空基微波辐射计遥感晴天大气可降水量：不同通道组合和亮温函数形式的效果的比较分析

为了监测全球海洋上空的大气可降水量，已发射上天多种星载微波波谱仪和辐射计，相应地发展建立了多种反演算式。我们利用逐步回归分析，研究比较了反演晴天大气可降水量（Ｐｗ）的多种通道组合以及算式中不同的亮温（ＴＢ）函数形式的效果。主要结果有：（１）对应于高中低Ｐｗ值有不同的最佳通道组合；（２）常选的水汽吸收中心线２２．２３５ＧＨｚ不太适合于反演高中且变化范围大的Ｐｗ值；（３）有必要建立分气候区域和分季节的反演算式；（４）在反演算式中采用１ｎ（Ｔ０－ＴＢ）一般比线性形式有更好的回归和反演效果，但在有２２．２３５ＧＨｚ通道时则不然；（５）反演中低或变化范围大的Ｐｗ时，２２．２３５ＧＨｚ亮温的平方项能显著改善回归和反演结果。

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

该文研究地基微波辐射计天线性能及其工作环境对K波段20～30 GHz亮温观测数据的影响，根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立模型，通过模拟计算给出辐射计20～30 GHz 波段亮温观测对天线性能及其工作环境的响应，提出针对工作环境温度变化影响的订正方案，并结合观测资料进行分析验证。结果表明：如果辐射计天线增益和3 dB波束宽度决定的等效主波束效率ηe 较低，则即使在能够经常进行辐射计系统液氮定标的情况下也必须考虑天线工作环境（环境温度与辐射计定标时的情景差异）对K 波段亮温观测的影响。对某一辐射计液氮定标后1年多观测资料的订正验证表明：订正效果明显，尤其是在28．0 GHz和30．0 GHz两通道。

地基微波辐射计亮温观测数据的综合质量控制与效果分析

针对北京一地基微波辐射计,研究其Level-1级数据的质量控制方案,提出极值检查、时间一致性检查、辐射传输计算检查和多通道亮温交叉检查。并用实际亮温观测数据进行质量控制实验,分析其应用效果。研究结果表明了提出的综合质量控制方案的可行性,为本资料的后续应用提供选择依据。

辐射传输模式对地基微波辐射计观测亮温的模拟能力分析

提供高时间分辨率大气温度湿度廓线的地基微波辐射计近年来广泛使用,多通道观测亮温的数据质量是大气廓线产品合理性的基本保障。一般定期液氮绝对定标可以更好维护亮温数据质量,但实际操作颇为不易。辐射传输模式作为一种辅助工具,可以检验和认识地基微波辐射计观测亮温的数据质量。本文针对三个辐射传输模式:MonoRTM、ARTS和MWRT,结合北京探空观测资料、北京观象台和河北香河站同类型的德国RPG地基微波辐射计观测资料,分析比较了三个模式的模拟与观测亮温差异,评估不同辐射传输模式对地基微波辐射计观测的模拟能力。地基微波辐射计14个通道观测亮温与模式模拟的差异统计比较发现:三个模式的模拟结果与地基微波辐射计大部分通道的观测亮温都很接近,与观测结果具有很好一致性(如相关系数高达0.99),而对温度通道ch8(51.26 GHz)和ch9(52.28 GHz),三个模式模拟与观测相关系数明显较低(<0.80),并且存在显著的绝对偏差(4~5 K),表明模式在这两个通道的模拟能力有待提高。三个模式中,MonoRTM模式在温度通道ch8、 ch9和ch10(53.86GHz)存在明显的系统性偏差,尤其是ch8高达5K;ARTS模式对水汽通道ch1(22.24 GHz)的模拟能力相对较弱;MWRT模拟与观测亮温在多个通道上相对更为接近和稳定,尤其系统性偏差最小。此外,探空廓线与地基观测站的空间位置不一致,对地基微波辐射计水汽通道的模拟结果影响较为显著,而对水汽不敏感的温度通道影响甚微。两地观测亮温与模式模拟的比对,初步表明北京观象台地基微波辐射水汽通道的观测质量有待改进。

微波辐射计亮温观测质量控制研究

针对武汉MP-3000A型微波辐射计,将无线电探空资料代入辐射传输模式(MWCLD),计算出该辐射计各通道的亮温,再与实际观测的亮温值进行对比,通过个例分析该辐射计观测值与计算值的一致性并判断各通道观测值的合理性。分析结果表明:模式计算值与观测值之间有很好的一致性,并且经过偏差订正或线性订正后的数据,可用于检查辐射计在各个通道的运行状态,从而建立有效的针对地基微波辐射计资料的质量控制方案。

通道间串扰对一维综合孔径微波辐射计反演亮温的影响分析

在一维综合孔径辐射计系统中,接收机通道间串扰的存在会引起干涉测量结果的改变,从而引起反演成像结果变差。本文设计 了一维综合孔径微波辐射计理想通道仿真系统,给定点源天空场景和点源阶梯场景,给出通道间串扰引入方案,通过仿真得到接收通道间 串扰服从均匀分布时对反演亮温的影响, 能对系统的优化设计起到理论指导作用。

基于微波辐射计观测亮温数据集的神经网络训练反演研究

为了提升国产地基微波辐射计反演大气温湿廓线的精度,增强本地部署设备的观测性能,研究实现了地基微波辐射计的神经网络直接样本反演法和观测亮温预处理的神经网络间接样本反演法。将算法应用于武汉华梦科技有限公司研制的HRA002型国产地基微波辐射计,在武汉国家基本气象站开展了与探空以及美国3台MP-3000A微波辐射计的对比观测试验。试验结果显示,HRA002直接样本反演采用改进网络反演水汽密度、相对湿度均方差分别降低约0.94 g·m^(-3)、5%;观测亮温经过预处理后与模拟亮温的相关性提升明显,预处理前后反演的低层温度、水汽密度和相对湿度与探空观测的均方差分别从2.4 K、3.26 g·m^(-3)和18.79%改善为1.58 K、2.18 g·m^(-3)和14.55%,略高于直接样本反演;与3台MP-3000A的反演结果相比,HRA002采用直接样本反演方法的温度廓线总体优于MP-3000A,HRA002采用间接样本反演方法的水汽密度和相对湿度总体上平均偏差占优而均方差稍逊。研究结果表明改进后的直接样本反演法更贴合辐射计硬件性能,反演精度较高;亮温预处理显著提升了间接样本反演精度,在反演精度总体接近的情况下,弥补了直接样本反演法需要长期观测数据的缺陷;综合采用上述两种算法能够提升国产地基微波辐射计本地化、个体化的观测性能,在反演大气参量廓线方面具有可用性。

地基微波辐射计探测在黄河上游人工增雨中的应用

利用2003、2004年夏秋季在青海省河南县的地基双频段微波辐射计连续观测资料，在实施系统探测实验以进行辐射亮温值（TB（23．87），TB（31．65））与大气汽态总水汽含量（Q）和云中积分液态水含量（L）值反演处理的基础上，分析了黄河上游河曲地区的云水特征，并进行了降水预测及人工增雨作业指标的探讨。结果表明：在黄河上游河曲地区，7—9月纯晴天无云天气条件下，L值基本为0，表明了统计回归反演的显著性。多云条件下Q值和L值分别在3．76～4．75g·cm^-2、227．34～859．42g·m^-2的范围内。可降水云天气，Q值在5．23～8．65g·cm^-2间，L值在421．18～1016．37g·m^-2的范围内；积雨云个例分析表明，在降雨开始前近5小时的降雨酝酿期内，Q及L的增加有明显的波动，但在对流云出现并发展时，Q和L总是急剧上升，在降雨前达到一峰值；由河南站和西安站的Q、L值比较差异可以看出，Q、L值受水汽输送、地形等因素的影响，黄河上游河曲地区的人工增雨潜力有显著的优势；所计算出的降水预测阈值。可作为该地区人工增雨作业指标的参考。

地基微波辐射计资料在对流云降水前的变化特征初探

基于RPG-HATRPO-G3 14通道地基微波辐射计观测的大气亮温和反演的不稳定性指数K指数(KI)、抬升指数(LI)、沙瓦特指数(SI)、总指数(TTI)和对流有效位能(CAPE)产品,分析其在2015-2016年9次对流云降水前的变化特征,并与非降水日中的变化进行对比。结果表明,非降水日四季22 GHz亮温、58 GHz亮温及大气不稳定度指数均存在一定的日变化,且22 GHz亮温的日变化较明显;5种不稳定性指数夏、秋季的日变化差略大于冬、春季。9次对流云降水开始前2 h,22 GHz亮温在降水开始前34 min出现持续上升,早于58 GHz亮温出现持续下降的时间,且变化更为剧烈,其数值、变化值均大于四季非降水日均值、日变化差,对对流云降水的开始指示性较好;对流云降水开始前40 min左右,出现KI和TTI数值持续上升、LI和SI持续下降的现象,均早于CAPE出现持续上升的时间,这对于对流性降水的发生有指示意义; 5种指数的数值大小可以为对流云降水开始阈值的建立提供参考。在临近降水的-10～0 min(负值表示降水开始前时刻),22 GHz亮温、KI、SI和CAPE出现时间变化率大值的比例比其他时段高,但22 GHz亮温同时出现负变化率大值的比例也比其他时段高; KI和SI时间变化率大值的比例比CAPE高,综合考虑二者在对流云降水前的平均值出现持续变化的时间较早,KI和SI对对流云降水的指示意义较好。

一次典型西风槽型降水过程的双通道微波辐射计探测分析

对2012年10月27日傍晚时分,沈阳区域气象中心大楼所在地降水过程前后的双通道微波辐射计与雨量计的测量数据进行对比分析,得到双通道微波辐射计的一些测量特征,以为人工增雨作业时机的选择提供指示作用。

地基微波辐射计探测质量综合分析

利用2018年7月至2019年7月上海宝山站地基微波辐射计亮温数据和探空资料,评估微波辐射计的探测质量,并讨论定标、天线罩性能等对探测质量的影响。结果表明:晴空条件下,微波辐射计实测亮温与模拟亮温一致性高,所有通道相关系数均超过0.96,均方根误差为0.15~2.68 K,其中氧气通道的探测准确性高于水汽通道。各通道偏差主要包括随机偏差、系统性偏差和季节性偏差三类,液氮定标能明显减少大部分水汽通道的系统性偏差,但对氧气通道的影响相对较小。更换新型材质天线罩有助于明显降低降水天气各通道的亮温偏差,明显缩短受降水影响后的亮温恢复时长,效果维持4个月左右。

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。

六盘山区两种不同型号地基微波辐射计探测数据差异分析

地基微波辐射计可以很好地反演大气水汽,为降水过程中水汽含量的变化分析提供了可靠的依据。本文使用2019年10月3日到6日,两个部署在同一地点的不同型号微波辐射计所测得的大气水汽含量、云液态含水量和亮温信息以及同时段内的小时降雨数据,分析对比了宁夏六盘山区一次连阴雨过程中两微波辐射计各参量的变化情况。结果表明:非降水背景下,两微波辐射计得到的结果变化趋势相一致,但QFW-6000 型地基多通道微波辐射计得到的大气水汽含量整体比RPG-HATPRO-G4型高;在降水开始前云液态水含量都有一个跃增现象,但是根据降水量的大小不同,其跃增开始到降水开始之间的时间长短也不同;在降水时段内,降水对QFW-6000 型微波辐射计的影响大于对RPG-HATPRO-G4型微波辐射计的影响,且降水量越大RPG-HATPRO-G4型微波辐射计受到降水的影响越大。此结果不仅可为日后两个微波辐射计不同址时提供对比依据,而且可为人工增雨提供技术参考。

一种地基微波辐射计定标源设计与研制

微波辐射计定标技术是实现其定量化遥感应用的先决条件,针对地基微波辐射计的定标需求,设计开发了由冷定标源、常温定标源和热定标源构成的定标源组保障辐射计观测亮温度区间校准工作的顺利完成。本文介绍了辐射计定标源工作原理,给出辐射体的发射率电磁仿真和测试结果,结果表明,辐射体具有0.9999左右的发射率。介绍了定标源的控温方式、控温结构和温度试验结果,试验结果表明,该定标源组温度均匀性优于0.2K,温度稳定性优于0.023K。本装置具有高精度、高可靠性的特点,已在地基辐射计日常校准工作中得到应用。

微波辐射计在西安咸阳机场强对流短临预报过程中的应用分析

利用西安咸阳机场人工观测场内架设的MWP967KV两种型号的地基多通道微波辐射计探测资料对2017年6月29日发生的一次强对流降水天气过程进行了探测分析及对比。结果表明:在这次强对流天气过程中,上升气流强盛,引起云底高度出现明显波动,低层空气向上输送释放凝结潜热导致等温线上抬,整层水汽与液态水含量有多峰结构产生;利用微波辐射计资料二次反演计算分析了KI、SI、TT三个大气不稳定指数,这些指数对强对流天气的短临预报有很好的指示效果,探测结果具备一定的临近预警潜力。

利用亮温资料建立降水临近预报方法的研究

通过对太湖地区2009年1-4月TP/WVP-3000型微波辐射计的亮温连续观测资料进行分析,建立降水临近预报方法.结果表明,降水开始前4h,微波辐射计有7个通道的1级亮温资料存在明显的增长趋势.利用降水个例与无降水个例亮温差值最大、降水个例与无降水个例亮温标准偏差差值最大两个标准,选择合适的通道进行降水临近预报.通过计算得到,第1通道的亮温差值最大,而第5、6通道的亮温标准偏差差值最大,因此可分别将第1、第5和第6通道的亮温观测值作为预报因子.根据判别分析方法,分别在降雨前15 min及前30～ 330 min（时间间隔为30 min）建立12个预报方程,并通过自身验证对每个时间点预报的准确率进行检验,最后选择降雨前90 min的判别方程用于预报,其预报准确率为87％,空报率为24％,漏报率为13％.

对流层水汽和液态水的地基微波遥感探测

本文论述了遥感对流层水汽和液态水的新型双通道微波辐射计的设计原理和结构特点,给出了不依赖无线电探空资料的系统定标方法。讨论了水汽总量和云中液态水含量的统计反演法以及水汽垂直分布的迭代反演法。最后给出了1989年夏季中尺度预实验观测中辐射计的部分观测结果及其与无线电探空仪的对比。

中国东南沿海地区大气反常结构遥感初探

对流层大气作为电波传播的主要媒介,其大气剖面参数直接影响无线电系统的作用距离和导航、定位精度,因此,研究大气剖面的微波遥感技术,尤其是大气反常结构,对分析评估无线电信息系统在复杂大气环境条件下工作性能和提供电波折射修正精度等具有重要的应用价值。中国东南沿海地区一直是研究的热点区域,本文选取青岛、射阳、厦门、海口4个站的气象探空仪观测数据,统计了这些地区大气波导的平均高度和厚度,对采用地基多通道微波辐射计的天顶和扫角亮温遥感其参数的算法进行了初步探索,提出了改进的组合神经网络算法来判别并遥感大气波导。同时,使用多年的探空数据对该算法进行了仿真验证,并用青岛气象站的实测数据验证了该算法的精度。结果表明该算法可用于遥感大气反常结构,并且与以往的算法相比更加实用、有效,可为雷达、通信、导航等系统设备提供环境信息保障。

重庆主城区秋冬季逆温对空气质量影响的观测分析

2013年9—11月利用RPG-HATPRO地基多通道微波辐射计对重庆主城区大气进行连续探测,统计了大气逆温情况,并对典型重污染天气下大气逆温与空气质量状况进行综合分析。结果表明,逆温出现的频率为63.3%,基本为接地逆温类型,逆温层厚度为953 m,逆温强度为0.3℃/hm;逆温的存在为气溶胶的积聚和凝聚创造了有利条件。