微波辐射计在现代大气探测中的应用

2016-12-27黄丽芬马海波

低碳世界 2016年34期

关键词：辐射计湍流福建

黄丽芬，马海波

（1.福建省气象台，福建福州350001；2.永安市气象局，福建三明366000）

微波辐射计在现代大气探测中的应用

黄丽芬1，马海波2

（1.福建省气象台，福建福州350001；2.永安市气象局，福建三明366000）

本文在第一部分简单概述了微波辐射、微波辐射计的概念、特点和种类等，然后结合大气探测对象、规范特点和原理，对微波辐射计在现代大气探测中的应用进行了详细分析。

微波辐射计；特点；种类；应用

本文根据福建变化莫测、台方发生率大、海风频繁等气候特点及实际情况，对微波辐射计在现代大气探测中的应用进行分析。因福建地处东南沿海地区，导致福建除了要面对西北方向的内陆风及相关气候以外，还要面对来自东南沿海海风及气候的影响，使福建省的气候变化万千，如强台风“凤凰”和“海贝思”，不但危机到福建本地区人民的人身安全，还危机到台湾等周边地区的安全，但其危害系数都在大气探测部门高效探测服务的帮助下得到了有效，有效证实了微波辐射计高效应用于现代大气探测中的重要性与必要性。

1 微波辐射与微波辐射计的简单概述

1.1 微波辐射

微波辐射通常是指波长为0.1～30cm的辐射，实质上是一种“长波热辐射”，广泛存在于自然界，被自然界所有事物所吸收。微波辐射具有感应性强、保密性等特点，与相应的雷达进行感应主要是靠微波遥感及接收感应，将感应出来的辐射信号被其他设备接收，实现微波辐射计的检测，进而实现对大气的探测。被探测到的微波频段，其电磁能信号一般很微弱，远远小于辐射计的噪声功率。

1.2 微波辐射计

微波辐射计实质上是指宽频带、高增益和高灵敏度的被动微波遥感仪器，主要由天线、数据记录存储装置和宽带接收机组成，通过对数据信号的处理，将背景噪声中微弱信号进行量化，实现信号的提取，具有很强的穿透力，能够穿透云雾和雨雪，并且能够进行全天候的信号处理和获取，足以证实微波辐射计显著优于红外遥感器。微波辐射计的微波频率可以划分为 L、S、C、X、Ku、K和 Ka，对应的频率分别为 1.4GHz、2.65GHz、6.6GHz、10.65GHz、13.9GHz、18.7GHz、37GHz。根据这些频率划分可以将微波辐射计划分为全功率微波辐射计、Dicke型微波辐射计和数字增益自动补偿微波辐射计，微波辐射计接收通道原理见图1。

图1 微波辐射计接收通道原理图

1.3 微波辐射计提供的主要大气信息

随着高科技技术在微波辐射计中应用，使微波辐射计在原来的基础上，又得到了大气信息量上的提高，现时代的微波辐射计不但可以提供高精度的大气综合参数（如亮温、液态水形成因素、可降水的水汽量和大气层的温度等）；还能够提高大气参数的分辨率，实现对大气元素的垂直廓线分析（如温度垂直、水汽强度、液态水强度廓线等）；更能够实现理想测量值探测（如主动雷达观测信息、激光雷达观测信息等），有效实现了不同雷达观测资料的融合性。

2 现代大气探测的简单概述

2.1 大气探测的对象、范围和特点

①大气探测的对象：大气状况、气象要素和天气现象及变化过程；②大气探测的范围：离地面较近的地层大气、高空大气和特殊区域大气，如大气的边界层，城市的热岛环流，峡谷的风场，海陆的风场等；③大气探测的特点：包括大气探测要素多样化、大气探测要素大量化、空间范围扩展化、大气探测要素多样化和探测内容丰富化等特点。

2.2 大气探测方法

表1 大气探测方法解析

3 微波辐射计在现代大气探测中的应用

3.1 微波辐射计应用于气象学

主要应用在气象学中气象探测、地质探测、海洋探测、农林探测、军事探测、医疗探测和天文等方面，能够适应微波辐射计运行的平台主要包括地基探测平台、空基探测平台和星基探测平台，相关的应用领域包括大气微波、陆地微波和海洋微波遥感。

3.2 微波辐射计应用于灾害性天气监测预报

3.2.1 台风、风暴中心及其运动规律的监测

主要利用微波辐射计与大气水汽的相互吸收性，实现微波辐射计对大气水汽的吸收，进而反应出大气水汽的特性和衰减规律，从而实现对台风和风暴中心位置的判断及确定。

福建强台风“海贝思”的中心与运行规律监测，利用微波辐射计对台风区进行探测，很快判断出台风的运行呈逆时针并且朝厦门方向运动，对此福建气象台就实际情况及需要，联合厦门等地一起制定减少台风破坏程度的办法，使福建及厦门等地平安度过“海贝思”台风期。

3.2.2 大气含水量的监测

水作为大气的重要元素之一，是直接形成各种气候的关键元素，这意味着实现对大气含水量的监测，就等于实现对大气气象、气候及天气的监测与预报。而微波辐射计的设计原理及运用原理就是利用雷达，对大气进行含水量的感应，进而实现对大气含水量的监测，微波辐射计监测大气含水量时，通常都是通过对水汽总量与辐射亮度温度的线性关系进行分析实现的，因为亮温度越高，含水量就越高，越容易出现风雨天气，甚至是台风和暴风等。

3.2.3 辅助人工干预天气和大气温度测量

人工降雨、降雪等都是已经成为很多发达城市的常用气候控制形式，尤其是福建、厦门和上海等地气候变化多端的城市，这些城市有的一年四季的不会下雪，而有的则降雨量少之又少，如新疆等地，这时就会用上人工降雨和降雪技术，而这些技术都是在微波辐射计进行高精度大气探测的基础上实现和应用的。人工降雪、降雨的原理，主要是通过微波辐射计探测出大气中的水汽和液水含量，然后利用降水相关物理原理和化学性质，实现人工降雨、降雪等。

3.2.4 应用于海上降雨测量

海上降雨远比内陆复杂，因为不但受到内陆风、大气流等影响，还要受到海洋气候、气流及海洋运动的影响，所以为保证和提高海洋降雨探测精准度，必须使用微波辐射计进行大气探测。

3.2.5 应用于大气污染测量

人类的发展必定带来大气的污染问题，为解决大气污染问题（如臭氧、一氧化碳和二氧化氮等有毒气体。），创造健康美好的生活环境，必须使用微波辐射计必气体的传播进行测量，然后根据相应波长，结合气体吸收特点，判断和确定相应的有害气体，波长是判断有害气体的关键。

例如个，2.53cm的波长可以监测出一氧化碳，2.4cm的波长可以监测出二氧化氮等。

3.2.6 应用于大气湍流测量

大气湍流通常都是发生在8000～16000m的晴空，形成晴空湍流，使空气流发生不规律运动，导致空气流混乱，进而造成飞行事故发生率的提高。气流急剧运动的大气层附近温度比其他地方要高出1～5℃，而飞机在温度升高5℃时，就要面临因重力加速导致的湍流冲击，使飞机飞行中的危险系数增加，甚至造成飞机事故，而将微波辐射计应用到大气湍流测量，能够监测并确定湍流方位、湍流距离和湍流强度等，进而实现飞机与湍流的避开，以确保飞机的安全飞行。

3.2.7 应用于季节性积雪测量

主要应用到微波辐射计中的积雪物理参数，包括雪的深度、雪水量、雪的密度、雪的温度和雪颗粒的大小等，通过对这些参数的变化进行分析，然后根据分析结果，结合微波辐射计观测的辐射亮温值，利用微波辐射的传输特性，建立能微波辐射计中积雪物理参数与积雪辐射亮温值的关系模型，进而实现对季节性积雪的测量。