星载降水雷达机载校飞试验：地基多通道微波辐射计估算雷达路径积分衰减

介绍了在雷达观测降水试验中如何配合利用地基微波辐射计估算雷达路径积分衰减(PIA)的一种方法.所用的GPS高空探空资料和地基多通道微波辐射计的观测资料,均为中国首次星载降水雷达机载校飞试验中获得的数据.由于常规探空资料中没有云水含量的直接信息,因此,通过绝热液态水含量分析方法,从GPS探空数据中计算得到这些云参数值.用MWMOD进行亮温模拟并计算液态水含量.在晴空条件下,用该模式模拟了地基多通道微波辐射计12个通道的下行辐射亮温.通过设置相对湿度阈值,利用MWMOD模式自带的绝热液态水含量分析方法,从探空廓线中分析出液态水廓线,进而模拟出有云情况下的下行辐射亮温.辐射传输模式的模拟亮温和地基多通道微波辐射计观测亮温的对比表明,进行云分析之后的模拟亮温值更接近于实测值.由此,利用由辐射传输模式和地基微波辐射计,从探空廓线中分析出液态水廓线,计算出有云情况下的大气整层透过率,进而得到路径积分衰减,为降水雷达衰减订正提供一种有效手段.     

不同天气条件下地基微波辐射计探测性能比对

利用探空数据和毫米波云雷达数据,对在大气探测试验基地同址观测的国内外3种型号地基微波辐射计进行1年（2016年10月—2017年9月）的比对分析,重点分析不同型号地基微波辐射计在晴空和云天下温、湿观测性能特征。结果表明:3种型号地基微波辐射计温度与探空相关系数均超过0.98,达到0.01显著性水平;晴空条件下,德国及国产地基微波辐射计温度平均误差均在±1℃以内（前者为负偏差,后者为正偏差）,误差较小,美国地基微波辐射计系统偏差约为-1.8℃;3种型号地基微波辐射计均方根误差随高度递增,整体均方根误差以德国地基微波辐射计2.2℃为最小,美国地基微波辐射计3.8℃为最大;在有云条件下,3种型号地基微波辐射计平均误差分布较晴空条件下无明显变化,均方根误差较晴空条件有约增加0.5℃。3种型号地基微波辐射计均呈晴空相对湿度误差小于云天误差,低空误差小于中高空误差的特点;晴空条件下,美国与国产地基微波辐射计相对湿度均方根误差分别为15%和18%左右,小于德国地基微波辐射计;云天条件下3种型号微波辐射计均方根误差均较大（26%左右）。     

地基微波辐射计与GPS无线电探空和GPS/MET的观测对比分析

利用同址GPS无线电探空和GPS气象学(GPS/MET)的观测数据,对微波辐射计反演的气象要素进行了对比分析。与GPS无线电探空结果对比,微波辐射计的温度和水汽密度廓线具有很好的正相关,而微波辐射计相对湿度廓线的正相关系数受到天气的明显影响。微波辐射计和GPS无线电探空的观测结果之间具有系统偏差,该偏差在无降水时较小,而在有降水时较大。这个系统偏差可能与两种探测设备采样方法的差异、微波辐射计反演算法以及降水影响等有关。尤其是降水时,天线罩上形成的液态水将会导致亮温测值的偏高,进而会给反演结果带来较大的系统偏差。降水的影响同样会体现在微波辐射计反演大气整层可降水量上。与GPS无线电探空结果相比,在无降水时,微波辐射计的可降水量偏小,两者的系统偏差在4 mm以内,而在有降水时,微波辐射计的可降水量明显偏大,两者的系统偏差也较大。与GPS/MET的结果相比,微波辐射计的可降水量总体上偏大,在无降水时,微波辐射计的可降水量与GPS/MET的结果具有很好的正相关,两者的系统偏差小于2 mm,而在有降水时,随着雨强的增加,微波辐射计与GPS/MET可降水量之间的相关系数会减小,同时两者的系统偏差会增大。     

地基GPS和微波辐射计倾斜路径水汽对比观测试验方案设计

为开展地基GPS接收机和微波辐射计斜路径水汽总量的对比观测试验,设计实现一套控制微波辐射计全自动追踪可视范围内某颗GPS卫星,以获取微波辐射计与该GPS卫星之间斜路径水汽总量的外场试验方案.根据观测设备的特点,在软件控制层面上,该试验方案集成GPS接收机和微波辐射计的I/O数据和控制文件,实现各种天气条件下的自动连续观测,获取的观测数据样本具有代表性.该试验方案的实施全程由计算机控制,既可避免可能的人为操作失误,又能节约人员劳务开支.初步的观测结果表明,试验方案能够满足倾斜路径水汽总量对比试验对微波辐射计定位精度的要求.     

MP-3000A型微波辐射计气温、湿度的适用性评估

对比分析了重庆沙坪坝MP-3000A型地基微波辐射计与同址L波段探空气温、湿度廓线之间的差异,结果表明:1)微波辐射计与L波段探空气温在整个探测高度上均为显著正相关,且低层高于高层;08时气温平均偏差小于20时,晴空天气下最小,4 km以下微波辐射计探测气温高于L波段探空气温,降雨时偏差更大。2)微波辐射计与L波段探空相对湿度相关性稍高于气温,5 km以下,08时的相关性低于20时,5 km以上两个时次基本一致;在中低层,微波辐射计反演相对湿度偏大,偏差幅度大于高层;有云、晴空和降雨三种天空状态下,降雨时,水汽附着在微波辐射计的天线罩上,造成雨天的探测失真较为明显,对微波辐射计反演产品的精度产生较大影响,从而造成降雨天气时相对湿度偏差最大,有云时次之,晴空时相对湿度的偏差最小。     

"风云三号"气象卫星简介

风云三号(简称FY-3号)气象卫星是我国自行研发的第二代极轨气象卫星,它通过全球、全天候、多光谱三维定量探测手段,可获取温度、湿度、气压、云层、辐射等众多遥感数据和资料,将为天气预报、气候预测、环境监测等领域提供有效的服务。1卫星构造及姿态1.1卫星构造FY-3号气象卫星采用分层设计,自上而下依次为:有效载荷舱、服务舱和推进舱等。其中,卫星对地面有效载荷配置了地球辐射探测器、红外分光计、扫描辐射计、中分辨率成像光谱仪、微波辐射计、臭氧总量探测器、臭氧垂直分布探测器、辐射计量监测仪等。卫星的天地数据传输系统安装有两…     

利用TIROS-N的AVHRR资料计算局部地区的辐射收支

一、引言地-气系统的辐射状态和热力状况对于各种时间和空间尺度的大气动力和大气物理过程都具有重大的影响。因而,有关各种天气气候条件下地-气系统辐射收支的资料对于中、长期天气预报,以及气候变迁的研究都是极为有用的。由于气象卫星遥感技术的迅速发展和广泛应用,人类有可能从太空对全球范围地-气系统的辐射收支进行观测和研究。自六十年代以来,利用气象卫星观测和研究地-气系统的辐射收支即以两种不同的观测仪器(宽波段辐射计和窄波段辐射计)进行试验研究。从1974年6月起,在美国国家地球局利用NOAA业务卫星红外和可见光波段扫描辐射计(SR)的观测资料计算全球范围地-气系统的辐射收支即已投入日常业     

重庆不同天气条件下地基微波辐射计探测特征

利用2012年1月至2014年8月重庆沙坪坝站的微波辐射计和探空数据,通过数值模拟检验微波辐射计的亮温精度,并统计分析晴空、有云和降水天气条件下微波辐射计反演产品的变化特征。结果表明:(1)有云时微波辐射计氧气通道53.85、54.00 GHz亮温与探空观测温度相关性较好;晴空和有云时MonoRTM模拟亮温与微波辐射计观测亮温相关性较好。(2)不同天气条件下,微波辐射计反演温度与探空观测值的相关性都较高,降水时4.0 km以下微波辐射计反演温度明显偏高,有云和晴空时3.8 km以下的温度平均绝对误差小于2℃。微波辐射计反演的相对湿度与探空观测值的相关性较同高度层温度的相关性差,有云时1.0~2.6 km高度反演的相对湿度平均误差很小,降水时4.5 km以下平均误差也较小且稳定。降水时4.0 km以下微波辐射计反演的水汽密度平均误差明显偏大,有云时多数高度层平均误差较小。(3)4.2 km以下降水时08:00微波辐射计反演温度的平均误差较大,有云时08:00微波辐射计反演温度和水汽密度的平均误差均较小。说明微波辐射计反演的大气廓线具有可用性,且在稳定大气环境中反演效果更好。     

MP-3000A型地基微波辐射计在乌鲁木齐探空站的辅助性探测研究

将乌鲁木齐探空站400 MHz电子探空数据与MP-3000A型地基微波辐射计探测数据进行比较,主要分析了距地高度在0～10000 m的58个高度层的温度、相对湿度误差情况,分析了误差产生的因为,简单介绍了地基微波辐射计物理量垂直廓线图的实际应用情况.认为MP-3000A型地基微波辐射计提供的物理量垂直廓线图在监测和分析天气系统方面有一定的优势;地基微波辐射计的探测准确性远低于传统气球探空,准确性不高是目前的主要问题;地基微波辐射计还需要在实践中不断改进和完善;气象技术人员还需要不断积累地基微波辐射计的应用经验和技巧;地基微波辐射计在气象领域的前景较好.     

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。     

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了广泛的应用。但是，受到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。因此，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。此外，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。结果显示，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出约1.0℃左右，城市中心的大气对流有效位能也比郊区高出1000～2000J/kg。通过这次实验为微波辐射计的车载移动观测和应用进一步奠定了基础。     

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.     

多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

目前,国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察,其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献,不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能,试验将评估对象前移,直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据,以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考,考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明:国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好,相关系数基本超过0.9,均达到0.001显著性水平。晴空条件下,实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K;德国辐射计亮温偏差最小,各通道平均偏差为1.08 K,均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小,夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性,谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

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。     

地基微波辐射计遥感大气廓线的BP神经网络反演方法研究

讨论了12通道地基微波辐射计遥感反演温度、相对湿度和云液态水廓线的BP神经网络反演方法,利用探空资料,对北京春、夏、秋、冬四个季节的大气廓线进行神经网络训练,并对训练好的网络的反演能力进行数值检验,分析了反演精度;对北京南郊观象台12通道微波辐射计的观测亮温资料进行实际反演,结果表明,神经网络(BPNN)反演的廓线与微波辐射计自带RadiomeNN的相比更加接近实际。     

地基微波辐射计低空大气逆温探测能力分析

利用西安泾河站MWP967KV型地基微波辐射2019年6月—2021年5月温度数据,与同期探空观测数据进行对比,检验地基微波辐射计反演温度的准确性;将两种观测方式所探测的逆温参量进行对比,从而分析地基微波辐射计逆温探测能力。结果表明：MWP967KV型地基微波辐射计反演温度廓线在2 km以下精度较高。地基微波辐射计观测逆温出现频率与探空观测类似,并能很好地探测低层200 m以下的逆温,对于高空500 m以上的逆温无法监测到。地基微波辐射计观测的逆温强度、逆温厚度均小于探空观测。地基微波辐射计对逆温日变化有较好的监测能力,填补了常规探空观测的空白。     

西太平洋热带海域的水汽和云的变化特性

本文依据1987年9—11月西太平洋热带海域海洋大气综合考察中双波长微波辐射计观测系统和红外窗区辐射计所得到的观测资料,分析研究了考察海域的水汽和云的变化特性,得到了一些有意义的结果。双波长微波辐射计观测系统可以获得水汽场的动态变化和云中液态水的演变;西太平洋海域的个例显示出辐合区的垂直气柱水汽含量比非辐合区的明显大的特征;用红外亮度温度可以近似估计晴空大气垂直气柱水汽含量。     

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（53.86 GHz）存在明显的系统性偏差,尤其是ch8高达5 K;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。     

MP-3000A型地基微波辐射计在乌鲁木齐探空站的辅助性探测研究

将乌鲁木齐探空站400Mhz电子探空数据与MP-3000A型地基微波辐射计探测数据进行比较,主要分析了距地高度在0—10000m的58个高度层的温度、相对湿度误差情况,分析了误差产生的原因,简单介绍了地基微波辐射计物理量垂直廓线图的实际应用情况,认为MP-3000A型地基微波辐射计提供的物理量垂直廓线图在监测和分析天气系统方面有一定的优势;地基微波辐射计的探测准确性远低于传统气球探空,准确性不高是目前的主要问题;地基微波辐射计还需要在实践中不断改进和完善;气象技术人员还需要不断积累地基微波辐射计的应用经验和技巧;地基微波辐射计在气象领域的前景较好。