温度直接和间接计算经验公式的不确定性,结合地基微波辐射计LV2级数据特征,开展了露点温度估算方案适用性及应用讨论,旨在为预报员提供高时空分辨率的基础物理量露点温度来判识大气饱和程度,服务于强对流天气预报预警分析。研究表明:(1)相对湿度是主导露点温度直接和间接计算公式计算结果差异的敏感因子。地基微波辐射计露点温度估算方案可为相对湿度小于50%时,采用直接计算公式;相对湿度为50%~99%时,采用间接计算公式;相对湿度为100%(饱和)时,温度大于-48.75℃,采用间接计算公式,温度小于-48.75℃,采用直接计算公式。(2)地基微波辐射计估算的露点温度产品精度保持了温度产品的高相关性,较大程度上改善了系统偏差,但离散程度略有扩大。其中,相关系数由0.99变成0.98,降低了0.01;系统性偏差由-3.18℃变成-0.98℃,缩小了2.2℃;均方差由4.92℃变成5.26℃,扩大了0.34℃。(3)相较相对湿度,估算的露点差对高湿区(相对湿度大于70%以上)较为“敏感”,能很好地“勾勒”出云等水凝物内部水汽饱和状态及其特征结构,便于用户判断出饱和区、非饱和区及两者过渡区;与地基微波辐射计直接测量产品联合,可监测强对流天气发生前、中、后水凝物垂直结构特征及其演变,便于天气预报预警,其中预警提前量可达0.5~1.0 h,降水结束预报提前量接近10 min。

基于一维变分法的微波辐射计反演边界层温湿廓线

地基微波辐射计能够克服星载遥感对低层大气不敏感的缺点,在边界层大气探测方面更具优势.一维变分反演算法考虑了辐射传输过程等物理机制,在应用于微波辐射计的反演时具有很高的可信度.针对微波辐射计信息含量较低以及一维变分算法收敛率不高等问题,提出利用地面气象要素改进算法在近地面层的反演精度和引入正则化算子提升算法的收敛特性.利用探空数据对上述改进方法的提升效果进行验证,结果表明:地面气象要素的引入使得反演算法在地表温湿度的均方根误差分别降低了78.2%和55.5%,对于上层大气温湿廓线也有小幅提升;正则化算子对算法的反演时间和反演精度影响很小,但是可以显著地减少未收敛样本个数和提升反演廓线的质量.

基于微波辐射计资料研究常州地区大气廓线

为了研究常州地区大气廓线,文章利用常州国家基本站地基微波辐射计近1年观测资料,在不同季节、不同天气情况下对观测资料进行数据处理,得出液态水廓线、相对湿度廓线、水汽密度廓线和温度廓线并进行了简要分析。结果表明:常州地区低层大气白天干热、夜间湿冷;水汽密度与相对湿度有较强的相关性;春季与冬季液态水含量空间垂直廓线有明显的双峰,夏秋季表现为单峰,云天在3 km处有峰值,雨天在1 km和3 km处有峰值。研究结果为常州地区降水及灾害预报提供指示意义。

微波辐射计联合云雷达的相对湿度校正方法

基于中国气象局大气探测试验基地地基遥感垂直廓线系统中云雷达与微波辐射计同址观测的优势,使用2021年8月—2022年7月毫米波云雷达、探空数据,分析云雷达反射率因子与相对湿度特征关系,提出联合云雷达的微波辐射计相对湿度分段校正方法,实现云区微波辐射计相对湿度实时校正,并利用2023年1—8月探空和2023年7—8月ERA5(ECMWF reanalysis version 5)逐小时再分析数据进行误差分析。结果表明:入云区的相对湿度与反射率因子间呈正相关关系,云区中段相对湿度近似饱和状态,出云区与入云区相对湿度随高度变化近似对称;层状云条件下校正后微波辐射计与探空和ERA5相对湿度的均方根误差比校正前分别减小7.99%和8.91%,偏差中位数绝对值分别减小12.62%和13.05%,且连续观测时次经校正后误差均减小,校正效果较好;对流云条件下校正效果也较好,但部分个例存在过度校正。因此,联合云雷达的相对湿度分段校正方法能够实现微波辐射计相对湿度廓线的连续实时校正,可提高有云条件下微波辐射计的观测质量。

融合多源观测资料的微波辐射计温度廓线订正试验

为增加大气探空站点,提高微波辐射计大气温度探测精度,利用FY-4A气象卫星温度产品和BP神经网络、遗传算法,分别实施杭州站、南京站微波辐射计的温度订正仿真试验,并获得准确的连续性大气温度垂直廓线;结合探空资料和民航AMDAR气温资料,评估模型订正效果。研究结果表明:(1)微波辐射计温度产品存在一定误差,两站均在高度2 km处平均偏差最大,同站有雨时的偏差均大于无雨时的偏差;(2)经过BP神经网络模拟订正后的微波辐射计测温精度较原温度产品提升幅度较大;杭州站MAE、MSE、RMSE的降低幅度分别为45%~55%、65%~78%、41%~53%,南京站的降低幅度分别为58%~66%、83%~88%、55%~59%;(3)经过遗传算法优化初始权值和阈值后的神经网络订正模型模拟效果有进一步的提升,其中有雨模型提升效果明显,RMSE降低幅度11%~15%。微波辐射计的上述订正方法,可以推广到各地微波辐射计站点应用,具有实际使用价值。

用于人体皮下温度测量的微波辐射计系统可行性研究

目前人体测温主要以红外测温和水银体温计为主,其仅能测量人体表皮温度,针对此现状,以微波辐射测温理论为依据,提出一种中心频率为1.4 GHz的微波辐射计系统,并利用目前消费类电子产品的MMIC芯片设计制作完成。系统硬件模块主要包括高增益放大器模块、带通滤波器模块和平方律检波模块。根据不同温度状态下人体皮下组织的辐射能量,系统测得最终输出电压与温度呈正相关,能够很好地响应皮下温度变化。研究结果表明,基于现有消费类电子产品的芯片可以制作出成本较低的L波段微波辐射计,能跟踪组织层的温度,验证了监测人体内部温度的可行性。

地基微波辐射计资料的质量控制及同化应用研究

针对地基微波辐射计反演资料的质量问题,利用北京区域7个站点的RPG-HATPRO型微波辐射计反演的温湿数据,在传统质量控制方法的基础上,通过增加双权重检查和偏差订正方法,设计了新的质量控制方案,而后针对质量控制后的温湿廓线开展了同化应用研究,结果表明:只有个别站点的反演温度误差较大,反演温度误差大的站点在质量控制前最大均方根误差为8℃,但在质量控制后均方根误差下降到4℃以内,误差下降50%以上,而对于反演温度误差小的站点,质量控制只对高层数据有所改善;进一步分析表明所有站点的反演相对湿度误差都比较大,在质量控制前反演的相对湿度均方根误差最大甚至达到50%,但在质量控制后所有站点反演的相对湿度均方根误差都降到20%以内,误差显著降低,同时经过质量控制后的反演温湿数据误差平均偏差降为0左右,误差满足高斯分布,符合同化的要求。同化试验表明:与控制试验相比,同化质量控制后的地基微波辐射计反演温湿廓线资料能有效改善模式对所有量级的6 h累积降水量预报,无论是降水中心位置预报还是降水量级预报,都使得模式降水预报更加趋近实况,同化试验还表明同化对温湿场有较大影响,使得模式温湿场更加合理,能有效提高模式的预报准确率。

激光雷达和微波辐射计温湿度廓线与探空数据的对比分析

基于西安泾河国家气象站2021年微波辐射计、西安理工大学研制的大气温湿度廓线激光雷达等设备观测数据反演计算0~10 km以下的温湿度,通过与探空资料的对比分别评估了微波辐射计和激光雷达的探测性能。结果表明,二者反演的温度均与探空数据具有较好的一致性,激光雷达反演的温度和探空温度的相关系数为0.997,均方根误差在1.5~2.5 K之间,微波辐射计反演的温度和探空温度的相关系数为0.973,均方根误差在1.5~5.0 K之间;在反演相对湿度方面激光雷达优于微波辐射计,激光雷达反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.964,均方根误差在5%~15%之间,微波辐射计反演的相对湿度和探空相对湿度的相关系数为0.632,均方根误差在20%左右。

微波辐射计与探空观测数据对比分析

为了评估RPG-HATPRO微波辐射计的探测性能,文章对比分析了广东省清远市探空观测站的探空观测数据与微波辐射计数据,通过比较不同观测高度、不同天气条件下的数据质量分析仪器性能。结果表明:RPG-HATPRO微波辐射计边界层温度廓线的有效探测高度为2000 m,对流层湿度廓线的有效探测高度为10000 m;微波辐射计的对流层温度数据探测误差分布随高度增加呈曲折上升趋势;降水条件对微波辐射计温度、湿度数据准确性有一定影响,在无降水条件下,微波辐射计湿度数据的准确性更为稳定。研究结果为微波辐射计的更有效应用提供支持。

星载综合孔径微波辐射计冗余空间定标方法研究

星载综合孔径微波辐射计系统为了实现更好的辐射测量性能,在地面对通道间剩余相位通过相位定标实验进行测量,其结果用于亮温重构时对通道间剩余相位进行补偿。冗余空间定标方法基于自身阵列冗余基线信息,该方法无需额外资源支持即可对星载综合孔径微波辐射计系统定标,可作为一种在轨的验证方案对系统综合孔径微波辐射计系统通道间剩余相位进行评估。系统性的介绍了基于星载综合孔径微波辐射计系统观测到的场景,冗余空间定标方法以及对平坦场景提出利用模拟的平坦目标响应相位修正的方法,可在点源场景、平坦场景下利用冗余空间定标方法求解通道间剩余相位,并结合仿真验证该方法的可行性。

基于冷空观测单元的综合孔径微波辐射计幅度定标方法

微波辐射计通过定标获取目标准确的亮温,是数据定量化应用的必要手段.综合孔径微波辐射计由多个辐射计单元组成,定标需求从单一接收机扩展至所有接收单元.噪声注入是包括综合孔径微波辐射计在内的固定波束指向辐射计所常用的定标方法.作为定标参考的噪声二极管在轨会受到温度影响发生短期波动,并受器件老化影响发生长期漂移,从而导致系统定标精度恶化.针对上述问题,提出一种基于冷空观测单元的综合孔径辐射计幅度定标方法.通过设计专门的冷空观测辐射计通道,对综合孔径辐射计的公共噪声源进行实时标定,减小其噪声温度不确定性对综合孔径辐射计系统所有观测通道幅度定标的影响.结合中国海洋盐度探测卫星主被动探测仪中K波段一维综合孔径辐射计的实际系统方案,建立了辐射计系统模型及定标模型,开展了数值仿真及样机定标实验验证.仿真及实验结果验证了方法的有效性.

星载太赫兹微波辐射计发展现状及应用展望

简要阐述了星载微波辐射计功能特点、主要指标、工作原理和典型系统组成,结合准光馈电系统和接收机等关键组成以及灵敏度等关键性能指标应用需求,重点介绍了目前国内外星载太赫兹频段极化栅网、频率选择表面、馈源喇叭、接收机前端等研制水平和应用现状;比对了关键指标的技术差距,分析了太赫兹频段产品设计、研制技术难点。针对我国后续星载微波辐射计研制需求,对关键太赫兹部组件发展趋势和应用需求进行了梳理和展望,为我国星载无源遥感发展提供借鉴。

ERA5再分析数据在微波辐射计数据反演中的初步应用

为了研究ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果,利用探空和ERA5作为训练样本分别训练得到两个神经网络,对微波辐射计观测数据进行反演。并以探空资料作为参考分别统计基于探空和ERA5再分析资料反演得到的数据的相关系数、绝对偏差和均方根误差,用于评估ERA5再分析资料在微波辐射计数据反演中的应用效果。结果表明:基于ERA5和探空反演的温度廓线与探空的相关系数分别为0.988、0.99,绝对偏差分别为2.402℃、2.607℃。反演水汽与探空的相关系数分别为0.975、0.979,绝对偏差分别为0.412 g/m^(3)、0.369 g/m^(3)。反演的相对湿度相关系数分别为0.663、0.696,绝对偏差分别为15.587%、13.976%。反演的积分水汽总量相关系数分别为0.959、0.968,绝对偏差分别为0.258 cm、0.227 cm。从结果来看,基于ERA5资料反演的温度、水汽资料与利用探空反演的结果相差较小,温度廓线反演效果优于相对湿度廓线。

基于地基微波辐射计的羊卓雍错地区云水特征分析

基于2020年1—10月西藏浪卡子气象站地基微波辐射计观测的水汽总量和路径液水含量数据,该文分析西藏羊卓雍错地区大气云水特征并探讨其在人工影响天气中的应用。结果表明,羊卓雍错地区大气水汽总量和路径液水含量呈单峰分布,峰值出现在7月,年均值分别为7.88 mm和0.53 mm;5—9月羊卓雍错地区大气水汽总量平均值大于11 mm,降水日和非降水日的差值不大,表明雨季大气水汽总量充沛且稳定;干季,羊卓雍错地区大气水汽总量的日变化表现为白天高夜间低,而雨季则表现为中午低傍晚高;降水开始前1个小时大气水汽总量、路径液水含量存在突增现象,可作为降水预报的参考量之一。

RPG-HATPRO5型微波辐射计的温湿廓线检验与评估

利用AMDAR飞机报、香港无线电探空和极轨卫星AIRS多源探空资料对位于珠海高栏港的德国RPGHATPRO5型微波辐射计温湿数据进行检验和评估。结果表明:(1)微波辐射计一级数据亮温对晴天、多云、层状云降水和对流云降水4种大气状态敏感,波动幅度差异大,能很好地区分不同天气背景。(2)微波辐射计对流层中低层的温度探测与其他探空整体趋势较稳定一致,最大偏差接近1℃,对流层高层偏差较大,表征能力减弱。大气没有逆温时,微波辐射计温度探测效果更好;有逆温尤其小逆温时,微波辐射计滞后或无法反映出温度垂直结构的小波动,偏差也相应增大。(3)微波辐射计对流层中高层的湿度探测效果较好,趋势稳定,平均偏差约为0,在边界层和3~4 km高度处,绝对湿度最大偏差约2 g/m^(3),相对湿度最大偏差约15%。

基于探空数据的微波辐射计温度廓线检验

大气温湿度廓线探测在天气预报、气象服务、人工影响天气作业等领域具有非常重要的意义。传统的探空观测是目前最准确的探测方式,但其每日仅两次观测,对于短期或临近灾害天气观测具有局限性。微波辐射计可以连续、稳定地观测大气温度、湿度廓线探测,可以弥补目前探空观测次数较少的不足。为了了解微波辐射计的温度廓线的准确性,文章利用呼和浩特观象台的L波段探空数据对本站的微波辐射计观测温度廓线数据进行了检验。结果显示:(1)微波辐射计的温度数据总体质量较好,总体平均绝对误差为2.86℃,均方根误差为3.45℃;(2)与07:00相比,19:00的数据质量相对较好,但总体差别不大;(3)微波辐射计的温度数据与探空温度数据的变化趋势一致。但在5—7月微波辐射计的观测温度偏高,1—3月温度偏低;(4)MWP967KV型微波辐射计在9.0 km以上的温度数据误差增大,探测能力变弱。

HTG-4型微波辐射计资料在贵阳机场夏季2次雷雨天气中的应用分析

【目的】该文旨在研究微波辐射计资料在雷雨天气分析与预报中的作用。【方法】利用贵阳站探空数据、微波辐射计资料、常规观测资料、ERA50.25°×0.25°再分析资料,采用统计、对比和诊断分析的方法,探讨贵阳机场HTG-4型微波辐射计的探测效果,并对2022年夏季贵阳机场2次雷雨天气进行对比分析。【结果】微波辐射计探测资料与探空站数据的整体相关性较高,其对机场上空气温和低空露点的探测比较可靠。机场2次雷雨期间,微波辐射计探测到上空大气转为“上干冷、下暖湿”的温湿分布,IWV、LWP、LPR值出现激增,能量指数有显著波动,雷雨结束后IWV、LWP、LPR值快速回落,能量指数回归稳定状态,微波辐射计资料更为灵敏、直观地展现了雷雨期间温湿条件的变化。【结论】系统性雷雨与局地热对流的触发机制和水汽含量有所不同,微波辐射计对系统性雷雨的起止及演变可做到约20 min的预警提前量,但对局地热对流的开始和结束则很难提前预警。

基于微波辐射计的芜湖夏季暴雨特征分析

为了研究芜湖夏季暴雨特征,文章利用2021年7—9月的芜湖微波辐射计资料、风廓线雷达资料及气象观测资料对芜湖暴雨个例进行温度、湿度、液态水含量及垂直廓线特征的分析。结果表明:暴雨前近地面和500~1000 m处有逆温;暴雨开始前,低层0 km~1 km绝对湿度达到18~25 g/m^(3)或以上,2 km~5 km液态水密度可达到0.30 g/m^(3),1 km处液态水密度可达到0.15 g/m^(3);对流性暴雨和梅雨锋暴雨具有较明显的温度、湿度区别。研究结果为微波辐射计的深入应用提供支持。