QFW－6000型地基多通道微波辐射计及典型天气过程观测结果分析

海阿静 于永杰 张志国 晁 坤 李江漫 刘 萱

(中国电波传播研究所青岛266107)

总体工程

QFW－6000型地基多通道微波辐射计及典型天气过程观测结果分析

海阿静 于永杰 张志国 晁 坤 李江漫 刘 萱

(中国电波传播研究所青岛266107)

QFW－6000型微波辐射计是中国电波传播研究所自主研发的地基多通道微波辐射计，可实时监测大气柱积分水汽量、大气柱积分云水含水量，实时输出0－10km高度的高分辨率大气温湿廓线。本文介绍了QFW－6000型微波辐射计的主要功能、工作原理、大气参数建模方法，通过与气象探空数据及参考文献中MP－3000输出结果的对比分析，以及典型天气过程下的观测结果的分析，表明该设备具有优良的工作性能。

微波辐射计;温度廓线;湿度廓线

0 引 言

微波辐射计通过实时测量大气微波辐射信号，结合使用物理方法和统计方法建立反演方法，能长期、自动、连续的提供0～10km高度范围内的温度和水汽廓线，并计算输出大气柱积分水汽量(简称:IWV或者V)、大气柱积分云水含水量(简称:LWP或者L)等大气结构参数和大气电波传播特性参数。微波辐射计本身不发射信号，不仅具有很高的灵敏度和良好的保密性［1］，而且分辨率高、寿命长、可靠性高、可无人值守工作［2］，并能全天候连续工作。

国外已开发出基于各种平台的微波辐射计，在测量精度、稳定性和体积等方面已达到较高的水平。代表产品为美国的MP－3000微波辐射计和德国的RPG－HATPRO辐射计。国外地基多通道微波辐射计产品近年来在我国气象观测活动中得到应用，越来越多的研究和评估表明该设备能有效增强中小尺度天气预报、监测能力和人工影响天气探测能力。目前，我国的高端气象设备的研制还相对落后，主要依靠进口，价格昂贵，而且不方便维护升级，不利于业务推广应用［3］。因此迫切需要国内自主研制多通道微波辐射计。

国内有多家单位从事微波辐射计的研制工作，如北京大学、中科院大气物理研究所、中科院长春地理研究所、中国兵器科学研究院等［4］。

中国电波传播研究所从1982年开始研发微波辐射计，从单通道到多通道、从K波段到THz波段，目前已形成QFW系列微波辐射计，目前产品已应用于气象、环保、导航、遥感等多个领域。

本文主要介绍了中国电波传播研究所自主研发的QFW－6000型微波辐射计的组成、工作原理，通过不同天气条件下与气象探空数据的比对分析，结果表明该产品具有优良的工作性能。

1 QFW－6000型微波辐射计

1.1 工作原理

大气辐射遥感的物理基础来自近代量子理论:宇宙中的一切物质，只要处在绝对温度零度以上，任何时刻都在向外辐射电磁波。德国物理学家普朗克提出了著名的黑体辐射公式，即绝对温度为T的黑体辐射谱谱密度为:

根据大气对于不同频率微波频段辐射吸收的差异，选择不同微波通道探测大气的亮度温度(亮温)的变化。其中，22.2GHz附近特征表现为一个水汽谐振带，即根据水汽分布的气压高度表现的压力加宽;60GHz附近的特征表现为大气氧气谐振带;而在此波段云液态水的发射光谱无谐振，并近似与频率的二次方成正比。通过测量氧气在60GHz附近的辐射强度或亮度温度得出温度廓线，通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射强度或亮度温度信息，反演得到水汽廓线［5］。

1.2 系统组成

QFW－6000型微波辐射计由大气辐射测量单元、GPS信号双频接收单元、环境要素测量单元、伺服转台单元、中央信号处理单元、电源单元和显控终端组成。组成框图见图1。

图1 微波辐射计组成框图

1.3 大气参数建模技术

大气参数建模方法有线性回归、非线性回归、遗传算法、BP神经网络、RBF神经网络等方法。研究表明，将标准神经网络算法改进为分段神经网络算法，更好的拟合微波辐射计输出亮温与大气参数的复杂非线性关系，能够显著的提高大气参数反演精度以及适应性［6］。

图2 QFW－6000型微波辐射计外观图

2 QFW－6000型微波辐射计输出产品对比分析

为了检验QFW－6000型地基多通道微波辐射计的工作性能，于2014年6月至今在青岛气象局伏龙山标准气象站布设一套设备开展探空观测对比试验。试验期间，经历了数次降雨过程，完整的观测到晴空、多云、雨前、小雨及雨后等各种天气情况，获取了丰富的试验数据。

分析样本采用青岛地区2014年6月至10月共计225组有效探空数据及探空时刻辐射计的输出数据，对辐射计在非降水天气下测量的对流层温度、湿度廓线与探空数据进行误差比较。同时，引用北京市人工影响天气办公室等单位对美国MP－3000辐射计的评估结果［3］，将QFW－6000与MP－3000的输出产品指标进行比较。文献［3］中对 MP－3000的反演产品，仅给出100、700、1500、3000、5000、6000、8000m高度上(近似对应1000、925、850、700、500、400、300hPa)温度及相对湿度结果。针对晴天和雨天等典型天气条件下的探测数据，将QFW－6000型微波辐射计测量结果进行定性比较。

2.1 输出产品误差评判标准

QFW－6000型微波辐射计输出产品主要包含有不同高度上的温度、湿度廓线等。采用广泛认可的每日08:00、20:00时次探空数据作为评价标准(假设为真实值)。针对辐射计输出产品和探空资料，评价项目主要包括均方根误差(RMS)、偏差(BIAS)［7，8］等统计量。

a)均方根误差

对温度、湿度廓线每个高度层内的所有探空时次进行均方根误差统计。该方法可得到各个高度上的误差，便于分析辐射计输出产品误差随高度的变化特征。

式中，i为高度层，j为第j次探空，fsj(i，j)为高度层i上第j次探空的辐射计的输出值，tk(i，j)为高度层i上第j次探空的探空值，n为探空总次数，RMS (i)为高度层上的均方根误差。

b)偏差

式中，i为高度层，j为第j次探空，fsj(i，j)为高度层i上第j次探空的辐射计的输出值，tk(i，j)为高度层i上第j次探空的探空值，n为探空总次数，BIAS (i)为高度层i上的偏差。

用误差衡量测量结果的准确度，用偏差衡量测量结果的精密度.对辐射计而言，以探空数据为真实值时，BIAS(i)和RMS(i)的数值越小，说明产品输出结果的准确度越好［8］。

2.2 对比结果

以探空数据作为评价标准，假设其为真实值，统计QFW－6000型微波辐射计输出的温度、湿度廓线每个高度层内的225组探空时次均方根误差、偏差，对比结果如表1、图3～图6所示。文献［9］中对MP－3000的评估结果如表2、图7～图10所示。

表1 QFW－6000温度、湿度各高度层均方根误差统计结果

图3 QFW－6000温度均方根误差对比图

图4 QFW－6000温度偏差对比图

图5 QFW－6000相对湿度均方根误差对比图

表2 MP－3000温度、湿度各高度层均方根误差统计结果

图6 QFW－6000相对湿度偏差对比图

图7 MP－3000温度均方根误差对比图

图8 MP－3000温度偏差对比图

由比较结果可知，两者的输出趋势一致，技术指标基本相当，表明QFW－6000型微波辐射计的输出结果的指示意义明显。

2.3 典型天气条件下辐射计输出产品情况

分析典型天气条件下，温湿廓线、积分水汽含量及积分液水含量的演变趋势，及其与该天气形势的符合情况，如图11、图12所示。结果表明，辐射计输出产品时空表现一致，具有显著的天气状态指示意义，能很好的反映天气态势的变化趋势和演变规律。

图9 MP－3000相对湿度均方根误差对比图

图10 MP－3000相对湿度偏差对比图

图11 2014年6月8日晴天的情况

图12 2014年7月12日至13日有降水过程的情况

2014年6月8日，观测点上空天气实况为晴天。图11为辐射计在此期间实测的积分水汽含量V、路径液态水含量L、水汽密度二维分布、相对湿度二维分布及温度二维分布产品截图。全天V值维持在25mm以下，在8时左右缓慢上升到极大值后，随大气状态的改变呈现平缓的波动;L值全天均为0mm;中低层温度呈现先上升后下降趋势，中高层随时间分布均匀;水汽密度及相对湿度在中低层呈现先降低再升高的趋势，中高层随时间分布均匀。

2014年7月12日至13日观测点上空发生降水过程，降雨时段始于在12日19时20分，止于13日0时10分左右，降雨前为多云转阴天气，降雨结束后转为多云。图12为辐射计在此期间实测的积分水汽含量V、路径液态水含量L、水汽密度二维分布、相对湿度二维分布及温度二维分布产品截图。

由辐射计实测结果知，7月12日17时前，天气状况为多云转阴，中低层大气湿度较大，温湿度随时间分布较均匀，L值随空中云量的增加呈现出相应峰值，V值变化较平稳，于8时左右呈现缓慢增加的趋势。降雨发生前70分钟左右，L值小于0.6mm且变化较小，V值小于60mm且变化平稳，在降水发生前40分钟左右，L值快速增加，达到峰值1.2mm后又急剧下降，V值达到峰值72mm后急剧下降至65mm，V和L值的跃增时刻早于降水起始时刻，可通过该跃增时刻指示降雨起始时刻。降水结束后，L值和V值下降到平稳状态，水汽密度及相对湿度在整层逐渐降低，变化趋于平稳。

在此次天气过程中，V值与L值同增同减，同时与温湿度廓线的二维分布相对应，辐射计输出产品在时间、空间上表现一致，在业务工作中，可通过分析输出参数的演变趋势及其量值，对降雨前的预警及人影等工作提供有效的指示。

3 结 论

本文对国产QFW－6000型微波辐射计的功能、工作原理、大气参数建模方法进行了详细的论述，将输出温度、湿度廓线数据与探空进行了对比，与文献中进口辐射计MP－3000的输出结果进行对比，同时分析了QFW－6000型微波辐射计在典型天气条件下的测量数据。对比结果表明，QFW－6000型微波辐射计可正确描述大气状况的动态变化，其输出参数可应用于中小尺度天气监测，可为短时临近天气预报、人工增雨作业有效降水时机选择及雾霾立体监测提供必要依据。

2014年夏季在青岛气象局开展的观测试验，QFW－6000型微波辐射计工作时间近一年，并且经历了雨雪、海边潮湿等多种气象条件的考验，系统运行始终稳定正常。在后续工作中，主要针对用户关心的输出产品，提高输出廓线数据的分层密度及精度，优化边界层及艾玛图数据输出。综上表明，该设备能够满足实时监测大气参数的需求，设备工作性能优良。

［1］张祖荫，林士杰.微波辐射测量技术及应用［M］.北京:电子工业出版社，1995.

［2］刘朝顺，吕达仁，杜秉玉.地基遥感大气水汽总量和云液水总量的研究［J］.南京气象学院学报，2006，29 (5):606－612

［3］Ed R.Westwater，Susanne Crewell，Christian Matzler and Domenico Cimini.Principles of Surface－based Microwave and Millimeter wave Radiometer Remote Sensing of the Troposphere［J］.Quaderni Della Societa Italiana Di Elettor－magnetism，2005，1(3):50－90.

［4］卢建平，黄建平，郭学良，于子平，雷连发，张北斗.探测大气温湿廓线的35通道微波辐射计设计原理与特点［J］.气象科技，2014，42(2):193－197.

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［6］李江漫，赵振维，郭立新，林乐科，程显海，舒婷婷.地基微波辐射计分段正交神经网络方法遥感阴天大气［J］.电波科学学报，2014，6:1105－1109

［7］刘红燕.三年地基微波辐射计观测温度廓线的精度分析［J］.气象学报，2011，69(4):719－728.

［8］王小兰，王建凯，李炬.地基多通道微波辐射计反演大气温－湿廓线的试验研究［J］.气象水文海洋仪器，2012，4:1－6.

［9］刘建忠，何晖，张蔷.不同时次地基微波辐射计反演产品评估［J］.气象科技，2012，40(3):332－339.

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

海阿静(1982－)，女，硕士研究生。主要研究方向为数字信号处理。