地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

王振会李 青楚艳丽朱雅毓

1）（南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

2）（南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

3）（中国气象局北京城市气象研究所，北京100089）

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

王振会1）2）＊李 青1）2）楚艳丽3）朱雅毓2）

1）（南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心中国气象局气溶胶－云－降水重点开放实验室，南京210044）

2）（南京信息工程大学大气物理学院，南京210044）

3）（中国气象局北京城市气象研究所，北京100089）

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20～30GHz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20～30GHz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3dB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28.0GHz和30.0GHz两通道。

地基微波辐射计；K波段亮温观测订正；天线性能；工作环境

引 言

地基微波辐射计是应用遥感技术进行大气状态观测的仪器［1－3］，可以连续工作，典型设置的时间分辨率为1s，极大地弥补了常规探空资料观测时间分辨率低的缺点，尤其是能满足对边界层大气温湿垂直分布廓线以及云、降水进行连续监测的需要，因而备受关注［4－10］。最近 Wang等［11］研究了地基微波辐射计对闪电引起的高温气柱的响应，提出利用微波辐射计观测闪电特性的可能性。

由辐射计的一级数据可以得到亮度温度（简称亮温），代表辐射计在指定的频率处接收到的电磁波强度，属于非常规观测资料，需要经过对亮温的反演计算才能获得大气温湿垂直分布廓线以及云与降水信息等二级数据［12－15］，所以，对微波辐射计亮温数据要进行严格的质量控制，为后续的直接同化和大气温湿廓线反演等能够使用更为可靠的亮温数据提供保障，使其更好地在气象分析、灾害性天气监测和预警等工作中发挥作用。

微波辐射计亮温数据质量控制方法，可以参考使用气象仪器常规观测常用的统计特征阈值法［16］①朱雅毓，王振会，楚艳丽，等.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.气象科学，待发表.。基于亮温和辐射传输方程模拟亮温一致性分析的质量控制方法，已在星载微波辐射计观测数据质量控制中成功使用，如Lu等［17］将FY－3星载微波温度计观测亮温与基于欧洲中尺度天气预报中心模式的模拟亮温对比，发现仪器个别通道的频率漂移问题并提出订正方案；Goldberg等［18］通过比较美国NOAA星载AMSU－A的观测亮温和模拟亮温，发现二者差异存在非对称性，而后 Weng等［19］认为非对称性的原因可能是星载天线指向偏移或者其偏振方向位移。Weng等［20］对星载微波辐射计ATMS的结构和天线性能对亮温测量的影响进行了系统推导和计算，结果给出了天线旁瓣对ATMS亮温测量数据影响和订正模型。因此，王振会等［21］、敖雪等［22］提出利用晴天每日08：00（北京时，下同）的观测资料和大气辐射传输理论计算，判断微波辐射计观测期间的工作状态，并分析辐射计可能存在的性能漂移。李青等②李青，胡方超，楚艳丽，等.北京一地基微波辐射计的观测数据一致性分析和订正实验.遥感技术与应用，待发表.对观测亮温进行统计一致性分析和订正实验，发现在所取的两年亮温数据序列中有两个不连续点，经证实分别与辐射计定标和搬家对应，因此提出亮温观测数据的分段订正方案。该方案在50～60GHz波段既提高了遥感观测信息的全样本一致性，又提高了观测亮温与正演计算的一致性，而在20～30GHz波段，虽有改善，但不明显，尤其是通道7（28GHz）和通道8（30GHz）订正几乎无意义。该文推断的主要原因是辐射计天线性能及其工作环境对该波段观测亮温有影响，但一时难以估计。陈向东等［23］曾对天线增益为27.08dB、主波束宽度为10°的8mm波段地基辐射计进行研究，认为旁瓣影响很微弱，该天线主波束效率达0.96。目前常见的辐射计性能标称值中天线增益更高、3dB波束宽度更窄，但对旁瓣的影响研究较少。

本文在李青等②研究工作的基础上，探讨地基微波辐射计天线性能及其工作环境对K波段20～30GHz波段观测亮温的影响，根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立亮温订正模型，通过模拟计算给出辐射计20～30GHz波段观测亮温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，并结合实际观测资料进行验证。

1 理论分析

根据文献［12－13］，指向天顶的辐射计观测得到的下行亮温可以用地基遥感大气辐射传输方程表示为

按式（1）模拟计算出的亮温仅是辐射计天线处的大气下行亮温。指向天顶的辐射计天线实际接收到的功率用天线温度TA表示［13，24］，由天线的功率方向性函数F（θ，φ）和来自各方向的亮温TB（θ，φ）决定。来自天顶方向的亮温，即θ＝0°处的TB（θ，φ），即式（1）给出的大气下行亮温TB（0）。

为了估算天线工作环境对亮温观测的影响，定义旁瓣参数

以便将F（θ，φ）等效表示为

如图1所示。式（2）和式（3）中，Ωm为天线主瓣3dB波束立体角，由平面角α确定；Ωm外为旁瓣立体角，记为Ωs＝4π－Ωm。

图1 辐射计天线方向性函数等效示意图Fig.1 Schematic of radiometer antenna directivity function

旁瓣参数γ和旁瓣电平均表征天线旁瓣特征，但旁瓣电平为区间值［25－26］，而γ只是1个值。

假设TB（θ，φ）在上半球各向同性为TB（0）（简记为TB，属于大气辐射）、下半球各向同性为TS（属于工作环境辐射），并考虑到天线反射体是放在上半球开窗式屏蔽罩内，则可推导得到天线温度为

代表屏蔽罩上窗口的有效大小，0≤β≤1，且在不同波长有差异，其中，Ωw为天线罩开窗立体角，Ωm为3dB主波束立体角。

由式（4）并参照天线增益和主波束效率的定义［23，27－29］，可得天线增益

以及等效主波束效率

并得G，ηe之间的关系为

式（8）表明，ηe与G成正比，但随α减小而减小。这里，ηe为等效主波束效率，由3dB点定义，不同于文献中的0－0点主波束效率。

由式（4）分析TB和TS对TA的贡献权重比例，并考虑到α很小，可以得到

理想的天线γ＝0，ηe＝1，总有TA＝TB，与工作环境无关。而实际中，TA与TB的关系如式（9）所示，受环境亮温变化影响。

辐射计标定给出将TA转换为TB所需要的关系式

其中，a和b为标定系数。对比式（9）与式（10），显然在理论上

其中，a是仪器常数，但系数b不是常数。如果将b作为常数，则导致由定标得到的TB因为TS增大（减小）而减小（增大），所以，要考虑环境亮温变化对观测值的影响。将按照定标关系式（10）得到的TB记为TBM（即TB的辐射计观测值），记b0为定标情景下的标定系数，据式（10）有

其中，δTB为工作环境亮温订正量，ΔTS为工作环境变化引起的TS变化量。

工作环境变化最明显的原因是地表温度的变化（含日变化和季节变化）。地表温度Tg在1年内的变化ΔTg可达几十K。辐射计安装场地调整、下雨引起地表积水等，也会带来地表比辐射率变化。据文献［30］，草地比辐射率约为0.94，裸土地比辐射率约为0.86，沙地比辐射率约为0.82，水面比辐射率最小，约为0.4。可见地表比辐射率的变化Δε也会达几到十几甚至几十个百分点。根据Westwater等［12］，TS≈εTg，可得

由式（14）可知，δTB与ΔTS成正比，且β和ηe越小，δTB越大。当天线反射面完全无罩，即β＝1时，δTB＝ΔTS（1－ηe）／（1＋ηe）。当天线罩窗口恰为3dB主波束大小，即β＝0时，δTB＝ΔTS（1－ηe）／ηe。可见，抑制工作环境亮温变化影响的最有效方式是通过增大α和减小γ来增大ηe。由于增大α将导致降低空间分辨率，因此，只能减小γ。

2 数值计算

2.1 气象探测实验中常用的辐射计天线的性能

目前胃肠道微生态与AP的关系在动物模型及人体的研究中报道偏少。虽有在人体中补充胃肠道微生态治疗AP的报道，但缺乏前瞻性的研究。

两类典型辐射计在K波段的天线性能，如表1第1行至第3行给出。取图1中α为表1中WHPB（半功率波束频宽）的一半（即α＝0.5WHPB），γ＝Xmax即旁瓣电平X的最大值，由式（7）计算得到ηe见表1第6行。可见，大部分波段的ηe都较小。若γ和ηe由厂家提供的G和α决定，由式（7）和式（8）得γ和ηe见表1第7行和第8行，可见各通道的ηe也都不高。参考叶云裳等［29］对主波束效率大于90%的需求，取ηe＞90%，则对应的γ要在－40～50dB范围内（见表1中第9行）或者α要比表1中第4行的数值大（见表1中第10行）。

综合表1和第1章可知：①即使是α＝3.1°的天线，ηe＞90%对应γ＜－40.8dB。显然，这对天线旁瓣提出了很高的要求。适当增大α可以降低对γ的要求，但这降低了空间分辨率。②对于α＝3.1°，G＝30dB的天线，旁瓣参数γ＝ －35.7dB，ηe也仅有73.17%，如果进一步考虑口径、形面偏差、遮挡等因素的影响［28－29］，ηe会进一步减小。以ε＝0.85，Δε＝0.05，Tg＝280K，ΔTg＝10K（典型的中纬度地区地表昼夜温差和季节温差）和ηe＝90%为参照，代入式（14）、式（15），可得ΔTS＝22.5K，δTB＝1.2K（取β＝1）和2.5K（取β＝0）。若ηe＝70%，δTB为4.0K（取β＝1）和9.6K（取β＝0）。而微波辐射计的亮温灵敏度标称值通常小于0.2K（积分时间为1s）。所以，天线工作环境可能会对辐射计亮温观测带来不可忽略的干扰。

表1 两类典型辐射计的K波段天线性能与分析Table 1 Antenna performance and analysis for two typical types of K－band radiometers

2.2 基于TB模拟数据的环境亮温变化影响

针对表1中B类辐射计K波段的4个代表性通道的频率，按照表1第8行中B类辐射计在2个频率处的ηe值内插到4个频率处（得到ηe在73%～75%范围内）；TB用式（1）正演计算，即TB（0）。计算条件同文献［31］，即美国1962年标准大气（海平面高度处大气温度和水汽密度分别为290K和7.5g／m3）、云天（取云层处于900～1880m高度之间、云中液水含量为中等数值0.3g／m3）、雨天（取雨滴位于云底之下、高度0～900m之间，雨强4mm／h，忽略云雨区散射）。TB计算结果见表2第1行到第3行。这些TB值与文献［31］的图示结果基本相同。晴空TB在22～25GHz水汽波段一般比较大，而在26～30GHz大气窗区一般比较小。在云天尤其是云含水量较大甚至雨天情况下各通道TB都会比较大，尤其是26～30GHz大气窗波段云降水天气的TB明显大于晴空时的TB。

将TB代入式（9），并以TS＝238K（ε＝0.85，Tg＝280K）为参照，得到TA，见表2第4行到第6行。可见，238K的环境亮温使K波段TA＞TB。如前所述，TA与TB之差值在晴天时较大，在云天时较小，在雨天时更小。

取ΔTS＝22.5K（Δε＝0.05，ΔTg＝10K），按照表2中的ηe，由式（14）计算δTB如表2第7行，可见各通道受干扰δTB在3.2～3.5K之间（取β＝1），大小因ηe不同而不同。如果该辐射计天线ηe达到90%，则δTB减小成1.2K，但依然超过辐射计标称灵敏度。因此，该辐射计因天线ηe较低而要求天线工作环境变化（ΔTS）要尽量小，否则就需要经常进行辐射计系统标定。

用比值TB／δTB表示各通道对环境亮温变化的抵抗能力，该比值越大抵抗能力越强。针对该辐射计的计算结果如表2第8行到第10行。可见，该辐射计K波段在晴天时抵抗能力最低，尤其是28GHz和30GHz，这两个通道不利于用来观测晴空；云雨天时，28GHz和30GHz抵抗能力增加最快，即28GHz和30GHz通道可用来观测云降水特征。

表2 B类辐射计K波段下行亮温和天线温度在天空不同状况下对比以及环境亮温变化影响（TB计算中，假设TS＝238K，ΔTS＝22.5K，其余条件同文献［31］）Table 2 Comparison of the K－band downward brightness temperature and antenna temperature for type－B radiometer and analysis on the influence of environment under different sky conditions（letTS＝238K，ΔTS＝22.5Kand other parameters forTBcalculation are the same as Reference［31］）

3 观测数据的订正方案与效果

记TBO为TBM订正后的值，由式（13）得

为便于计算δTB，假设地表温度与辐射计自测的环境气温相同，ΔTS主要由环境气温（记为Tg）的时间变化ΔTg来决定（忽略ε的变化），则由式（14）和式（15）可得订正量估算模型为

式（17）中，c为系数，理论上c＝ε（2－β）（1－ηe）／［β＋（2－β）ηe］。取ε＝0.9，ηe＝0.75，β＝0，则c＝0.3，这是系数的理论估计值。

由于亮温的反演和同化应用多以式（1）正演计算得到的TB（记为TBC）为参照，所以令∑（TBOTBC）2最小，则

由式（18）可计算系数c的样本估计值。

为避开云的不确定性对样本估算订正系数的影响，实际中可以仅选用晴空数据样本，但所得系数c代表环境影响，故也可用于订正非晴空亮温观测数据。

某辐射计K波段22～30GHz范围内实际有8个观测通道，各通道中心频率从水汽吸收线（22.232GHz）附近逐渐升高到大气窗区（30GHz）（表3）。该辐射计在2010年12月22日进行了一次液氮定标，提取此后每日08：00和20：00的数据，直到2011年12月31日，共得到746次数据，其中有309次判为晴空观测数据（李青等②）。晴空条件下辐射计自带温度计记录的环境气温与定标时的环境气温（取定标当日08：00辐射计自带温度计记录的环境气温为277.724K）之差，即ΔTg（如图2所示）。K波段的4个代表性通道的观测值和正演值序列，分别如图2中TBM和TBC所示。由图2可见，在定标后的1年多时间里，辐射计环境气温变化振幅达40K，对应的亮温影响δTB为几到十几度（各通道会有差别）。在定标后的近3个月里，辐射计环境气温一直比定标时低，而对应K波段各通道的测值TBM均偏高于TBC；进入夏半年，辐射计环境气温逐渐比定标时高，TBM逐渐偏低于TBC；后进入冬半年，则又重复冬半年TBM偏高。这种年周期现象在大气吸收较弱的28GHz和30GHz尤其明显。根据式（18）求该样本的订正系数c值见表3，与其理论值0.3在同一量级。将表3中的订正系数c代入式（16）和式（17）对观测值TBM进行订正，得到TBO如图2所示。可见，各通道都得到了明显的订正，观

测数据和正演数据之间的拟合度（见表3）明显提高、拟合直线的斜率更加接近于1，尤其是对通道7和通道8观测亮温的订正，即使在晴空情况下TBM和TBC几乎不相关，但环境温度变化订正后TBO和TBC明显相关。这表明环境温度变化订正有利于K波段数据在大气水汽、云和降水遥感中的应用。

表3 B类辐射计K波段亮温的环境温度变化订正系数及订正效果统计量Table 3 Coefficientcfor calibrating the environment temperature influence on K－band brightness temperature measured by type－B radiometer and the statistics to show the efficiency of calibration

图2 2010年12月22日—2011年12月31日每日08：00和20：00晴空时辐射计环境温度变化ΔTg及K波段4个代表性通道亮温观测值TBM、订正值TBO和模拟值TBC的时间序列Fig.2 Time series of clear sky environment temperature changeTgand the observed brightness temperatureTBM，the corrected brightness temperatureTBOand the simulatedTBCfor 4typical channels in K－band at 0800BT and 2000BT from 22Dec 2010to 31Dec 2011

续图2

续图2

续图2

4 结论与讨论

本文根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立亮温计算模型，通过模拟计算给出辐射计K波段各通道亮温观测数据对天线性能及其工作环境的响应，并结合1年多的观测资料分析研究辐射计天线性能及其工作环境对K波段亮温观测数据的影响、提出了亮温观测数据的环境温度影响订正方案。主要结论如下：

1）为降低观测环境变化对地基微波大气遥感的影响，要关注辐射计的旁瓣参数以及3dB波束宽度决定的等效主波束效率ηe，尤其是对28GHz和30GHz附近的通道。对于α＝3.1°，G＝30dB的天线，ηe仅有73.17%，如果考虑口径、形面偏差、遮挡等因素的影响，ηe会进一步减小。

2）以ε＝0.85，Δε＝0.05，Tg＝280K，ΔTg＝10K（典型的中纬度地区地表昼夜温差）为参照，若ηe＝70%，观测亮温受到的影响δTB为4.0K（取天线罩参数β＝1）和9.6K（取β＝0）。而微波辐射计的亮温灵敏度标称值通常小于0.2K（积分时间为1s）。所以，辐射计天线工作环境可能会对亮温观测带来不可忽略的干扰。

3）工作环境不同于定标情景，最明显的原因是地表温度的季节变化。北京天线工作环境温度的冬夏差异可达40K，即使不考虑地表比辐射率等因素，也必须考虑天线工作环境的影响。辐射计系统经常进行标定，有助于减小环境温度与辐射计定标时的情景差异，但依然会因为ηe较低而有必要进行环境温度变化订正。

4）对1年多的观测资料应用表明，本文提出的环境温度变化订正方案简单有效，K波段各通道（尤其是28.0GHz和30.0GHz）亮温订正后和正演数据之间的拟合度大为改善。

环境温度变化对K波段亮温数据的影响，仅是本文指出的观测亮温和辐射传输模式正演计算数据之间一致性减小的原因之一。对影响辐射计亮温观测的其他因素以及综合订正方案，有待于继续研究。

致 谢：感谢中国气象局北京城市气象研究所提供了2010—2011年每日08：00和20：00的地基微波辐射计亮温观测数据。感谢该所李炬、刘红燕、阮顺贤、曹晓彦和北京市气象局保障中心沈永海等老师提供的帮助。感谢美国国家环境预报中心提供了NCEP资料。

［1］ 赵柏林.大气物理与大气探测的一些进展.北京大学学报，1995，31（3）：323－337.

［2］ Westwater E，Crewell S，Matzler C.A review of surface－based microwave and millimeter－wave radiometric remote sensing of the troposphere.Radio Science Bulletin，2004，310：59－80.

［3］ 赵从龙，蔡化庆，宋玉林，等.对流层水汽和液态水的地基微波遥感探测.应用气象学报，1991，2（2）：200－207.

［4］ 段英，吴志会.利用地基遥感方法监测大气中汽态、液态水含量分布特征的分析.应用气象学报，1999，10（1）：34－40.

［5］ 雷恒池，魏重，沈志来，等.微波辐射计探测降雨前水汽和云液水.应用气象学报，2001，12（增刊Ⅰ）：73－79.

［6］ Güldner J，Spnkuch D.Remote sensing of the thermodynamic state of the atmospheric boundary layer by ground－based microwave radiometry.Atmos Oceanic Technol，2001，18：925－933.

［7］ Ware R，Carpenter R，Güldner J，et al.A multi－channel radiometric profiler of temperature，humidity and cloud liquid.Rad Sci，2003，38，doi：10.1029／2002rs002856.

［8］ Cimini D，Westwater E R，Gasiewaki A J，et al.Ground－based millimeter－and submillimiter－wave observations of low vapor and liquid water contents.IEEE Trans Geosci Remote Sensing，2007，45（7）：2169－2180.

［9］ Ware R，Cimini D，Campos E，et al.Thermodynamic and liquid profiling during the 2010Winter Olympics.Atmos Res，2013，132：278－290.

［10］ 黄治勇，徐桂荣，王晓芳，等.地基微波辐射资料在短时暴雨潜势预报中的应用.应用气象学报，2013，24（5）：576－584.

［11］ Wang Zhenhui，Li Qing，Hu Fangchao，et al.Remote sensing of lightning by aground－based microwave radiometer.Atmos Res，2014，150：143－150.

［12］ Westwater E R，Wang Zhenhui，Grody N C，et al.Remote sensing of temperature profiles from a combination of observations from the satellite－based microwave sounding unit and the ground－based profiler.J Atmos Oceanic Tech，1985，2：97－109.

［13］ 张培昌，王振会.大气微波遥感基础.北京：气象出版社，1995.

［14］ Solheim F，Godwin J，Westwater E R，et al.Radiometric profiling of temperature，water vapor，and cloud liquid water using various inversion methods.Rad Sci，1998，33（2）：393－404.

［15］ 刘亚亚，毛节泰，刘钧，等.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.高原气象，2010，29（6）：1514－1523.

［16］ 郭伟，王振会，孙安平，等.地基微波辐射计网络资料处理系统设计及实现.气象，2010，36（4）：120－125.

［17］ Lu Qifeng，Bell W，Bauer P，et al.An Initial E－valuation of FY－3ASatellite Data.ECMWF Technical Memoran－dum 631，European Centre for Medium－Range Weather Forecasts，2010：58.

［18］ Goldberg M D，David S C，Zhou L H.The limb adjustment of AMSU－A observations：Methodology and validation.Appl Meteor，2001，40：70－83.

［19］ Weng F，Zhao L，Ferraro R R，et al.Advanced microwave sounding unit cloud and precipitation algorithms.Radio Sci，2003，38（4）：8068－8096.

［20］ Weng F，Yang H，Zou X.On convertibility from antenna to sensor brightness temperature for ATMS.IEEE Geoscience and Remote Sensingletters，2013，10（4）：771－775.

［21］ 王振会，曹雪芬，黄建松，等.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.大气科学学报，2014，37（1）：1－8.

［22］ 敖雪，王振会，徐桂荣，等.微波辐射计亮温观测质量控制研究.气象科学，2013，33（2）：130－137.

［23］ 陈向东，张祖荫，林士杰，等.八毫米微波天空温度.华中科技大学学报：自然科学版，1985，13（4）：105－110.

［24］ Ulaby F T，Moore R K，Fung A K.Microwave Remote Sensing：Active and Passive.New York：Addison－Wesley Publishing Company，1981：1－2162.

［25］ Rose T H，Czekala H.RPG’s Atmospheric Remote Sensing Profilers Operating Manual.Version 8，2009.

［26］ Radiometrics Corporation.Profiler Operator’s Manual.http：∥radiometrics.com，2007.

［27］ 张培昌，杜秉玉，汤达章.雷达气象学.北京：气象出版社，2001：1－511.

［28］ Rahmat－Sammi Y，A Hoferer R，Mosallaei H.Beam efficiency of reflector antennas：The simple formula.IEEE Trans Ant Prog Mag，1998，40（5）：82－87.

［29］ 叶云裳.“神舟四号”飞船微波辐射计天线的主波束效率.空间科学学报，2003，23（6）：459－466.

［30］ 何文英，陈洪滨，宣越健，等.几种地表微波比辐射率变化特征的地面观测.地球物理学进展，2010，25（6）：1983－1993.

［31］ Waters J W.Absorption and Emission of Microwave Radiation by Atmospheric Gases∥Methods of Experimental Physics，1976.

Environmental Thermal Radiation Interference on Atmospheric Brightness Temperature Measurement with Ground－based K－band Microwave Radiometer

Wang Zhenhui1）2）Li Qing1）2）Chu Yanli3）Zhu Yayu2）

1）（Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，CMA Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing210044）
2）（School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing210044）
3）（Institute of Urban Meteorology，CMA，Beijing100089）

Effects of operating environment thermal radiation interference on atmospheric brightness temperature measurement with ground－based K－band microwave radiometer especially for channels near 28.0GHz and 30.0GHz are studied.A model for simulating antenna temperature which expresses the energy

by the radiometer based on radiative transfer is derived and used to calculate the response of the brightness temperature measurements to parameters such as antenna specifications，radome，surrounding temperature and emissivity.Results show that the equivalent main beam efficiency（ηe）defined by 3dB points is only 73.17%for a typical antenna，of which the half－beam half widthα＝3.1°and the gainG＝30dB.The value ofηewould be even smaller if factors like aperture radiation effect，shape－error，and occlusion and so on are taken into account.The brightness temperature would fluctuate by 4.0Kin case thatηe＝70%，the surrounding temperature and emissivity would change byΔTg＝10KandΔε＝0.05aroundTg＝280Kandε＝0.85if the radome can be neglected.The fluctuation would increase up to 9.6Kif the size of the opening in the radome is just for the main beam.Therefore，if the equivalent main beam efficiency determined by the antenna gain and 3－dB beam width for the current radiometer system is not large enough，variation of the operating environment must be taken into account during the correction of K－band brightness temperature measurement even though LN calibration of the radiometer system can be performed as manual－required.For this，a brightness temperature correction method for operating environment variation is suggested according to the theoretical relationship and the result from application to observations.Over one year application after LN calibration shows that the fitness and correlation between the observed brightness temperature after correction and the calculated brightness temperature with radiative transfer equation is obviously better than before，especially for channels of 28GHz and 30GHz.

ground－based microwave radiometer；K－band brightness temperature correction；antenna specifications；operating environment interference

王振会，李青，楚艳丽，等.地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响.应用气象学报，2014，25（6）：711－721.

2014－04－06收到，2014－09－10收到再改稿。

国家自然科学基金项目（41275043，41005005），城市气象科学研究基金项目（IUMKY＆UMRF201101），江苏省研究生创新项目（CXLX12－0499）

＊email：eiap＠nuist.edu.cn

①朱雅毓，王振会，楚艳丽，等.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.气象科学，待发表.