地基微波辐射计Tipping定标效果及误差分析

地基多通道微波辐射计采用了Tipping定标方法来实现自动定标,它是维持微波辐射计观测亮温数据可靠性的重要措施之一。为了说明Tipping自动定标过程,从Tipping标定的原理出发,详细介绍了微波辐射计Tipping自动定标过程及使用条件,同时对定标误差的基本来源进行了定量分析。最后利用微波辐射计实际观测资料进行了Tipping定标试验,并利用探空资料对Tipping定标效果进行了对比验证。结果表明Tipping定标方法使得亮温定标精度小于1 K,能够有效提高亮温观测精度和湿度廓线的反演效果。该方法对微波辐射计亮温数据观测的长期稳定性有着显著的作用。

车载微波辐射计移动大气走航观测实验及初步应用

地基多通道微波辐射计能够实现大气温湿度廓线参数的实时观测与反演,在大气探测中已经得到广泛的应用。受观测方式和数据反演算法的限制,目前主要应用于地面固定站点上空的大气参数遥感探测,无法实现大气参数的移动观测。尝试将自主研制的地基多通道微波辐射计进行改进并安装在车载平台上,对车载微波辐射计移动大气观测可行性进行了验证。实验结果表明车载微波辐射计移动观测是可行的。利用车载移动走航观测数据,对西安城市热岛效应和对流有效位能(CAPE)进行了分析。结果表明,移动走航观测能够用于观测城市热岛效应,西安中心区域比郊区温度高1.0℃左右,城市中心的大气对流有效位能比郊区高1000~2000 J/kg。

地基微波辐射计遥感人工触发闪电的观测研究

为了深入研究雷电产生的微波热辐射特征,从2016年初夏开始利用地基微波辐射计在中国气象局雷电野外科学实验基地开展了连续4年的观测实验,根据雷电热效应的特征,制定了观测方案,并为地基微波辐射计设置了“引雷观测模式”。结果表明,地基微波辐射计具有对雷电热效应产生响应的能力。2017—2019年,辐射计一共成功捕获了30次人工触发闪电,观测效率逐年增长,平均为71.4%;微波亮温脉冲幅度的最大值约125K。结合其中28次触发事件的雷电流数据,分析了亮温脉冲幅度和雷电流积分量之间的相关性,并发现了最大亮温脉冲幅度与总电流作用积分之间可能存在指数关系。根据亮温观测数据估算了雷电热效应的持续时间,平均约0.5 s,其中25次触发事件的雷电流热效应持续时间与雷电流持续时间变化较为一致,相关系数约0.73。

微波辐射计在卫星发射信号遥感探测中的应用

2022年10月,在西安利用地基微波辐射计进行常规大气观测实验期间,发现一个频率约为25 GHz的卫星发射信号,对微波辐射计常规观测产生了明显干扰。针对该观测事实,文章首次对微波辐射计被动遥感观测卫星发射电磁波信号的可行性进行了理论分析和针对性观测实验,结果发现该卫星发射信号主要在24.4~25.6 GHz范围内,中心频率约为25 GHz,同轨道共有3颗卫星,飞行间隔约8 h,在25 GHz附近卫星发射电磁波到达微波辐射计天线口面辐射亮温超过400 K;该组卫星轨道周期为24 h,属于倾斜同步轨道卫星。进一步利用微波辐射计观测的亮温,深入分析计算得到卫星的等效辐射功率约为66.9 dBW。本次实验观测为地基微波辐射计未来避免卫星的干扰和进一步改进设计与应用积累了经验,同时也可以看出地基微波辐射计在卫星跟踪监测中有一定的应用价值。

微波辐射计在西安一次强对流天气过程的分析应用

本文利用地基多通道微波辐射计和大气对流参数对西安2017年7月28日晚上一次强降雨过程的大气状态进行了分析。通过利用微波辐射计观测数据计算分析了对流有效势能(CAPE)、KI指数和对流凝结高度(LCL)等多个常用的对流参数以及各参数在强降水发生过程前的变化特征。结果表明通过微波辐射计观测数据计算得到的强对流参数之间具有很好的相关性,很好的反应了强对流天气的水汽、稳定度和云的发展变化过程,这对强对流天气的预警预报具有指示作用。

地基多通道微波辐射计在大气遥感中的应用

地基多通道微波辐射计可实时探测大气微波辐射亮温并反演出大气温度、水汽密度、相对湿度和液态水廓线等。本文主要介绍了自主研制的地基多通道微波辐射计以及数据反演方法,同时将微波辐射计反演的大气参数与探空资料对比分析了反演精度,结果表明微波辐射计观测反演大气温度、湿度和液态水廓线具有很好的精度。同时辐射计可实时精确的探测反演大气边界层逆温,能够很好的探测到地表辐射逆温的强度和逆温厚度,这对研究大气边界层有着重要作用。

探测大气温湿廓线的35通道微波辐射计设计原理与特点

总结了自主研制的MWP967KV型地基35通道微波辐射计系统设计原理和主要特点。系统将K、V双频段宽带天线及接收机、宽带调谐本振、温湿压计以及电源模块紧凑集成为一台整机设备。对各传感器的测量输出实时进行一体化综合处理,采用BP神经网络实时反演大气温度、湿度廓线和汽、水总量。廓线的垂直覆盖范围为地表至顶空10km,共划分为58层。辐射计样机于2012年秋冬季节在北京地区开展了为期2个月的观测试验,利用这段时期内的69个探空资料样本对辐射计2个层次的实时观测输出都进行了对比检验,计算了水汽、氧气通道亮温和反演所得大气温湿廓线的平均偏差、均方差以及相关性。结果表明该系统能够满足实时气象监测的需求,达到国际先进水平。

新型多通道微波辐射计及大气观测分析

MWP967KV型微波辐射计是国内第一台自主研发的地基多通道微波辐射计,能够接收和精确测量5毫米和13毫米波段大气辐射强度,可以实时反演出从地面到垂直10km上空高分辨率的大气温湿廓线,而且能探测路径气柱上的水汽和液态水积分总量。本文介绍了MWP967KV型微波辐射计的主要功能、工作原理,并与进口辐射计在不同天气条件下的输出数据进行了对比,结果表明该设备具有优良的工作性能。

地基多通道微波辐射计大气廓线反演方法研究

本文讨论了35通道地基微波辐射计反演温度、水汽廓线的BP神经网络反演方法,对神经网络的层次结构、样本选择、训练方法等进行了分析,并将反演结果与探空数据进行了比对,分析了误差产生的原因。结果表明,BP神经网络反演的廓线数据具有很好的精度,满足实际使用要求。

跨平台模块化嵌入式多任务软件框架研究

针对嵌入式实时多任务应用软件的特点,设计了一种跨操作系统平台和硬件资源平台的软件框架,该框架以软件功能为模块划分的依据进行软件模块的加卸载等操作,实现了上层应用软件与底层硬件、操作系统及板级支持包的隔离,提高了嵌入式实时多任务应用软件的可靠性、复用性和可移植性。该软件框架现已应用于某试验系统数据处理软件中,实现了数据处理软件的良好跨平台和模块化特性。

多通道亮温数据反演积分水汽算法

针对单通道微波辐射计测量水汽的不足,进行了用多通道辐射计分别测量不同频段的亮温的研究,提出了用多通道亮温数据反演大气积分水汽的算法。以此算法为基础,成功研制了MWP967KV国产双频段多通道微波辐射计,并于2012年用其对北京大气水汽进行了为期两个月的测量,同时与进口辐射计和探空数据进行了对比。试验结果表明,采用多通道亮温数据反演积分水汽的算法可以有效减少因液态水的强烈辐射特性造成的频段干扰,大气积分水汽的计算准确,晴天和雨雪天测量误差分别控制在6%和8%以内,计算测量精度对环境的依赖性小,具有高稳定性。

平面时差定位模糊性及精度研究

本文给出了一种平面时差定位方法,推导出无源定位的方程,并通过仿真分析系统存在的定位模糊问题,分析了基线之间夹角和基线长度对于定位模糊区域的影响,探讨了模糊性的消除问题,最后分析了定位精度。

广州夏季地基微波辐射计红外传感器观云性能分析

为进一步评估地基微波辐射计红外传感器的观云性能,收集了2017、2018两年5—7月布设在广州野外雷电实验基地的一台MWP967KV型地基微波辐射计红外传感器与一台K/LLX502B型激光测云仪观测的云底高度数据,并利用人工观测的天空状况、云状数据进行分类,在不同云类、天空状况下对地基微波辐射计红外传感器云识别和观测云底高度的性能进行分析。结果表明:①地基微波辐射计红外传感器具有良好的云识别能力,准确率达80.4%,由于观测视角的原因,未能识别出有云存在主要发生在"多云"情况下。②地基微波辐射计红外传感器与激光测云仪所测云底高度相关系数为0.63,有着较好的一致性。③因为观测原理不同,地基微波辐射计红外传感器所测云底高度总是高于激光测云仪,且两部仪器在低云阴天时所测的云底高度一致性要优于中、高云多云。综上所述,地基微波辐射计红外传感器用来识别云、观测云底高度具有一定的可行性,尤其是在低云、"阴天"条件下,有着较好的观云性能。

国产MWP967KV型地基微波辐射计探测精度

MWP967KV型地基微波辐射计是我国自主研发,拥有完整自主知识产权的新型大气微波遥感探测设备,为了实现国产设备在气象业务中的应用,需对设备的探测精度进行对比分析。利用2015年8月-2018年3月四川盆地南部山区的无线电探空数据和地基微波辐射计数据,分析晴空和有云天气条件下温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线及相关物理参数的精度。结果表明:晴空、层积云和高积云的微波辐射计与探空仪的温度、水汽密度和相对湿度相关系数整体上分别在0.9890,0.9665,0.5868以上,均达到0.01显著性水平。3种参数廓线的相关系数整体均呈地面大于高空,仅温度廓线相关系数达到0.01显著性水平,相对湿度廓线和水汽密度廓线在高空的相关系数未达到0.01显著性水平。3种参数的相关性整体上温度最高,水汽密度次之,相对湿度最低。温度、相对湿度和水汽密度的均方根误差平均值分别为2.8℃,22%和1.38 g·m^-3,温度廓线和相对湿度廓线在层积云和高积云的云中及云上的精度明显降低,均方根误差较云层下温度升高1℃~2℃,相对湿度增大10%~20%。逆温层会影响廓线及物理参数的精度。晴天或云天等大范围相似天气条件下,探空气球飘移距离与温度廓线、相对湿度廓线和水汽密度廓线偏差的相关性较弱。

基于地基微波辐射计观测的关中平原中部大气气态和液态水分布特征

大气云水含量分布及演变规律研究对于区域云水资源开发利用意义重大。利用2017年10月至2020年12月陕西泾河站MWP967KV型地基多通道微波辐射计探测资料,分析关中平原中部大气云水含量时间变化特征,并结合地面降水和多普勒天气雷达观测资料,通过个例对比分析不同云系降水前水汽和液态水发展演变特征。结果显示:关中平原中部水汽夏季最高,秋季次之,冬季最低,峰值在7月,谷值在12月;液态水秋季和夏季较高,冬季最低,峰值在9月,谷值在12月。水汽和液态水均呈现单峰单谷型日变化,峰谷出现时间存在差异,水汽日峰值夏季和秋季在07:00—08:00(北京时,下同)、春季在23:00、冬季在13:00,日谷值春夏秋三季在12:00前后、冬季在22:00;液态水日峰值春夏秋三季在07:00—09:00、冬季略晚(10:00),日谷值均在夜间。不同类型云系降水前云水含量增长用时不同,层状云系发展用时平均为15.6 h,其他积状云系平均为9.0 h,初期水汽均先于液态水发展,越临近降水时刻波动幅度越大,但降水触发前液态水率先跳变跃增,且不同季节层状云系触发降水时的水汽和液态水差异较大;午后强对流发展用时较短,平均为30 min,发展初期和降水触发前均是液态水率先变化和跳变跃增。

不同天气条件下微波辐射计温度探测效果评估

以西安泾河探空站的探空数据作为参照标准,利用同址安装的国产MWP967KV型地基多通道微波辐射计温度廓线数据,通过计算相关系数、平均偏差和均方根误差等,分析了微波辐射计在雨天、阴天、晴天和雾天四类典型天气下的温度探测效果。结果显示:微波辐射计反演的温度与探空探测的温度的相关系数为0.99,平均绝对偏差为2.17℃,均方根误差为2.75℃;均方根误差在各类天气下差异不明显,且随高度的增加误差逐渐增大;随着高度升高,微波辐射计反演温度的偏差有显著的变化。

基于微波辐射计数据的秦岭南北水汽和云底高度等参量的差异

利用微波辐射计分析了秦岭南北的水汽、液态水含量、湿度、云底高度等特征,结果表明:秦岭北垂直积分水汽量年平均为18.52 kg·m^(-2),秦岭南为20.94 kg·m^(-2),90%以上水汽秦岭北平均高度为4.26 km,秦岭南为3.87 km;垂直积分液水含量,秦岭南年平均为0.13 kg·m^(-2),秦岭北年平均为0.12 kg·m^(-2),两者相差不多;秦岭腹地的空气湿度大,秦岭南年平均相对湿度75.3%,秦岭北年平均相对湿度为59.8%,秦岭南比秦岭北平均相对湿度大15.6%;云底高度,秦岭南年平均为3817.5 m,秦岭北年平均为4396 m,中云云底高度年平均差异不大;降雨时秦岭南云底年平均高度为323.3 m,较秦岭北低,二者相差42.2 m。

多通道地基微波辐射计大气遥感

本文主要介绍了自主研发的多通道地基微波辐射计观测亮温和数据反演方法,并与探空观测值进行对比,分析了辐射计观测亮温、反演的温度和水汽廓线的精度。结果表明,该仪器亮温观测误差小且利用神经网络反演的大气温度及水汽等廓线参数准确可靠,具有实际应用价值。

日食对中国大气边界层热力状态的影响分析

地球的能量主要来源于太阳,太阳的辐射变化对地球大气边界层有着潜在的影响。日食过程中太阳被遮挡减少了到达地球的热辐射能量,大气热力状态被改变,为研究大气层热力状态的变化提供了一个好的机会。2020年6月21日,在中国境内出现了一次日环食,除日环食带以外中国其他地区都可见到日偏食。为了研究日食对边界层大气热力状态的影响,本文分析了西安、遵义、南宁和宜宾4个不同地区的微波辐射计实时连续观测的大气温湿度廓线数据,研究日食期间不同日面遮挡程度对不同边界层高度上大气热力状态的变化及其受天气条件的影响。这4个站点月球对太阳的遮挡比例都不相同,其中宜宾处在日环食带上遮挡最多。实验结果表明,日食期间大气边界层温湿度受到日食的影响较为明显。从日食开始到最大时刻由于到达地球的太阳辐射能减少,边界层大气温度也开始降低,在日食从最大时刻到结束期间,从太阳到达地球的辐射能量逐渐增大,边界层温度开始上升,日食过程中相对湿度变化与温度相反。4个站点温度变化最大约4℃,相对湿度变化超过10%,水汽密度没有明显变化,各个高度层温湿度变化明显滞后日食过程约15—20 min。日食过程中,月球对日面遮挡越多,日食对边界层大气温湿度廓线的影响也越明显。日食对边界层大气温湿度的影响随着高度的增加逐渐减弱,日面被遮挡的面积越少日食对边界层影响的最大高度也就越低。由于云和雨对太阳辐射的衰减,日食对边界层大气温湿廓线的影响将会减弱。

雷电流热效应的遥感观测研究进展

雷电热效应的强度及其影响范围和持续时间(时空尺度),是雷电的重要特征参数,在雷电致灾、雷电防护、雷电化学等应用领域有着重要作用。由于闪电发生时间和地点的随机性,加之强大的回击电流,故难以做到对闪电通道温度的直接测量,只能采用遥感技术。通过概述国内外雷电流热效应测量的光谱技术,分析利用地基微波辐射计开展雷电流热效应微波遥感所面对的问题,以便了解雷电流热效应的观测研究现状,促进开展雷电流热效应的微波遥感观测研究。