地基微波辐射计在云南地区反演液态云水路径与可降水量的应用

柳昭辉 刘黎平 周筠珺

(1.成都信息工程学院,四川成都 610225;2.中国气象局中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081)

地基微波辐射计在云南地区反演液态云水路径与可降水量的应用

柳昭辉1刘黎平2周筠珺1

(1.成都信息工程学院,四川成都 610225;2.中国气象局中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室,北京 100081)

液态云水路径(liquid water path,LWP) 和可降水量(perceptible water vapor, PWV) 是描述天气和气候的两个重要物理量。目前针对该物理量的直接观测较少,地基微波辐射计的出现,不仅能够弥补普通常规大气探测资料的不足,克服常规大气探测在应用中存在的某些局限性,而且还能够获得在研究大气结构等方面新颖有价值的气象资料,是大气探测的重要手段之一。本文利用2012年云南腾冲微波辐射计和激光雷达的观测资料对云南地区液态云水路径进行反演并且对比同时段的雷达反演结果,LWP一般在3-7mm之间,PWV一般稳定在120-280mm左右,但雨时LWP与PWV峰值能够分别达到19mm与650mm。两者呈现相同趋势且误差较小,取得了较好的反演效果,是一种比较可信的手段。

微波辐射计 云南地区 反演

1 引言

云作为地气系统的重要组成部分，对于地气系统的辐射收支具有深远的影响。云辐射过程主要是由云的垂直结构以及粒子尺度、数密度、液态水或冰水含量等云的微物理参数所决定的。对于这些参数的精确测量有助于对云气候学特性的深入理解。长久以来，人们对大气中水汽的认识基本来自于探空测量，然而探空测量并不总是可靠的，并且存在着代价昂贵、时间分辨率低以及不能直接得到液态水路径等缺点。

2 相关定律介绍

2.1 普朗克黑体福射定律

在大气物理学中，有专家用把普朗克函数中的发射的单色强度与发射物质的温度T和频率f的关系用公式表示出来，由于引入了普朗克函数，这个公式也就叫做普朗克黑体公式：

在式(2.1)中，各对应变量大致是这样的，其中h我们把它叫做普朗克常数，其值为6.63*10-34，K叫做波尔兹曼常数，其值为1.38*1023，f就是指物理学中的频率，单位是赫兹，Sr是立体弧度，T指的就是黑体的绝对温度，其单位是开，c指的是光在真空中的速度，大小为3*108m/s。

表2.1 不同的微波波段频率和波长范围表

表3.1 各类云中含水量的观测资料

在下面的图2.1中，我们主要是表达黑体辐射强度氏对波长的曲线的关系。在其中，我们主要针对不同的辐射温度下二者的关系的表述。显而易见地，在图中，我们不难得出结论，随温度的逐步升高，黑体的辐射强度也在增大，然而，最大强度的波长却在下降。当时，它就是瑞利-金斯分布；当λ→0时，它就是维恩分布。这时在某一温度下的物体，在某一波长下的出射率与该物体吸收率的比值，等于黑体的出射率，(当然是指同一温度和同一波长下的)。

2.2 大气微波辐射理论

在磁波学研究中，那些频率在.3GHz到300GHz(波长从lm到1mm)之间的电磁波就是微波。它是以光为传播媒介的，这使得其具有反射、衍射、干涉和极化等特点。我们可以按照波长的长短对其进行划分，具体地可以把其分为P、L、S、C、X、Ku、K、Ka和EHF等波段，其具体的各波段的频率和波长范围详见表2.1(见表2.1)。

大气有选择地对微波辐射。如果我们对分子光谱与热辐射理论足够了解的话，其实大气也能对微波辐射进行放射。我们运用基尔霍夫定律，大气是主要的辐射来源，如果在某波段吸收强辐射也强。

根据上面的大气吸收光谱图，我们可以看出，大气水汽分子的吸收作用很强，这一情况主要出现在频率22GHz附近。而在50-70GHz这段范围内，氧气分子的吸收性能很强，微波辐射计可以用51-59HZ频段的，来对大气温度廓线进行遥感反演。

3 云南地区大气温湿廓线反演结果

3.1 资料和数据来源

2012年5月-8月，中国气象局气象探测中心在云南开展了遥感比对试验，参加试验的设备除了GPS定位的无线电探空仪外，还有毫米波雷达、激光雷达、微降水雷达、边界层风廓线雷达和一台WVP-3000微波辐射计等。在本文的研究中，除了试验期间的微波辐射计数据和同期观测的探空数据外，还收集了省云南市2008年6月-2010年7月期间的无线电探空资料。WVP-3000微波辐射计有12个微波探测通道，中心频率分别为：22.035、22.235、23.835、26.235、30.0，51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29、58.8GHz。

图2.1 黑体强度(普朗克函数)随波长的变化关系图

3.2 云中液态水估算

出于实验地点在云南，地处边区的考虑，我们在做正演计算时，必须把云中液态水吸收系数对微波散射的影响加以考虑进去。还有一点会得我们注意的是，在常规的气象资料中，云液态水含量不多，所以在进行相应的估算时会有一定的困难，甚至会出现偏差的。表3.1对我国各类云中含水量的数据进行了统计，从表中可以看出，变化范围相当宽。

图4.1 微波辐射计反演结果(左图)和激光雷达回波信号(右图)

图4.2 微波辐射计反演结果(左图)和微脉冲激光雷达回波信号(右图)

图5.1 7月17日15时30分左右的微波辐射计观测的液态水含量垂直廓线

图5.2 7月17日15时17-38分的相对湿度的垂直廓线

3.3 误差评估方法

在本文中，我们用无线电探空值作为实际值来对反演方法中出现的相关误差进行评估，其称量方法主要是二个参数。若记样本的总数为n，i表示第i个样本，观测亮温值记为Vi，计算结果记为Ui则计算值对观测值的平均绝对误差和标准偏差分别表示为：

4 液态水路径和可降水量的反演

我们分别对23.8和31.4GHZ两个频率的光学厚度以及平均辐射温度进行了相应的计算，把得来的信息归集在一起，并对观测来的温度进行反演。其最明显的特点就是运算快，最大的好处就是如果被反演时，大气条件与平均算法有明显很大不同的话，就会出现可降水量和液态水路径发生较大偏差的情况。图4.1是我们2012年07月17日22：20—2012年07月18日12：34在云南地区的反演结果和激光雷达观测得出的结果。根据图，我们分析，并得到在前面40分钟时间里，信号不是很有规律，再从相应的仪器的结果，我们得到如下结论：即18：24-19：41会下雨。同样的结果在微波辐射计中也存在，在19：41以前的LWP和PWV值有了较大的增加，LWP最高达到了19mm，PWV最高达到了650mm。而在19：52之后二个值又开始下降了，到了后来，变化开始缓慢，直到处于稳定状态，其中LWP稳定在3-7mm之间，PWV稳定在120-280mm之间。在图中，我们发现雨后出现的云始终高度保持在7km-9km之间，变化不大，厚度相差不大。

图4.2我们在2012年07月27日18：00-2012年7月28日04：48在云南地区的反演结果和激光雷达观测结果。根据相关的仪器，我们可以找到相应的答案，即在当天的20：38-21：11这个时间段里会下雨，同时在这段时间里出现了大的峰值，此时LWP有最高值，为3.5mm，PWV最高达到了170mm。与此同时，在此段时间里，激光雷达的信号很杂乱。接下来又在22：50左右反演结果有一个比较大的值，LWP最高达到了2.5mm，PWV最高达到了140mm。通过雷达反馈的信号，我们得出一个结论，在4.5km高度以下，云会厚一些，比较厚的时候还可能会跟地相连。在00：00-01：12时刻，反演结果值比以前大，这可能是由于多出了一层云在4.5km-9km之间的缘故。

图5.3 毫米波雷达反演的15时(a)17-24分(b)34-31分(c)31-38分液态水含量的垂直廓线

5 一次实际个例的液态水含量反演

本小结利用北京时间2012年7月17日在云南腾冲的一次毫米波雷达和微波辐射计观测。在观测期间，毫米波雷达除了观测到回波强度、径向速度和速度谱宽、退偏振因子外，还间断输出了功率谱密度，而微波辐射计资料则包含大气温度、湿度、水汽密度和液态水含量。

图5.1(a)为7月17日15时17分-24分；24分-31分，31分-38分3个时次云南腾冲上空的微波辐射计反演得到的液态水含量的垂直分布，可以看出在这3个时刻里，液态水含量分别在4km和0.6km处出现了两个极大值，其中4km处的极大值在15时29分达到最大，这表明此高度层有较多的液态水，我们进一步分析这一时段的相对湿度(图5.2)的平均也发现，4km高度层出现了过饱和的情况，这说明这一时段，天空可能出现降水云层。在4km以上随着高度的增加液态水含量逐渐减小，这主要是由于温度随着高度的增加而减小造成的相比之下，0.6km处的次极大值则在15时30分达到最大，此后突然减小，其后突然地减小则是由于降水过程的结束引起的。

图5.3(a)为7月17日15时17分至21分的毫米雷达波反演的液态水含量垂直廓线，可以看出尽管雷达资料反演出的液态水含量整体比微波辐射计的观测要大，但是对流层中层和边界层内的双峰值特征与微波辐射计大致相同。4km附近的最大值能很好的得到反演，只是高度相比微波辐射计观测的要偏低；而边界层内反演出的次极大值位置则比微波辐射计的偏高。刘黎平等指出空气上升速度和米散射效应均对毫米波雷达的反演结果有一定影响，而毫米波雷达反演的液态水含量整体值较微波辐射计偏大和双峰值位置存在偏移可能是由这一原因造成的。图3(b)为15时24分至31分与31分至38分毫米雷达波反演的液态水含量，可以看出，4km附近的极大值相比前几个时刻突然变小，极大值位于边界层内，这可能是由于前几个时刻的降水导致雷达天线积水，而积水会使得雷达回波强度大幅削弱(刘黎平等，2014)。15时31-38分时段的平均结果继续维持这一特征，这说明雷达天线的积水对毫米波雷达的观测有较长时间的影响。

6 结论与展望

本文主要探讨了地基微波辐射计在云南地区大气温湿廓线反演的应用，通过微波辐射计观测时间连续且时间长得特点很好的弥补了无线电探空昂贵不连续的缺点。利用2012年云南腾冲微波辐射计和激光雷达的观测资料对云南地区液态云水路径进行反演，LWP一般在3-7mm之间，PWV一般稳定在120-280mm左右，但雨时LWP与PWV峰值能够分别达到19mm与650mm。对比同时段的雷达反演结果，两者呈现相同趋势，并且误差较小，取得了较好的反演效果。

由于微波辐射计穿透性强于毫米波雷达的特性，今后可通过微波辐射计反演结果对毫米波雷达观测多层云时的个例进行修正，以达到更好的反演效果。

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