遥测辐射仪研制报告

本文介绍了遥测辐射仪的结构特点、工作原理、技术指标及误差分析。该仪器在材料、工艺、性能、自动化程度及精度等方面,比台站现用辐射仪器均有明显的改进。遥测辐射仪在台站推广使用后,将减轻观测人员的劳动强度,提高工作效率,较大地改善我国辐射观测质量,以满足各方面对辐射观测资料的需求。     

The experimental oceanographic satellite Seasat-A

A Seasat-A Project was conceived and is being implemented to establish the utility of an array of microwave instruments in space for oceanic research and marine technology. The instruments include: a short-pulse radar altimeter, a wind-field scatterometer, an experimental synthetic-aperture imaging radar, a scanning multifrequency microwave radiometer, and a supporting visual and infrared radiometer. All weather, day-night measurements of sea-surface temperature, surface wind speed and direction, sea state and directional wave spectra will be made, the latter over limited areas and times because of operational limitations on the synthetic-aperture-radar instrument. Highly precise (&<0.1 m) range information from the radar altimeter, in combination with an accurate satellite emphemeris, will be used to infer dynamic departures of sea level from the marine geoid produced by tides, currents, and storm surges. Sea ice will be observed by the synthetic-aperture radar, radar altimeter and the scanning multifrequency microwave radiometer, with particular emphasis on demonstrating their capability to determine polar ice coverage, dynamics and navigability.The satellite will be launched into a high-inclination (108 °), non-sun-synchronous, nearly-circular 800 km orbit in May of 1978. The orbit is such that a dense network traced out by the subsatellite point (18.5-km equatorial separation of ascending orbits) will be obtained in 152 days for geodesy. The satellite is designed for a minimum lifetime of one year; with expendables, including orbit adjust capability, for three.All data, except those obtained from the synthetic-aperture radar, will be collected globally, and returned, as measured, first by a 25 kbps data stream, and then after playback at a rate of 800 kbps from the on-board tape recorder. Synthetic-aperture radar data will be returned in real time only, over a 20-MHz analog telemetry link. We expect that satellite data will be distributed through the National Oceanic and Atmospheric Administrations Environmental Data Service. Processed data are expected to be generally available through this agency within a very few months of launch, following preliminary assessment of instrument operation and evaluation of performance.     

台风天气条件下地基微波辐射计反演产品精度分析

利用中国气象局上海台风研究所台风试验获取的4个典型台风个例数据,对地基微波辐射计反演的温度、水汽密度廓线与同址GPS探空资料得到的廓线进行对比分析,发现二者的温度、水汽密度相关系数分别为0.988、0.928。微波辐射计的探测精度在不同高度上有很大差异,整体来说,在高层温度探测精度较优于低层,而在低层水汽密度探测精度较优于高层。进一步研究表明,探测水汽密度精度与降水强度存在显著的正相关,而与风速及相对台风位置没有明显的关系。经计算,21组水汽密度廓线均方根误差与对应时段降雨强度的相关系数为0.912。本研究定量化地展示了微波辐射计在台风天气条件下对温度的探测精度相对比较高,且对水汽密度的观测质量有一定的可靠性和可用性,这一研究为今后将微波辐射计用于观测台风、锋面等强对流天气系统的大气温度湿度结构提供可靠性依据。     

微波辐射计资料在大雾预报预警中的应用

MP-3000A 是一种新型大气探测仪器,可以连续得到从地面到10 km 高度上高分辨率的位温、相对湿度、水汽密度及其廓线。选取大雾发生、维持及消散时微波辐射计观测数据,分析发现,大雾从形成到消散过程中水汽密度、相对湿度和位温均有不同变化;大雾发生前近地层大气中的相对湿度、水气密度一般会稳定增加,大雾发生时两者会有爆发性增加的现象。大雾维持阶段在近地层多伴有逆温层,辐射雾逆温层明显;大雾期间雾层高度有稳定型也有波动型,雾层高度下降时大雾会迅速加强。大雾消散时近地层大湿区减小抬升,水汽密度迅速减小。因此研究微波辐射计探测的大气水汽密度、液态水含量和位温,将有助于提高大雾生成与消散的预报、预警。     

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。     

冬奥赛场卫星和地基微波辐射计气温廓线观测对比和验证

利用探空站数据对北京和张家口冬奥赛场周边地区的地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪资料进行验证分析。选取2020年全年FY 4A大气垂直探测仪资料以及2020年12月至2021年3月期间对冬奥赛事有重要影响的寒潮前后、雾霾和沙尘暴这3种不同天气现象下探测得到的气温廓线数据进行个例分析。结果表明：在晴空条件下,地基微波辐射计和FY 4A大气垂直探测仪探测大气垂直气温的精度较高,平均相关系数达到0.97,低层大气（500 hPa以下）较高层大气探测结果的一致性较好;大气污染对探测精度产生一定影响,其中PM2.5产生的影响较小,PM10的提高对FY 4A大气垂直探测仪的探测产生较大影响,尤其是发生沙尘暴时,星载探测仪无法对低层大气进行探测。经过对比和验证,卫星探测作为补充探测手段,可以与地基微波辐射计互相补充,尤其是在空间覆盖和时间分辨率上具备一定优势,但在有云和沙尘暴的天气条件下无法对低层大气开展探测;地基微波辐射计可以对一个地点的大气垂直参数开展不间断的探测,与探空站数据的一致性较高。卫星探测和地基微波辐射计均可以为冬奥赛事提供高时间分辨率的探测数据,为数值天气预报提供有力的数据支撑。     

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。     

降水条件下的云雷达与微波辐射计反演液态水含量对比分析

为了发展云雷达与微波辐射计联合反演液态水含量的方法, 利用2019年4—9月中国气象科学研究院在广东龙门开展的综合观测试验中的双波段云雷达和微波辐射计数据, 首先检验了在降水条件下微波辐射计天顶观测和斜路径观测两种探测模式反演温度(T)、相对湿度(RH)、液态水含量(LWC)和液态水路径(LWP)的合理性, 然后分析了两种探测设备反演LWC和LWP的差别。得到以下结论: (1)微波辐射计在斜路径观测模式下反演的产品受降水影响较小, 其反演结果明显优于天顶观测模式; (2)两种探测设备反演的LWP相关性较好且随时间变化较为一致, 但云雷达反演LWP与平均回波强度有明显相关, 随着雷达回波强度的增大, 云雷达与微波辐射计反演的LWP之比越大; (3)两种探测设备反演的LWC相关性较差且存在明显偏差, 在不考虑融化层的情况下单波段云雷达反演LWC与微波辐射计随高度变化趋势相近, 双波段云雷达反演LWC与微波辐射计反演结果在1 km及其以上区间存在明显差异。      

Radiometer studies of low-salinity sea ice

Theoretical and experimental studies of ultra-high-frequency (UHF) and microwave radiometry to sense remotely the thickness and other characteristics of low-salinity (less than one per mille) sea ice are described. The experimental studies used a 600-MHz and a multichannel, multibeam, 4.7-GHz radiometer carried by a helicopter to measure the brightness temperature of different types of sea ice in the Gulf of Bothnia in 1975 and 1976.The developed theory and experiments show that the brightness temperature of low-salinity sea ice oscillates as a function of ice thickness at UHF frequencies. Due to higher attenuation, the oscillations quickly die away at 4.7 GHz and the brightness temperature reaches an almost constant value when the thickness exceeds a few decimetres. By using a three-channel UHF radiometer with suitably selected center frequencies, the oscillations can be reduced and the effective brightness temperature will grow more linearly with the ice thickness.Experiments show that ice ridges appear as thick ice at 600 MHz and as thinner ice at 4.7 GHz, thus allowing them to be detected by radio techniques.     

利用微波辐射计对南京2013年12月霾天大气温湿结构的探测分析

利用高时间分辨率的微波辐射计数据分析南京逆温层结构与雾霾天气的关系。首先将南京MP-3000A型地基微波辐射计2013年12月的数据与常规探空资料的温度和相对湿度进行对比,以确定微波辐射计数据的可用性,结果表明:微波辐射计反演的气温与常规探空资料十分接近,而相对湿度的效果则差了很多。再利用微波辐射计对南京市2013年12月的霾天气过程进行分析,发现在受秸秆焚烧的影响阶段(12月1~9日),污染物浓度与逆温层没有明显的相关;在没有秸秆焚烧影响阶段(12月10~31日),污染物浓度变化与逆温层厚度、强度呈显著的滞后正相关,和底高有显著的滞后负相关;定量化分析表明重度污染和中度污染对应的逆温层阈值一致,轻度污染对应的逆温层阈值明显较小。     

HTG-4型微波辐射计资料在贵阳机场夏季2次雷雨天气中的应用分析

【目的】该文旨在研究微波辐射计资料在雷雨天气的分析与预报中所发挥的作用。【方法】利用贵阳站探空数据、微波辐射计资料、常规观测资料、ERA5 0.250.25再分析资料,采用统计、对比和诊断分析的方法,探讨贵阳机场HTG-4型微波辐射计的探测效果,并对2022年夏季贵阳机场2次雷雨天气进行对比分析。【结果】微波辐射计探测资料与探空站数据的整体相关性较高,其对机场上空气温和低空露点的探测比较可靠。机场两次雷雨期间,微波辐射计探测到上空大气转为“上干冷、下暖湿”的温湿分布,IWV、LWP、LPR值出现激增,能量指数有显著波动,雷雨结束后IWV、LWP、LPR值快速回落,能量指数回归稳定状态,微波辐射计资料更为灵敏、直观地展现了雷雨期间温湿条件的变化。【结论】系统性雷雨与局地热对流的触发机制和水汽含量有所不同,微波辐射计对系统性雷雨的起止及演变可做到约20min的预警提前量,但对局地热对流的开始和结束则很难提前预警。     

基于气象资料变化特征和辐射传输模式的微波辐射计工作状态分析

提出利用晴天每天早晨08时的观测资料,以大气温度季节变化统计特征为依据,来判断微波辐射计观测期间的工作状态。简要介绍了大气微波辐射传输方程,以南京冬春季节大气温度变化的统计特征为依据,以2010年11月27日—2011年5月29日期间南京某辐射计08时晴天的实验观测资料为例,通过对其12个通道的亮温观测值和计算值进行统计对比和物理分析,给出该辐射计实验观测期间的工作状态判断,认为用于湿度遥感的22.235、23.035、23.835、26.235和30.000GHz五个通道观测期间工作状态良好、稳定,而用于温度遥感的51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29和58.80 GHz七个通道性能一直衰退。本文提出的方法可供微波辐射计工作状态监测和观测资料质量控制参考。     

TUVR型紫外辐射表性能研究

利用多台Eppley实验室的TUVR紫外辐射表, 设计并进行比对观测试验, 定量了解TUVR型辐射表测量误差来源及贡献, 了解该辐射表性能, 从而提出数据订正方法。试验结果表明:TUVR型辐射表测量误差来源于感应元件和散射片两部分; 感应元件的衰减率y与使用时间t (月) 呈线性关系。散射片的测量误差跟一个地区的污染状况有关。清洗后散射片透过率与原始水平的透过率仍能保持线性关系, 不影响其余弦订正能力。订正后的结果与标准测量值相关显著。     

高原地区基于微波辐射计反演大气廓线的神经网络算法研究

以2007～2018年西宁二十里铺气象站探空资料为模拟样本,利用MonoRTM模式模拟中心频率21.985～58.759GHz的35通道亮温,应用BP神经网络对模拟数据进行反复训练,构建最优反演模型,并以2019年探空资料为测试样本,对比分析了不同季节和不同天气条件下BP神经网络与微波辐射计的反演效果.结果表明:晴空条...     

Radiative surface temperature and convective flux calculation over crop canopies

The analysis presented in this paper aims at a better understanding of the potential role of radiative temperature, as measured by a radiometer over crops, in sensible heat flux calculation. Defining radiative temperature as the mean temperature of the surfaces viewed by the radiometer (leaves and soil surface) and assuming that an Ohm's law type formula can be used to express sensible heat flux as a function of the difference between air temperature and radiative temperature, the aerodynamic resistance which divides this temperature difference has been analytically defined. The parameters which appear in the resistance expression depend essentially on wind velocity and canopy structure but also on the inclination angle of the radiometer. Finally an experimental verification is presented with data obtained over a potato crop.     

重庆微波辐射计资料的评估和探测特征分析

对比了2017～2019年重庆沙坪坝MP-3000A型地基微波辐射计和Metop-A掩星资料气温、湿度廓线探测之间的差异,并对两次天气过程中微波辐射计的探测特征进行分析,结果表明：(1)微波辐射计与掩星气温在整个探测高度上均为显著正相关,且低层高于高层；夏半年偏差小于冬半年；,4km以下微波辐射计探测气温高于掩星气温,降雨时偏差更大。(2)微波辐射计与掩星相对湿度相关性稍高于气温；,夏半年相关性高于冬半年,,偏差小于冬半年；降水天气时,1km以下及4～-6km之间,微波辐射计相对湿度的负偏差值明显比无降水时大。(3)降水时段,微波辐射计探测5km以下为高湿区,暖湿气团上升过程中凝结潜热和绝热冷却作用,中低层出现了逆温层；辐射雾出现时,微波辐射计探测到近地面层相对湿度增大和气温降低。     

由地基微波辐射计测量得到的北京地区水汽特性的初步分析

首先对比分析了三种测量水汽技术(地基微波辐射计、探空、GPS)之间的差异, 得到地基微波辐射计与探空的差值为0.281cm, GPS与探空的差值为0.728 cm, 地基微波辐射计与GPS的差值为0.322 cm。接着就地基12通道微波辐射计测量得到的水汽总量 (简称PWV), 分析了北京地区水汽在四个季节中的日变化特征。秋季日变化差为0.162 cm, 冬季日变化差为0.130 cm, 春季日变化差为0.229 cm, 夏季日变化差为0.276 cm。另外, 北京地区四个季节中水汽最大值/最小值出现频率最高的时间段呈现一定的特征。即四个季节中在北京时间00:00到00:59和23:00到23:59这两个时间段中, 水汽出现最大值/最小值的概率较其他时间段都高, 其中冬季在北京时间10:00到10:59之间出现最小值的概率最高。水汽总量PWV每小时变化率在四个季节中都存在这样的现象: 出现正的水汽总量PWV每小时变化率的百分比与出现负的水汽总量PWV每小时变化率的百分比相当, 几乎都为50%。最后就水汽与温度相关性做了分析, 分别得到四个季节中各个小时水汽与温度的相关系数, 结果显示各个小时水汽与温度的相关性在四个季节中, 除了夏季从北京时间09:00到22:00为负相关外, 其他时间段内都为正相关。而且各个小时水汽与温度的相关系数都按照秋、春、 冬、夏的顺序递减。     

5种光合有效辐射表性能测试

为认识和提高光合有效辐射 (波长为400~700 nm) 的测量精度,对国内外5种常用的光合有效辐射表的灵敏度、余弦响应、非线性、温度依赖性、光谱响应等性能进行了测试和分析。结果表明: 5种光合有效辐射表 (简称光合表) 的非线性误差均在1%以内; 3种光合表 (PAR LITE,LI-190和FS-PR) 的余弦误差均小于10%,温度系数均小于0.3%/℃,2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1) 的余弦误差明显偏大,温度系数小于0.5%/℃。2种光合表 (PAR LITE和LI-190) 的光谱响应曲线接近于理想光谱,而其余3种光合表与理想光谱曲线偏离较大。在自然光下的一致性比对测量结果显示,5种光合表测量的辐射量与标准值的误差均在5%以内,但综合评价后认为,3种光合表 (PAR LITE,LI-190和FS-PR) 的性能明显优于其他2种光合表 (TRT-5和HSC-FPH-1)。该结果可为气象观测业务选型提供参考。     

Experimental investigation on real-time remote sensing of layered atmospheric precipitable by a ground-based radiometer of 1.35 cm wavelength

The principle and technique of real-time remote sensing of the layered atmospheric precipitable by using a ground-based radiometer of 1.35 cm wavelength with a microcomputer as a controlling and data process-ing unit are presented. The stability and calibration of the instrument are outlined. Observations during the summer of 1984 show that the RMS deviation of the layered precipitable between the radiometer meas-urement and the radiosonde ranges from 0.20 to 0.25 g/cm2 with a correlation coefficient of above 90 %.     

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.