毫米波大气臭氧探测辐射计系统设计

平流层臭氧浓度对于地球气候变化和生态环境有着重要影响.具有谱分析能力的高光谱毫米波辐射计是一种用来探测大气痕量气体的被动式微波遥感器,能够有效探测大气臭氧垂直廓线,在空间地球科学领域中具有十分重要的应用价值.本文研制了一种探测平流层大气臭氧吸收谱线的新型高光谱毫米波臭氧辐射计系统,该系统结构包括射频接收机和数字后端谱分析仪.射频接收机部分采用超外差结构获取142.175 GHz±100 MHz带宽信号,数字后端谱分析部分采用高性能模数转换器对输入模拟信号进行5×108 sample·s^(–1)采样,14 bit量化,输入信号3 dB带宽200 MHz,通过高性能现场可编程门阵列(FPGA)获取信号功率谱,实现了探测通道数16384,谱分辨率12.2 kHz.根据辐射计系统关键模块的设计方案、器件选型和测试方法,开展大气探测实验,并将实验结果与大气辐射传输模拟软件(ARTS)仿真结果进行对比,得出系统灵敏度及各项指标可以满足大气臭氧反演需求,验证了系统设计的正确性,满足平流层臭氧浓度监测、预警及其导致的气候变化研究的应用需求.

FY3D/GNOS大气掩星探测温度与TIMED/SABER探测温度和NRLMSISE00模式温度的比较

大气温度数据的精确探测对于研究中高层大气的结构特征和动力学过程具有重要意义.利用2019年1月至2021年12月共3年的FY3D掩星观测数据,借助TIMED/SABER探测数据和NRLMSISE00大气模式数据,对12~100 km范围内的大气温度数据进行比较.统计分析SABER-FY3D温度偏差(TSABER–TFY3D)和NRLMSISE00-FY3D温度偏差(TNRLMSISE00–TFY3D)及其随纬度、季节的分布和南北半球的差异.结果显示,三种温度数据随高度变化趋势是大体一致的,SABER-FY3D温度偏差在12~30 km高度范围内为正偏差(0~1.8K),随高度升高,温度偏差从30 km处的0 K增加到77 km处的-11.6 K.NRLMSISE00-FY3D温度偏差在平流层为正偏差(0~4.4 K),在中间层和低热层为负偏差(-2~0 K).两种温度偏差随纬度和季节都存在明显的变化特征.60 km以下,SABER-FY3D温度偏差在低纬地区较小(-3.8~1.8 K),高纬地区较大(-12~1.6 K),夏季较小(-0.5~2.2 K),冬季较大(-6.2~1 K);NRLMSISE00-FY3D温度偏差正好相反,在高纬地区较小(-1.6~2.4K),低纬地区较大(-3.9~6.1 K),冬季较小(-2~2.2 K),夏季较大(-1.3~7.1 K).两类月平均温度偏差的零偏差线所在高度在南北半球均存在春夏季节较高,秋冬季节较低的特征.冬季40~60 km高度区域内,北半球的SABER-FY3D平均温度负偏差比南半球的明显.

地基和星载微波辐射计数据反演大气湿度

分析了地基和星载微波辐射计设计指标和探测特点。利用大气辐射传输理论和毫米波传播模型,1993(MPM93)和大气吸收系数模型,建立大气正演辐射传输模型。仿真风云三号A星(FY-3A)星载微波湿度计和地基探测仪的亮温数据,误差在允许范围内。对比星载和地基微波辐射计不同高度反演精度和均方差,建立基于3层神经网络算法的联合地基和星载观测数据的反演模型,改善现有反演精度。选取2008年1-12月晴天探空数据,试验结果表明:改进的反演模型在所研究的高度范围内具有更好的反演精度,反演的大气水汽密度廓线较单独利用星载或地基微波辐射计更接近真实值。

增益对星载微波辐射计系统线性度的影响分析

针对星载微波辐射计中检波器的工作特性进行分析.观测固定目标时,通过调节AGC(Automatic GainControl)的大小,定量分析系统伏安特性曲线,对星载微波辐射计系统线性度进行定性分析.结果表明,通过调节AGC大小,系统增益发生变化,导致检波器工作区间发生微弱变化,通过两点定标不能完全消除由于增益引起的非线性误差.对一定亮温范围的观测目标进行分析,结果证明,AGC变化时反算亮温与实际目标亮温差值随观测亮温的变化而成非线性变化.从而证明,系统增益变化导致的亮温变化通过两点线性定标并不能完全消除.在系统正常工作或实时定标过程中,要尽量避免调节AGC值,保证微波辐射计系统工作在线性区间.

K波段微波辐射计通道优化和定标研究

利用K波段20～30GHz探测大气水汽廓线,深入分析地基微波辐射计的关键技术与性能指标,确定通道频率和个数的优化组合,并对所选通道利用非线性定标方程外定标,确定地基微波辐射不同通道的定标曲线和系统注入噪声,分析各通道定标误差。进而,采用奇偶周期方式的大气定标法进行参数校正。试验证明:以全球定位系统(GPS)无线电探空进行性能为标准,定标后的数据反演均方差为0.52g/m3,相关系数为0.965.

FY-3B/MWHS性能参数在轨实时监测

2010年11月5日发射的风云三号B星（FY-3B）是我国第2代极轨气象卫星的第2颗星。其上装载的微波湿度计（MWHS）在183 GHz水汽吸收线设计了3个大气探测通道,在大气窗区150 GHz设置了双极化通道。该文主要对FY-3B微波湿度计系统进行介绍,分析其在轨5年的性能,对仪器在轨关键性能参数进行了长时间序列分析,结果表明：仪器各通道灵敏度均优于0.4 K,其中通道1,2,4,5的灵敏度优于0.3 K,定标精度稳定在0.3～0.55 K,未出现恶化现象,同类型在轨载荷星下点处匹配数据交叉比对,相关系数优于96%。分析表明,该仪器在轨性能和数据质量均优于FY-3A微波湿度计。同时,利用微波湿度计实测数据,着重分析2015年6—7月若干台风的生成、演化、增强和消亡的整个过程,并对台风区域强降雨监测进行分析。

全氟辛烷磺酸和番茄红素对大鼠肝脏毒性的影响

目的观察全氟辛烷磺酸(PFOS)和番茄红素(LP)对大鼠肝脏毒性的影响。方法将成年SD大鼠48只随机分为8组:溶剂对照组、低、中、高剂量PFOS染毒组、LP组、LP保护低、中、高剂量PFOS染毒组;溶剂对照组进食2%Tween-80处理后的普通饲料,低、中、高PFOS染毒组分别进食5、25、125 mg/kg PFOS染毒饲料,LP组和LP保护低、中、高剂量PFOS染毒组灌胃LP(20 mg/kg),每天一次,每周连续5天,连续2个月;末次染毒24 h后,眼眶静脉丛取血后处死大鼠,测定各组大鼠的肝脏功能指标的变化。结果中、高剂量PFOS组大鼠肝脏脏器系数高于溶剂对照组(P<0.05),LP保护中、高剂量PFOS组肝脏脏器系数与相同剂量PFOS染毒组相比降低(P<0.05);中、高剂量PFOS染毒组肝组织出现明显的肝细胞水肿和弥漫性脂肪变性,经LP保护后肝组织仅出现轻度的气球样变和胞浆疏松化;与溶剂对照组比较,中、高剂量的PFOS染毒大鼠血清的ALT、ASP、AST增高,LP保护中、高剂量PFOS染毒组大鼠血清的ALT、ASP、AST均低于相同剂量PFOS染毒组(P<0.05);中、高剂量的PFOS染毒大鼠肝组织中MDA、GSH含量增高,GSH-Px、SOD活力下降,LP保护PFOS染毒组大鼠肝中的MDA、GSH含量降低,GSH-Px、SOD活力增高。结论全氟辛烷磺酸可致SD大鼠肝组织损伤,番茄红素可拮抗PFOS所致肝脏损伤;抗氧化损伤是LP拮抗PFOS致肝损伤的重要机制。

亚毫米波冰云成像仪通道选择

依据冰云参数的多极化多散射大气亚毫米波辐射传输模型,分析了100 GHz^1 000 GHz频段内大气卷云吸收的特性,通过通道频率和带宽的不同设置,确定亚毫米波冰云成像探测仪包含15个通道,频率覆盖范围为118 GHz^900 GHz,建立其与遥感器通道灵敏度、定标精确度、不同地理位置和海拔高度上对流层卷云中冰水总量、冰晶粒子尺寸、形状、方向性等反演参数的约束模型,为设计和研制用于测量冰云参数的星载亚毫米波成像仪提供理论分析和仿真验证。

人工神经网络反演算法反演北京地区湿度廓线

微波湿度计(MWHS)是风云三号卫星的主要有效载荷之一,其频率为150GHz(双极化)和183.3lGHz(三通道),分别用于探测大气窗区和水汽廓线。采用垂直于飞行方向的交轨扫描方式,科学目标是探测大气湿度的垂直分布。本文简要介绍微波大气湿度探测的基本原理,阐述了湿度廓线反演的各种方法,着重运用人工神经网络算法,反演北京地区的大气湿度的垂直分布。结果表明,运用风云三号微波湿度计数据,大气湿度垂直分布反演值与已知的探空数据相比,虽有误差,但在可接受范围之内,反演结果可应用于气象,通信等领域,并具有重要应用价值。

空间微波辐射基准传递溯源展望

面向全球气候变化研究和高精度气象预报对空间微波辐射测量基准的迫切需求,由于传递链路复杂导致国际微波辐射基准尚未建立,为进一步提升遥感卫星观测精度和稳定性,建立空间辐射基准溯源评价体系,前瞻性地提出高精度可溯源的空间微波辐射基准传递顶层方案和技术解决方案,明确需要突破的微波辐射基准载荷关键技术,空间微波辐射基准传递与溯源理论、方法和模型,全链路微波辐射基准溯源传递一体化验证技术,微波系统全链路物理级基准传递和误差仿真评估技术等,为空间微波辐射测量提供统一参考基准,实现高精度、高稳定、可溯源的空间微波探测能力,提升中国空间微波辐射测量的核心竞争力。

风云三号A星微波湿度计数据处理与应用

主要介绍了风云三号A星(FY-3A)有效载荷之一——微波湿度计的结构、运行状态以及数据接收和数据处理的具体形式。利用神经网络算法建立反演模型,并与国外已经业务运行的先进微波探测单元B型(AMSU-B)比较,性能相当。反演北京地区2008年7—12月相对湿度和水汽密度廓线,对比探空数据,分析反演均方差。同时,分析了台风到来时不同通道的亮温显示结果,从而证明:风云三号微波湿度计不仅能全球范围内探测大气水汽等相关信息,同样在台风、热带气旋的检测和判断未来的走势中也发挥了重要作用。

FY-3C微波温湿探测仪及其在台风监测中的应用

2013 年9 月23 日11 时07 分发射的风云三号C（FY-3C）星是我国第二代极轨气象卫星的第三颗星.其上装载的新型微波温湿探测仪已于2013 年9 月30 日开机工作.与风云三号A/B 星微波湿度计（MWHS）相比,新一代微波湿度计（MWHTS）在118GHz 氧气吸收线和183GHz 水汽吸收线设计了两组共15 个大气探测通道,在大气窗区设置了89GHz 和150GHz 探测通道.118GHz 是国际上首次使用的星载探测频点.本文主要对新一代微波湿度计系统进行阐述,对其开机后的在轨性能进行分析,并着重分析利用微波湿度计监测台风菲特的生成、演化、增强和消亡的整个过程,从而为数值天气预报和现报提供重要的价值.

风云气象卫星微波大气探测回顾与展望

基于风云三号(FY-3)三个批次极轨气象卫星微波湿度计的研制历程,取得的技术突破与研制进展,涵盖关键技术实现以及关键技术指标的设计与测试评估,微波湿度计在数值天气预报、台风暴雨等灾害性天气预报与监测等方面的科学应用,阐述了星载被动微波大气探测技术的提升。分析微波大气探测的研究现状与发展趋势,重点展望了极轨气象卫星微波大气探测在气象参数探测能力、探测精度、时空分辨率、应用效能等方面的潜力。对标世界气象组织(WMO)2040年愿景规划,针对中国风云五号新一代极轨气象卫星,提出了具有跨代表征的高性能新体制微波大气综合探测系统——高光谱微波大气探测仪,简要陈述了在轨定量化提升的技术途径与应用前景,为风云五号气象卫星微波大气探测载荷研制奠定基础。

FY-3C微波湿温探测仪辐射测量特性

2013年9月发射的FY-3C是我国第2代极轨气象卫星的第3颗星,其上装载的微波湿温探测仪在118 GHz氧气吸收线和183 GHz水汽吸收线设计了两组大气探测通道,在大气窗区设置了89 GHz和150 GHz探测通道。为保证微波湿温探测仪在轨定量应用,卫星发射前完成了地面热真空试验。该文介绍了热真空定标试验原理,并对FY-3C微波湿温探测仪正样产品真空试验数据进行了定量分析。数据分析结果表明:FY-3C微波湿温探测仪正样产品15个探测通道的灵敏度均满足设计指标要求,各通道观测亮温间相对独立,定标准确度优于1.6 K,真空试验过程中微波湿温探测仪定标结果稳定。FY-3C微波湿温探测仪发射前热真空定标特性分析结果为仪器在轨定量应用奠定了基础。

基于FY-3C/MWHTS资料的海洋晴空大气温湿廓线反演方法研究

针对搭载于风云三号C星（FY-3C）上的微波湿温探测仪（Microwave Humidity and Temperature Sounder,MWHTS）,建立了海洋晴空大气条件下温湿廓线同时反演的一维变分反演系统.通过对影响反演精度的各个因素进行分析,确立了该系统的输入参数.对于FY-3C/MWHTS观测亮温与快速辐射传输（Radiative Transfer Model for TOVS,RTTOV）模型的模拟亮温之间的偏差和角度依赖性,采用逐像元统计回归校正方法进行校正.选择西北太平洋海域晴空条件下的校正亮温数据进行温湿廓线的反演,并利用欧洲中期天气预报中心再分析数据集对反演结果进行验证,结果表明：反演的温度廓线和相对湿度廓线的最大平均偏差分别为1.09K和5.4%,最大均方根误差分别为1.48K和22.69%,与未校正亮温的反演结果相比,温度廓线的均方根误差最大可减小1.56K,湿度廓线的均方根误差最大可减小14.71%.反演温湿廓线与背景廓线的精度对比表明：反演的温度廓线在10~70hPa、300~350hPa和700~850hPa内的精度高于背景廓线的精度,而反演湿度廓线的精度除了825~875hPa,其他范围均高于背景廓线的精度,因此FY-3C/MWHTS观测亮温的反演结果可进一步提高预报廓线精度.

全氟辛烷磺酸对SD大鼠的免疫损伤作用

目的观察全氟辛烷磺酸(PFOS)对SD大鼠的免疫损伤作用。方法健康成年SD大鼠24只,雌雄各半,随机等分为4组:溶剂对照组、低、中、高剂量PFOS染毒组;溶剂对照组进食2%Tween-80处理后的普通饲料,低、中、高PFOS染毒组分别进食5、25、125 mg/kg PFOS染毒饲料,连续染毒2个月。末次染毒24 h后,眼眶静脉丛取血后处死大鼠,测定各组大鼠的免疫功能指标的变化。结果中、高剂量PFOS染毒组脾脏、胸腺脏器系数比溶剂对照组降低(P<0.05);中、高剂量PFOS染毒组抗体形成细胞数、T淋巴细胞增殖功能、NK细胞的活性,及CD4+细胞、CD8+细胞、CD4+/CD8+比值及IFN-γ的分泌水平均低于溶剂对照组,差异均有显著性(P<0.05),并呈剂量—效应关系。与溶剂对照组比较,高剂量PFOS可降低大鼠对细胞的吞噬百分率和吞噬指数(P<0.05);脾脏组织出现不同程度的脾淋巴小结变小,边缘区变薄,白髓体积相对萎缩等病理损害,并随PFOS染毒浓度增加,病理损害越明显。结论全氟辛烷磺酸有致SD大鼠免疫功能损伤作用。

茶多酚对甲醛致人内皮细胞氧化损伤的保护作用

目的探讨茶多酚对甲醛致人内皮细胞氧化损伤的保护作用。方法采用体外常规培养内皮细胞,取对数生长期的细胞进行实验。实验设对照组、甲醛损伤组和低、中、高剂量茶多酚保护组,其中茶多酚先与细胞预孵12 h后加入0.1 mmol/L甲醛,置CO_2培养箱培养4 h,检测细胞培养液中SOD活力及LDH、MDA、NO的含量,SP法检测NF-κB。结果茶多酚各保护组与甲醛损伤组比较SOD活力明显升高,LDH、MDA含量均降低(P<0.05);茶多酚各保护组内皮细胞NO释放量减少、NF-κB表达明显下降与甲醛损伤组比较均有显著性(P<0.05)。结论茶多酚可提高内皮细胞抗氧化酶的活性,减轻甲醛所致的氧化损伤;茶多酚通过拆制NF-κB的表达,减少NO的产生从而减轻细胞内脂质过氧化是其保护作用的重要机制。

静止轨道微波卫星热带气旋观测数值模拟及时空分辨率分析:以台风“菲特”为例

观测热带气旋所需的空间分辨率以及识别出变化所需的时间分辨率对于用于观测热带气旋的辐射计的指标设计有重要意义.利用美国国家环境预报中心6h全球最终分析资料作为初始场,通过中尺度数值天气预报模式输出不同时刻水凝物含量和温湿度廓线等参数,使用欧洲中期数值天气预报中心发展建立的快速辐射传输模式输出亮温,分析了不同时刻及不同空间分辨率下氧气吸收频段和水汽吸收频段的静止轨道探测模拟亮温.结果表明:热带气旋等级越高,观测的空间分辨率需求越高,氧气吸收频率、水汽吸收频率、窗区频率对空间分辨率敏感度依次增大;短时间内低等级热带气旋的观测时间分辨率需求越高,水汽吸收频段探测频率所需时间分辨率高于氧气吸收频段.

微波辐射计定标注入噪声特性分析与校正

与星载微波辐射计不同,地基微波辐射计由于没有宇宙冷空背景作为低温定标参考,通常在系统中利用内置黑体和噪声源耦合注入进行实时定标。但是,作为定标基准信号,接收机注入噪声的偏差直接影响辐射计的定标精度。本文着重介绍了一种K波段地基微波辐射计的系统结构和噪声注入非线性定标方法,并以网络散射参量为基础建立了辐射计噪声注入信号的传输模型,在对注入噪声进行理论分析的基础上使用线性补偿方法修正接收机的注入噪声值。实验结果表明,该方法能够校正接收机的注入噪声,使其偏差小于1K。

星载微波数据在热带气旋监测中的应用

基于国内外星载微波数据在热带气旋监测中的发展,本文利用风云三号微波湿温探测仪(FY-3C MWHTS)在轨观测数据,对2016年典型热带气旋莎莉嘉发生过程的大气三维温湿度垂直分布、降水分布以及热带气旋移动路径进行分析,并采用NCEP再分析资料和WRF数值模式对该时空区域数据进行高时空分辨率数值模拟,分析250 hPa附近大气环流场对台风内部动力和移动路径进行分析,结合星载微波数据,联合预测台风路径,并与实测台风移动路径进行比较。结果证明,结合数值模拟数据和星载微波实测数据,能够有效预测降雨区域和移动路径,为目前热带气旋业务预报提供有效的补充资料。