微波辐射计的应用及研究进展

2017-06-20王周翔王旗于翠红李旭王德

现代农业科技 2017年9期

王周翔++王旗++于翠红++李旭++王德鑫++王久凤

摘要微波辐射计被广泛地应用于气象及人工影响天气领域。本文介绍了微波辐射计在人工增雨潜力判别、强对流预警与降水预报、数值试验研究、雷达路径积分衰减估算等方面的应用，对比了微波辐射计与探空、GPS/MET的应用情况，并分析了微波辐射计反演精度、误差及质量控制方面的实例。

关键词微波辐射计；应用；对比分析；质量控制

中图分类号 P414 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）09-0223-02

Abstract Microwave radiometer is widely used in meteorology and weather modification. This paper introduced the application of microwave radiometer in the determination of artificial rainfall potential，strong convective warning and precipitation forecasting，numerical experiment research，estimation of radar path integral attenuation.Application situations of microwave radiometer，sounding and GPS/MET were compared，the instances of inversion precision，error and quality control of microwave radiometer were also analyzed.

Key words microwave radiometer；application；comparative analysis；quality control

MWP967KV型地基多通道微波辐射计在吉林省人影业务中正式投入试运行。MWP967KV型地基多通道微波辐射计属于自主研发产品，首次应用于气象、人影领域，目前其数据的准确性、设备的可靠性等有待进一步验证。故总结各型微波辐射计的应用情况、优缺点、数据可靠性及质量控制方法，将有助于提高对MWP967KV型地基多通道微波辐射计的运行能力、探测数据的掌控和实际应用，使其更好地服务于人工影响天气的作业及研究。

1 微波辐射计的应用

微波辐射可以反演大气层温度、湿度以及液态水的垂直剖面情况，可以反演识别低云的云底高度、温度以及雾的厚度等信息，加装红外仪器可以准确地测量云底温度和高度，结合高分辨率探测数据可以得到动力、热力条件随时间变化的情况，配合各种气象雷达可以实现对低云大雾、飞机积冰及强对流等天气的监测预警。

1.1 人工增雨潜力判别

微波辐射计能探测到空中云液态水含量的变化情况，可用于人工增雨作业潜势条件的识别判定。张志红等[1]通过雷达和微波辐射计探测云和降水随时间的演变特征，研究发现地面降水量与空中液态水含量随时间分布有较好的对应关系，液态水在空中的垂直分布等因素对降水产生不同程度影响；通过分析云液水含量的垂直结构特征、雷达降水回波垂直廓线与液态水含量垂直廓线、各高度层上雷达反射率因子和辐射计液水含量随时间的变化，得出了云降水垂直结构演变特征及成因。高时间分辨率的实测资料有利于云中温度层高度、过冷水区等人工增雨作业条件的识别，从而提高人工增雨作业条件识别的准确性。

液态水路径和可降水量是描述天气和气候的重要物理量，也是人工增雨作业条件判别的2个重要指标。利用微波辐射计可以反演云水路径和可降水量。黄建平等[2]发现微波辐射计计算得出的反演值（液态云水路径和可降水量）与实际观测值较为接近；与卫星反演资料相比，其年变化趋势比较吻合。利用改进的神经网络方法得到的反演结果，在没有降水的情况下，比仪器输出值对云更加敏感、精准。

1.2 强对流预警与降水预报

微波辐射计可实现对温度、湿度、液态水含量的连续监测，监测资料具有时间分辨率高、精度高的优点，分析微波辐射计资料可以得到短时临近天气预报指标，对降水、冰雹天气有重要的预警和指示作用。

黄晓莹等[3]发现微波辐射计监测显示的降水情况与实况雨情基本相符，与探空数据相比，微波辐射计的大气温度、湿度廓线等天气要素的垂直分布合理。计算分析K指数、深对流指数CAPE、对流有效位能SDCL等常用的对流参数，并选取个例进行分析，结果显示对流参数变化情况与实际降水的强度有对应关系。郑祚芳等[4]发现微波辐射计对降水的预报具有指示意义，特别是云中液态水含量的急剧增减过程对降水过程的指示意义更大。

敖雪等[5]对各量级降水的大气水汽含量（V）、云液态水含量（L）进行统计分析，认为V>5 cm，L>1 mm以及快速傅立叶变换（FFT）变换后，V、L在第1个转折点处的特征均可作为降水临近指标；去除背景值后，各量级降水前1 h，L和V波动趋势均无明显变化，V值大小和波动范围减小，但L值无变化。唐仁茂等[6]利用微波辐射计和多普勒天气雷达，采用水汽相变原理和不稳定指数监测分析方法对冰雹天气过程进行监测分析，发现MKI、KI、TT和HI这4个不稳定指数对强对流天气有很好的指示意义，可以作为临近预警的参考指标。苏德斌等[7]通过探讨“对流启动因子”的探测资料（微波辐射计资料、风廓线雷达资料），分析对流产生的原因，同时结合自动气象站、多普勒天气雷达和卫星等探测设备资料，对降雪的精细时空结構、天气尺度及中小尺度天气系统进行了分析。

1.3 数值试验研究

王叶红等[8]发现，微波辐射计资料同化资料对降水强度预报有改善作用。单站及两站微波辐射计资料同化均对降水强度预报有所改善，但改善程度不如3部微波辐射计资料同时同化的结果明显。这说明同化的中尺度水汽场信息越多，初始场的质量越高，对降水预报模拟效果越好。

1.4 雷达路径积分衰减估算

张北斗等[9]利用辐射传输模式和微波辐射计反演出液态水廓线，计算有云情况下的大气整层透过率，进而计算路径积分衰减（PIA）信息，用于试验降水雷达反演分析。

2 微波辐射计与其他观测设备的比较

2.1 微波辐射计与探空的差异

陈宏尧[10]提出探空资料可以作为衡量微波辐射计遥感测量精度的标准，可以采用云雾物理变化和大气热辐射特性的判云标准处理探空资料，通过线性回归、不同天气状况下自动选择交叉反演系数、按季度划分的方法可以提高反演精度和资料处理能力，同时提出了理论亮温的计算值。姚作新等[11]分析了温度、相对湿度误差情况及产生的原因，结果显示，微波辐射计提供的垂直廓线图在监测和分析天气系统方面有一定的优势，但探测准确性略差。赵玲等[12]发现微波辐射计与探空数据总体趋势相似，温度、湿度的相关系数分别为0.994和0.697，二者均能反映温度随着高度递减的趋势。雷连发等[13]应用自主研发的多通道地基微波辐射计观测亮温，并对观测数据进行了反演，还对反演结果与探空廓线作线性回归分析，得到温度的相关系数为0.992 86、水汽的相关系数为0.915 3。

2.2 微波辐射计与探空、GPS/MET的差异

刘红燕等[14]对比了微波辐射计与探空、GPS/MET在水汽测量方面的差异。微波辐射计与探空的差值为0.281 cm，GPS/MET与探空的差值为0.728 cm，微波辐射计与GPS/MET的差值为0.322 cm。徐桂荣等[15]对微波辐射计、探空和GPS/MET三者反演的温度廓线、水汽密度、相对湿度、可降水量等气象要素进行了相关系数、平均偏差及均方差的對比。相对于探空，微波辐射计的温度和水汽密度廓线具有很好的正相关关系，相对湿度廓线的正相关系数明显受到降水的影响。无降水时系统偏差较小，有降水时系统偏差较大。这可能与2种探测设备采样方法的差异、反演算法以及受降水影响等有关；与GPS/MET相比，微波辐射计得到的可降水量总体上偏大。有降水时随着雨强的增加，二者的相关系数减小、系统偏差增大。无降水时二者具有很好的正相关关系、系统偏差<2 mm。

2.3 微波辐射计与太阳光度计的差异

戴聪明等[16]对微波辐射计与太阳光度计遥感的整层大气水汽含量进行对比，发现微波辐射计与太阳光度计观测的水汽总量日变化趋势具有较好的一致性，二者观测的日均水汽总量变化趋势相一致，探测大气水汽总量的能力基本相当。

3 反演精度、误差与质量控制

微波辐射计的反演精度和误差是影响其资料应用的关键因素，而影响其反演精度和误差的因素较多，其中降水是重要的影响因素。张文刚等[17]发现降水对探空与微波辐射计的温度、水汽廓线的相关性无明显影响，但对相对湿度廓线的相关性有较大的影响，降水天气相对湿度廓线的相关性较好；发现点对点对比分析方法相对于廓线对比方法所得到的结果更能反映出微波辐射计的探测精度和误差。

微波辐射计用亮温表示获得的微波信号。通过反演亮温数据可以获得温、湿廓线及水汽信息。因为亮温数据经常会受到电磁、电源、通信、云的影响而出现数据偏差，同时还受观测站位置、设备技术、时间、方法等因素的影响，所以应用亮温数据前必须进行质量控制和校正。

胡成达等[18]采用已知的大气层结来计算亮温，通过对微波辐射计内部的2个参考负载作等效黑体辐射亮温的校正，以减少直接应用微波辐射计方程来计算亮温的误差。此方法实现微波辐射计的校正和资料反演辐射传输模式的统一。姚志刚等[19]发现大气参数的垂直分辨率对微波测温通道的亮温计算影响为0.2～0.7 K。单通道缺损时，对所缺通道权重函数峰值附近高度上的大气温度反演有不同程度的影响。单通道漂移0.5 K时，对反演结果影响较小；各通道整体漂移达到1.0 K时，对温度廓线的反演有明显影响。雾层、浓霾和卷云对各通道的亮温几乎没有影响，层云、积云对50.50 GHz通道有明显的影响。

朱雅毓等[20]运用逻辑极值检查、时间一致性检查、通道亮温仿真计算检验、多通道亮温之间的相关性交叉检验等综合质量控制方案，对微波辐射计获得的亮温数据、大气层结资料进行了区分度和敏感性分析。敖雪等[21]将探空资料代入微波辐射传输模式（MWCLD）中得到各通道的亮温，再采用标准差、可决系数等方法与实际观测的水汽、液态和氧气通道的亮温值进行对比，发现亮温值有很好的一致性，且订正后的数据可用于运行状态的检查。

微波辐射计需经常标定，以减小环境温度对其精度的影响。李青等[22]在对亮温进行一致性分析和订正试验时提出亮温观测数据的分段订正方案，并推断辐射计天线性能及其工作环境对该波段观测亮温有极大影响。王振会等[23]探讨了微波辐射计天线性能及工作环境对K波段观测亮温的影响，认为液氮定标时需考虑微波辐射计的天线工作环境对K波段亮温观测数据的影响，提出了针对工作环境温度变化的订正方案并加以验证。

4 结语

微波辐射计能够提供高时间分辨率的温度、水汽、液态水含量等大气参数，其观测资料被广泛应用于数值模式预报、灾害预警、边界层遥感、航空气象、气候变化、人工影响天气等领域，但其观测资料的反演精度和误差大大影响了其应用价值。因此，要在实际应用中不断改进和完善其反演方法和精度，加强产品的质量控制，进一步提高其探测精度以扩大使用范围。

5 参考文献

[1] 张志红，周毓荃.一次降水过程云液态水和降水演变特征的综合观测分析[J].气象，2010，36（3）：83-89.

[2] 黄建平，何敏，阎虹如，等.利用地基微波辐射计反演兰州地区液态云水路径和可降水量的初步研究[J].大气科学，2010，34（3）：548-558.

[3] 黄晓莹，毛伟康，万齐林，等.微波辐射计在强降水天气预报中的应用[J].广东气象，2013，35（3）：50-53.

[4] 郑祚芳，刘红燕，张秀丽.局地强对流天气分析中非常规探测资料应用[J].气象科技，2009，37（3）：243-247.

[5] 敖雪，王振会，徐桂荣，等.地基微波辐射计资料在降水分析中的应用[J].暴雨灾害，2011，30（4）：358-365.

[6] 唐仁茂，李德俊，向玉春，等.地基微波辐射计对咸宁一次冰雹天气过程的监测分析[J].气象学报，2012，70（4）：806-813.

[7] 苏德斌，焦热光，吕达仁.一次带有雷电现象的冬季雪暴中尺度探测分析[J].气象，2012，38（2）：204-209.

[8] 王叶红，赖安伟，赵玉春.地基微波辐射计资料同化对一次特大暴雨过程影响的数值试验研究[J].暴雨灾害，2010，29（3）：201-207.

[9] 张北斗，黄建平，郭杨，等.地基12通道微波辐射计反演大气温湿廓线及估算雷达路径积分衰减[J].兰州大学学报（自然科学版），2015，51（2）：193-201.

[10] 陳宏尧.探空资料在微波辐射计资料处理中的应用[J].应用气象学报，1989，4（2）：186-192.

[11] 姚作新，吕鸣，贺晓东，等.MP-3000A型地基微波辐射计在乌鲁木齐探空站的辅助性探测研究[J].沙漠与绿洲气象，2011，5（1）：38-43.