微波遥感大气温度层结的原理和试验

一、引言 利用5毫米微波段大气辐射的地面遥感,反演大气温度压力层结。本文将讨论它的原理、仪器和试验结果。这项工作最初在北京大学进行原理性的探索。随后分别与上海气象仪器厂和北京768厂合作研制成A型微波辐射计及B型微波辐射计两种试验样机,并对两种试验样机作了野外考察试验。从观测结果上看,可以用它遥感十公里以下大气温度层结,低空逆温能够明显地反应,高空逆温反演误差较大。5公里以下均方根误差在2—3°K以内,5公里以上误差还要大些。     

微波遥感大气湿度层结的研究

根据大气噪音谱,用接收1.35cm微波噪音,遥感大气湿度层结。研制了1.35cm微波辐射计(v=22.235 Gc)。用迭代法反演大气湿度层结,在野外实验中与无线电探空仪对比,比湿相差的百分比,均方根偏差在700 mb以下<20％,650 mb以下<29％;大气中水汽总含量的测量,两者相差为3％。为了遥感雨中含水量,研制3cm微波辐射计(v=9.37 Gc)。并测试了大气噪音。     

热带西太平洋秋季低空大气温度层结的基本特征

本文利用现场考察资料,分析了热带西太平洋低空大气温度层结基本特征。发现其边界层内往往有多个弱逆温层存在,在2000—3000m之间也常有弱逆温层存在。     

大气低空温度层结遥测方法及仪器原理简析

对低空温度层结进行探测，是借助电子技术进行遥测。使这一工作更准确、可靠、简单易行。本文对这方面的基本方法，仪器原理和一些实践经验进行了介绍和探讨。     

北京地区低空风、温度层结对大气污染物垂直分布影响初探

2001年1月5～12日,2月21日～3月1日两次在北京方庄居住小区内进行了大气污染物(二氧化硫、氮氧化物)与气象要素垂直探测,历时16天.共获取了83次(一天8次)边界层垂直温、压、湿、风连续的探空资料以及不同高度(地面、100m、500m)逐时大气污染物浓度监测数据306个.该文分析了低空风日变化规律、时空分布规律、边界层气象条件对污染物垂直分布影响等等;并对1月12日、2月27日两天高浓度污染目的天气特征、温度层结和低空风以及2月25～26日出现100m浓度值高于地面现象都进行了详细分析.观测结果对于了解和研究北京地区冬季低层空气中环境化学污染物质在空中的垂直分布情况及随时间变化规律具有重要的参考价值.     

遥感大气温度层结中的反演问题

遥感大气层结的反演要解第一类Fredholm积分方程。为了能得到满意的结果,对于所要解决的问题必须作充分的物理分析,根据这些分析对于方程提出制约,由此得到有效的答案。本文讨论地面微波遥感测温的反演问题。首先分析作为遥感基础的大气噪音,进而讨论遥感大气温度层结的反演方法、测温实践结果以及存在的问题。     

空对地微波遥感大气温度分布的数值试验

本文讨论了地表对微波测温核函数的影响,运用最优化技术,得到了一组基本上与地表特征无关的最优核。运用统计最优反演方法对50组模拟的微波辐射资料进行了反演,并讨论了观测误差对反演精度的影响。     

大气温度分布的地面微波遥感数值实验

本文介绍一次地面微波遥感数值实验。选取1984年南京无线电探空的部分资料,利用较精确的吸收系数计算公式和辐射传输方程,模拟微皮辐射计测量大气在5毫米O_2吸收带内4个通道的辐射亮温度,然后利用物理迭代法由辐射亮温度反演大气温度分布。根据120次反演结果的误差统计,400hPa高度以下反演值的均方根误差不大于3K,700hPa高度以下小于2K,贴地层的逆温可被探测。     

微波遥感大气展望

一、遥感是一种探测的手段它是在不与物体直接接触的情况下,接收物体发射或散射的电磁波或声波信息,经过反演技术,显现出物体的特性.微波遥感大气是利用接收大气发射出来的微波噪音,用以遥感大气的特性和天气的变化. 由于大气气体分子或水滴中水分子的热运动,使之不断地发射出电磁波辐射,它作为遥感的信息.在大气遥感中经常使用红外波段信息和微波波段的信息.由于微波有穿     

层结大气中近地层湍流

本文对稳定层结大气中近地层湍流的层结订正函数导出了新的形式.据此而对的湍流普遍函数作出了新的规定.根据该方案对近地层湍流特徵作了若干讨论.最后并绘制了计算近地层湍流特性量的图表,藉此可以很方便而准确地由梯度观测直接估各市地近地层湍流状况.     

0-10 KM TEMPERATURE AND HUMIDITY PROFILES RETRIEVAL FROM GROUND-BASED MICROWAVE RADIOMETER

Deviation exists between measured and simulated microwave radiometer sounding data. The bias results in low-accuracy atmospheric temperature and humidity profiles simulated by Back Propagation artificial neural network models. This paper evaluated a retrieving atmospheric temperature and humidity profiles method by adopting an input data adjustment-based Back Propagation artificial neural networks model. First, the sounding data acquired at a Nanjing meteorological site in June 2014 are inputted into the MonoRTM Radiative transfer model to simulate atmospheric downwelling radiance at the 22 spectral channels from 22.234GHz to 58.8GHz, and we performed a comparison and analysis of the real observed data; an adjustment model for the measured microwave radiometer sounding data was built. Second, we simulated the sounding data of the 22 channels using the sounding data acquired at the site from 2011 to 2013. Based on the simulated rightness temperature data and the sounding data, BP neural network-based models were trained for the retrieval of atmospheric temperature, water vapor density and relative humidity profiles. Finally, we applied the adjustment model to the microwave radiometer sounding data collected in July 2014, generating the corrected data. After that, we inputted the corrected data into the BP neural network regression model to predict the atmospheric temperature, vapor density and relative humidity profile at 58 high levels from 0 to 10 km. We evaluated our model’s effect by comparing its output with the real measured data and the microwave radiometer’s own second-level product. The experiments showed that the inversion model improves atmospheric temperature and humidity profile retrieval accuracy; the atmospheric temperature RMS error is between 1K and 2.0K; the water vapor density’s RMS error is between 0.2 g/m3 and 1.93g/m3; and the relative humidity’s RMS error is between 2.5% and 18.6%.     

七通道微波辐射计遥感大气温度廓线的性能分析

文中首先分析了大气参数分布的垂直分辨率对模拟七通道微波温度探测器各通道亮温的影响,通过对比计算表明,大气参数的垂直分辨率对微波测温通道亮温计算的影响为0．2K～0．7K;随后分析了各通道亮温测量误差对温度廓线反演性能的影响,当测量误差在0．2K～2．0K范围内变化时,反演结果的总体均方根误差为2．1K～3．1K;同时还分析了单通道缺损、单通道发生漂移及所有通道发生漂移等情况对温度廓线反演性能的影响。当仪器缺损一个通道时,对所缺通道权重函数峰值附近高度上的大气温度反演有不同程度的影响,对其他高度上的大气温度反演的影响可忽略;单通道漂移0．5K时,对反演结果的影响较小;各通道整体漂移达到1．0K时,对温度廓线反演有明显影响;最后,考虑了云雾对微波测温通道亮温的影响,数值计算表明,雾层、浓霾和卷云对各通道亮温几乎没有影响,层云和积云对50．50GHz通道亮温有明显的影响。     

利用神经网络从118.75 GHz附近通道亮温反演大气温度

为了准确快速地从118.75 GHz附近六通道亮温计算大气温度,作者开展了利用人工神经网络技术反演大气温度的数值模拟研究。与线性统计反演算法比较,海面上大气温度反演的总体均方根误差减小17%,陆面上大气温度反演的总体均方根误差减小15%。两种下垫面条件下的温度反演结果表明,近陆面的温度反演结果优于近海面的温度反演结果。另外,对温度廓线垂直结构反演性能的分析结果表明,对于具有较厚逆温层结构的温度廓线,神经网络反演对廓线的复现能力优于线性统计反演。     

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125 K。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。     

MEASUREMENT OF WATER VAPOR AND CLOUD LIQUID WATER CONTENT BY A DUAL-CHANNEL GROUND-BASED MICROWAVE RADIOMETER

The design principle and structural features of a new type dual-channel ground-based microwave radiometerfor measurement of water vapor and liquid water in troposphere are discussed. A method independent ofradiosonde data is used for system absolute calibrations. A statistical method for retrieving the total watervapor and cloud liquid water content and a nonlinear iterative algorithm for retrieving the water vapor profilesin the troposphere are discussed. Comparison is conducted between the measurement of the integrated amountsof the water vapor and the tropospheric vapor profiles by the radiometer and the radiosonde data.     

利用地基双通道微波辐射计遥感青藏高原大气云水特征

利用1997年春季西宁市地基双通道（22．235和35．3GHz)微波辐射计观测的资料，分析了不同月份、不同天气条件下的大气总含水量（V）和云中液态水积分含量（L）的分布规律。结果表明，在相同天气条件下，L值3－5月均呈逐渐递增的趋势，增加幅度一般为20％－40％，V值变化幅度很小；春季高原L值大约只有V的1%。与河北省的资料进行对比后发现，L值基本相当，而V值高原只有平原地区的30％－50％。     

复杂山地环境下雷暴天气中的地基微波辐射计影响距离分析

利用2017年2月—2018年10月地基微波辐射计和无线电探空仪、闪电和雷达数据,首先评估了微波辐射计温度和绝对湿度在不同高度的探测性能,微波辐射计和无线电探空仪不同高度的温度的相关系数为0.800～0.985,绝对湿度的相关系数为0.600～0.916;微波辐射计温度的标准差为3.9～6.1℃,绝对湿度的标准差为0～4 g/m³,无线电探空仪温度的标准差为4.2～6.1℃,绝对湿度的标准差为0.1～4.2 g/m³;微波辐射计和无线电探空仪温度绝对误差的标准差为1.06～2.90℃,绝对湿度绝对误差的标准差为0.08～2.02 g/m³。二者K指数相关系数为0.945。其次利用K指数上升和下降到35℃的时次和不同距离闪电开始和结束时次做相关性分析,结果表明在30 km处具有最大的相关系数(0.864),这可能就是微波辐射计温度和湿度在复杂山地下雷暴天气中能够代表的大气层结的有效距离。最后统计分析了微波辐射计K指数上升达35℃时,90%上游移向微波辐射计的雷暴回波(30 dBZ雷达回波超过-15℃高度层)距离微波辐射计平...     

用微波辐射仪在地面遥测对流层上部温度的最佳频率

在地面上用频率为52—56千兆赫的微波辐射仪,通过不同仰角亮度温度的测量,可以遥测大气的温度层结。遥测对流层上部(500mb以上)的温度,频率在53.1千兆赫附近效果较好。     

A COMPARISON OF THE RETRIEVAL OF ATMOSPHERIC TEMPERATURE PROFILES USING OBSERVATIONS OF THE 60 GHZ AND 118.75 GHZ ABSORPTION LINES

The Microwave Temperature Sounder-Ⅱ(MWTS-Ⅱ) and Microwave Humidity and Temperature Sounder(MWHTS) onboard the Fengyun-3 C(FY-3 C) satellite can be used to detect atmospheric temperature profiles. The MWTS-II has 13 temperature sounding channels around the 60 GHz oxygen absorption band and the MWHTS has 8 temperature sounding channels around the 118.75 GHz oxygen absorption line. The data quality of the observed brightness temperatures can be evaluated using atmospheric temperature retrievals from the MWTS-Ⅱ and MWHTS observations. Here, the bias characteristics and corrections of the observed brightness temperatures are described. The information contents of observations are calculated, and the retrieved atmospheric temperature profiles are compared using a neural network(NN) retrieval algorithm and a one-dimensional variational inversion(1 D-var) retrieval algorithm. The retrieval results from the NN algorithm show that the accuracy of the MWTS-Ⅱ retrieval is higher than that of the MWHTS retrieval, which is consistent with the results of the radiometric information analysis. The retrieval results from the 1 D-var algorithm show that the accuracy of MWTS-Ⅱ retrieval is similar to that of the MWHTS retrieval at the levels from 850-1,000 h Pa, is lower than that of the MWHTS retrieval at the levels from 650-850 h Pa and 125-300 h Pa, and is higher than that of MWHTS at the other levels. A comparison of the retrieved atmospheric temperature using these satellite observations provides a reference value for assessing the accuracy of atmospheric temperature detection at the 60 GHz oxygen band and 118.75 GHz oxygen line. In addition, based on the comparison of the retrieval results, an optimized combination method is proposed using a branch and bound algorithm for the NN retrieval algorithm, which combines the observations from both the MWTS-Ⅱand MWHTS instruments to retrieve the atmospheric temperature profiles. The results show that the optimal combination can further improve the accuracy of MWTS-Ⅱ retrieval and enhance the detection accuracy of atmospheric temperatures near the surface.