海阿靜 于永杰 張志國(guó) 晁 坤 李江漫 劉 萱

(中國(guó)電波傳播研究所青島266107)

總體工程

QFW－6000型地基多通道微波輻射計(jì)及典型天氣過(guò)程觀測(cè)結(jié)果分析

海阿靜 于永杰 張志國(guó) 晁 坤 李江漫 劉 萱

(中國(guó)電波傳播研究所青島266107)

QFW－6000型微波輻射計(jì)是中國(guó)電波傳播研究所自主研發(fā)的地基多通道微波輻射計(jì)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣柱積分水汽量、大氣柱積分云水含水量，實(shí)時(shí)輸出0－10km高度的高分辨率大氣溫濕廓線。本文介紹了QFW－6000型微波輻射計(jì)的主要功能、工作原理、大氣參數(shù)建模方法，通過(guò)與氣象探空數(shù)據(jù)及參考文獻(xiàn)中MP－3000輸出結(jié)果的對(duì)比分析，以及典型天氣過(guò)程下的觀測(cè)結(jié)果的分析，表明該設(shè)備具有優(yōu)良的工作性能。

微波輻射計(jì);溫度廓線;濕度廓線

0 引 言

微波輻射計(jì)通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量大氣微波輻射信號(hào)，結(jié)合使用物理方法和統(tǒng)計(jì)方法建立反演方法，能長(zhǎng)期、自動(dòng)、連續(xù)的提供0～10km高度范圍內(nèi)的溫度和水汽廓線，并計(jì)算輸出大氣柱積分水汽量(簡(jiǎn)稱:IWV或者V)、大氣柱積分云水含水量(簡(jiǎn)稱:LWP或者L)等大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)和大氣電波傳播特性參數(shù)。微波輻射計(jì)本身不發(fā)射信號(hào)，不僅具有很高的靈敏度和良好的保密性［1］，而且分辨率高、壽命長(zhǎng)、可靠性高、可無(wú)人值守工作［2］，并能全天候連續(xù)工作。

國(guó)外已開(kāi)發(fā)出基于各種平臺(tái)的微波輻射計(jì)，在測(cè)量精度、穩(wěn)定性和體積等方面已達(dá)到較高的水平。代表產(chǎn)品為美國(guó)的MP－3000微波輻射計(jì)和德國(guó)的RPG－HATPRO輻射計(jì)。國(guó)外地基多通道微波輻射計(jì)產(chǎn)品近年來(lái)在我國(guó)氣象觀測(cè)活動(dòng)中得到應(yīng)用，越來(lái)越多的研究和評(píng)估表明該設(shè)備能有效增強(qiáng)中小尺度天氣預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)能力和人工影響天氣探測(cè)能力。目前，我國(guó)的高端氣象設(shè)備的研制還相對(duì)落后，主要依靠進(jìn)口，價(jià)格昂貴，而且不方便維護(hù)升級(jí)，不利于業(yè)務(wù)推廣應(yīng)用［3］。因此迫切需要國(guó)內(nèi)自主研制多通道微波輻射計(jì)。

國(guó)內(nèi)有多家單位從事微波輻射計(jì)的研制工作，如北京大學(xué)、中科院大氣物理研究所、中科院長(zhǎng)春地理研究所、中國(guó)兵器科學(xué)研究院等［4］。

中國(guó)電波傳播研究所從1982年開(kāi)始研發(fā)微波輻射計(jì)，從單通道到多通道、從K波段到THz波段，目前已形成QFW系列微波輻射計(jì)，目前產(chǎn)品已應(yīng)用于氣象、環(huán)保、導(dǎo)航、遙感等多個(gè)領(lǐng)域。

本文主要介紹了中國(guó)電波傳播研究所自主研發(fā)的QFW－6000型微波輻射計(jì)的組成、工作原理，通過(guò)不同天氣條件下與氣象探空數(shù)據(jù)的比對(duì)分析，結(jié)果表明該產(chǎn)品具有優(yōu)良的工作性能。

1 QFW－6000型微波輻射計(jì)

1.1 工作原理

大氣輻射遙感的物理基礎(chǔ)來(lái)自近代量子理論:宇宙中的一切物質(zhì)，只要處在絕對(duì)溫度零度以上，任何時(shí)刻都在向外輻射電磁波。德國(guó)物理學(xué)家普朗克提出了著名的黑體輻射公式，即絕對(duì)溫度為T的黑體輻射譜譜密度為:

根據(jù)大氣對(duì)于不同頻率微波頻段輻射吸收的差異，選擇不同微波通道探測(cè)大氣的亮度溫度(亮溫)的變化。其中，22.2GHz附近特征表現(xiàn)為一個(gè)水汽諧振帶，即根據(jù)水汽分布的氣壓高度表現(xiàn)的壓力加寬;60GHz附近的特征表現(xiàn)為大氣氧氣諧振帶;而在此波段云液態(tài)水的發(fā)射光譜無(wú)諧振，并近似與頻率的二次方成正比。通過(guò)測(cè)量氧氣在60GHz附近的輻射強(qiáng)度或亮度溫度得出溫度廓線，通過(guò)觀測(cè)來(lái)自于水汽線壓力增寬的輻射強(qiáng)度或亮度溫度信息，反演得到水汽廓線［5］。

1.2 系統(tǒng)組成

QFW－6000型微波輻射計(jì)由大氣輻射測(cè)量單元、GPS信號(hào)雙頻接收單元、環(huán)境要素測(cè)量單元、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)單元、中央信號(hào)處理單元、電源單元和顯控終端組成。組成框圖見(jiàn)圖1。

圖1 微波輻射計(jì)組成框圖

1.3 大氣參數(shù)建模技術(shù)

大氣參數(shù)建模方法有線性回歸、非線性回歸、遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。研究表明，將標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法改進(jìn)為分段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，更好的擬合微波輻射計(jì)輸出亮溫與大氣參數(shù)的復(fù)雜非線性關(guān)系，能夠顯著的提高大氣參數(shù)反演精度以及適應(yīng)性［6］。

圖2 QFW－6000型微波輻射計(jì)外觀圖

2 QFW－6000型微波輻射計(jì)輸出產(chǎn)品對(duì)比分析

為了檢驗(yàn)QFW－6000型地基多通道微波輻射計(jì)的工作性能，于2014年6月至今在青島氣象局伏龍山標(biāo)準(zhǔn)氣象站布設(shè)一套設(shè)備開(kāi)展探空觀測(cè)對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，經(jīng)歷了數(shù)次降雨過(guò)程，完整的觀測(cè)到晴空、多云、雨前、小雨及雨后等各種天氣情況，獲取了豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

分析樣本采用青島地區(qū)2014年6月至10月共計(jì)225組有效探空數(shù)據(jù)及探空時(shí)刻輻射計(jì)的輸出數(shù)據(jù)，對(duì)輻射計(jì)在非降水天氣下測(cè)量的對(duì)流層溫度、濕度廓線與探空數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較。同時(shí)，引用北京市人工影響天氣辦公室等單位對(duì)美國(guó)MP－3000輻射計(jì)的評(píng)估結(jié)果［3］，將QFW－6000與MP－3000的輸出產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行比較。文獻(xiàn)［3］中對(duì) MP－3000的反演產(chǎn)品，僅給出100、700、1500、3000、5000、6000、8000m高度上(近似對(duì)應(yīng)1000、925、850、700、500、400、300hPa)溫度及相對(duì)濕度結(jié)果。針對(duì)晴天和雨天等典型天氣條件下的探測(cè)數(shù)據(jù)，將QFW－6000型微波輻射計(jì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定性比較。

2.1 輸出產(chǎn)品誤差評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)

QFW－6000型微波輻射計(jì)輸出產(chǎn)品主要包含有不同高度上的溫度、濕度廓線等。采用廣泛認(rèn)可的每日08:00、20:00時(shí)次探空數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(假設(shè)為真實(shí)值)。針對(duì)輻射計(jì)輸出產(chǎn)品和探空資料，評(píng)價(jià)項(xiàng)目主要包括均方根誤差(RMS)、偏差(BIAS)［7，8］等統(tǒng)計(jì)量。

a)均方根誤差

對(duì)溫度、濕度廓線每個(gè)高度層內(nèi)的所有探空時(shí)次進(jìn)行均方根誤差統(tǒng)計(jì)。該方法可得到各個(gè)高度上的誤差，便于分析輻射計(jì)輸出產(chǎn)品誤差隨高度的變化特征。

式中，i為高度層，j為第j次探空，fsj(i，j)為高度層i上第j次探空的輻射計(jì)的輸出值，tk(i，j)為高度層i上第j次探空的探空值，n為探空總次數(shù)，RMS (i)為高度層上的均方根誤差。

b)偏差

式中，i為高度層，j為第j次探空，fsj(i，j)為高度層i上第j次探空的輻射計(jì)的輸出值，tk(i，j)為高度層i上第j次探空的探空值，n為探空總次數(shù)，BIAS (i)為高度層i上的偏差。

用誤差衡量測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，用偏差衡量測(cè)量結(jié)果的精密度.對(duì)輻射計(jì)而言，以探空數(shù)據(jù)為真實(shí)值時(shí)，BIAS(i)和RMS(i)的數(shù)值越小，說(shuō)明產(chǎn)品輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度越好［8］。

2.2 對(duì)比結(jié)果

以探空數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)其為真實(shí)值，統(tǒng)計(jì)QFW－6000型微波輻射計(jì)輸出的溫度、濕度廓線每個(gè)高度層內(nèi)的225組探空時(shí)次均方根誤差、偏差，對(duì)比結(jié)果如表1、圖3～圖6所示。文獻(xiàn)［9］中對(duì)MP－3000的評(píng)估結(jié)果如表2、圖7～圖10所示。

表1 QFW－6000溫度、濕度各高度層均方根誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖3 QFW－6000溫度均方根誤差對(duì)比圖

圖4 QFW－6000溫度偏差對(duì)比圖

圖5 QFW－6000相對(duì)濕度均方根誤差對(duì)比圖

表2 MP－3000溫度、濕度各高度層均方根誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖6 QFW－6000相對(duì)濕度偏差對(duì)比圖

圖7 MP－3000溫度均方根誤差對(duì)比圖

圖8 MP－3000溫度偏差對(duì)比圖

由比較結(jié)果可知，兩者的輸出趨勢(shì)一致，技術(shù)指標(biāo)基本相當(dāng)，表明QFW－6000型微波輻射計(jì)的輸出結(jié)果的指示意義明顯。

2.3 典型天氣條件下輻射計(jì)輸出產(chǎn)品情況

分析典型天氣條件下，溫濕廓線、積分水汽含量及積分液水含量的演變趨勢(shì)，及其與該天氣形勢(shì)的符合情況，如圖11、圖12所示。結(jié)果表明，輻射計(jì)輸出產(chǎn)品時(shí)空表現(xiàn)一致，具有顯著的天氣狀態(tài)指示意義，能很好的反映天氣態(tài)勢(shì)的變化趨勢(shì)和演變規(guī)律。

圖9 MP－3000相對(duì)濕度均方根誤差對(duì)比圖

圖10 MP－3000相對(duì)濕度偏差對(duì)比圖

圖11 2014年6月8日晴天的情況

圖12 2014年7月12日至13日有降水過(guò)程的情況

2014年6月8日，觀測(cè)點(diǎn)上空天氣實(shí)況為晴天。圖11為輻射計(jì)在此期間實(shí)測(cè)的積分水汽含量V、路徑液態(tài)水含量L、水汽密度二維分布、相對(duì)濕度二維分布及溫度二維分布產(chǎn)品截圖。全天V值維持在25mm以下，在8時(shí)左右緩慢上升到極大值后，隨大氣狀態(tài)的改變呈現(xiàn)平緩的波動(dòng);L值全天均為0mm;中低層溫度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢(shì)，中高層隨時(shí)間分布均勻;水汽密度及相對(duì)濕度在中低層呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)，中高層隨時(shí)間分布均勻。

2014年7月12日至13日觀測(cè)點(diǎn)上空發(fā)生降水過(guò)程，降雨時(shí)段始于在12日19時(shí)20分，止于13日0時(shí)10分左右，降雨前為多云轉(zhuǎn)陰天氣，降雨結(jié)束后轉(zhuǎn)為多云。圖12為輻射計(jì)在此期間實(shí)測(cè)的積分水汽含量V、路徑液態(tài)水含量L、水汽密度二維分布、相對(duì)濕度二維分布及溫度二維分布產(chǎn)品截圖。

由輻射計(jì)實(shí)測(cè)結(jié)果知，7月12日17時(shí)前，天氣狀況為多云轉(zhuǎn)陰，中低層大氣濕度較大，溫濕度隨時(shí)間分布較均勻，L值隨空中云量的增加呈現(xiàn)出相應(yīng)峰值，V值變化較平穩(wěn)，于8時(shí)左右呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢(shì)。降雨發(fā)生前70分鐘左右，L值小于0.6mm且變化較小，V值小于60mm且變化平穩(wěn)，在降水發(fā)生前40分鐘左右，L值快速增加，達(dá)到峰值1.2mm后又急劇下降，V值達(dá)到峰值72mm后急劇下降至65mm，V和L值的躍增時(shí)刻早于降水起始時(shí)刻，可通過(guò)該躍增時(shí)刻指示降雨起始時(shí)刻。降水結(jié)束后，L值和V值下降到平穩(wěn)狀態(tài)，水汽密度及相對(duì)濕度在整層逐漸降低，變化趨于平穩(wěn)。

在此次天氣過(guò)程中，V值與L值同增同減，同時(shí)與溫濕度廓線的二維分布相對(duì)應(yīng)，輻射計(jì)輸出產(chǎn)品在時(shí)間、空間上表現(xiàn)一致，在業(yè)務(wù)工作中，可通過(guò)分析輸出參數(shù)的演變趨勢(shì)及其量值，對(duì)降雨前的預(yù)警及人影等工作提供有效的指示。

3 結(jié) 論

本文對(duì)國(guó)產(chǎn)QFW－6000型微波輻射計(jì)的功能、工作原理、大氣參數(shù)建模方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，將輸出溫度、濕度廓線數(shù)據(jù)與探空進(jìn)行了對(duì)比，與文獻(xiàn)中進(jìn)口輻射計(jì)MP－3000的輸出結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)分析了QFW－6000型微波輻射計(jì)在典型天氣條件下的測(cè)量數(shù)據(jù)。對(duì)比結(jié)果表明，QFW－6000型微波輻射計(jì)可正確描述大氣狀況的動(dòng)態(tài)變化，其輸出參數(shù)可應(yīng)用于中小尺度天氣監(jiān)測(cè)，可為短時(shí)臨近天氣預(yù)報(bào)、人工增雨作業(yè)有效降水時(shí)機(jī)選擇及霧霾立體監(jiān)測(cè)提供必要依據(jù)。

2014年夏季在青島氣象局開(kāi)展的觀測(cè)試驗(yàn)，QFW－6000型微波輻射計(jì)工作時(shí)間近一年，并且經(jīng)歷了雨雪、海邊潮濕等多種氣象條件的考驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行始終穩(wěn)定正常。在后續(xù)工作中，主要針對(duì)用戶關(guān)心的輸出產(chǎn)品，提高輸出廓線數(shù)據(jù)的分層密度及精度，優(yōu)化邊界層及艾瑪圖數(shù)據(jù)輸出。綜上表明，該設(shè)備能夠滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣參數(shù)的需求，設(shè)備工作性能優(yōu)良。

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A Ground－based Multi－channel Microwave Radiometer Model QFW－6000 and Analysis of Observation Results under Typical Weather

Hai Ajing，Yu Yongjie，Zhang Zhiguo，Chao Kun，Li Jiangman，Liu Xuan
(China Research Institute of Radiowave Propagation，Qingdao 266017)

The microwave radiometer model QFW－6000 is a ground－based multi－channel microwave radiometer researched and developed by China Research Institute of Radiowave Propagation independently.It can be used to monitor integral water vapor amount and water content of integral cloud water vapor of atmospheric column and deliver high resolution atmospheric temperature and humidity profiles at altitude of 0－10km in real time.Main function，operational principle and the modeling methods on atmospheric parameters of microwave radiometer model QFW－6000 is introduced.The temperature and humidity profiles obtained by QFW－6000 is compared with radiosonde data and results delivered from MP－3000 mentioned in reference literature contrastively and its observation result under typical weather condition is analyzed.The results show that the QFW－6000 has perfect performance.

microwave radiometer;temperature profile;humidity profile

TN911

A

1008-8652(2016)04-006-06

2016-01-07

海阿靜(1982－)，女，碩士研究生。主要研究方向?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理。