海阿靜 于永杰 張志國 晁 坤 李江漫 劉 萱

(中國電波傳播研究所青島266107)

總體工程

QFW－6000型地基多通道微波輻射計及典型天氣過程觀測結(jié)果分析

海阿靜 于永杰 張志國 晁 坤 李江漫 劉 萱

(中國電波傳播研究所青島266107)

QFW－6000型微波輻射計是中國電波傳播研究所自主研發(fā)的地基多通道微波輻射計，可實時監(jiān)測大氣柱積分水汽量、大氣柱積分云水含水量，實時輸出0－10km高度的高分辨率大氣溫濕廓線。本文介紹了QFW－6000型微波輻射計的主要功能、工作原理、大氣參數(shù)建模方法，通過與氣象探空數(shù)據(jù)及參考文獻(xiàn)中MP－3000輸出結(jié)果的對比分析，以及典型天氣過程下的觀測結(jié)果的分析，表明該設(shè)備具有優(yōu)良的工作性能。

微波輻射計;溫度廓線;濕度廓線

0 引 言

微波輻射計通過實時測量大氣微波輻射信號，結(jié)合使用物理方法和統(tǒng)計方法建立反演方法，能長期、自動、連續(xù)的提供0～10km高度范圍內(nèi)的溫度和水汽廓線，并計算輸出大氣柱積分水汽量(簡稱:IWV或者V)、大氣柱積分云水含水量(簡稱:LWP或者L)等大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)和大氣電波傳播特性參數(shù)。微波輻射計本身不發(fā)射信號，不僅具有很高的靈敏度和良好的保密性［1］，而且分辨率高、壽命長、可靠性高、可無人值守工作［2］，并能全天候連續(xù)工作。

國外已開發(fā)出基于各種平臺的微波輻射計，在測量精度、穩(wěn)定性和體積等方面已達(dá)到較高的水平。代表產(chǎn)品為美國的MP－3000微波輻射計和德國的RPG－HATPRO輻射計。國外地基多通道微波輻射計產(chǎn)品近年來在我國氣象觀測活動中得到應(yīng)用，越來越多的研究和評估表明該設(shè)備能有效增強中小尺度天氣預(yù)報、監(jiān)測能力和人工影響天氣探測能力。目前，我國的高端氣象設(shè)備的研制還相對落后，主要依靠進(jìn)口，價格昂貴，而且不方便維護(hù)升級，不利于業(yè)務(wù)推廣應(yīng)用［3］。因此迫切需要國內(nèi)自主研制多通道微波輻射計。

國內(nèi)有多家單位從事微波輻射計的研制工作，如北京大學(xué)、中科院大氣物理研究所、中科院長春地理研究所、中國兵器科學(xué)研究院等［4］。

中國電波傳播研究所從1982年開始研發(fā)微波輻射計，從單通道到多通道、從K波段到THz波段，目前已形成QFW系列微波輻射計，目前產(chǎn)品已應(yīng)用于氣象、環(huán)保、導(dǎo)航、遙感等多個領(lǐng)域。

本文主要介紹了中國電波傳播研究所自主研發(fā)的QFW－6000型微波輻射計的組成、工作原理，通過不同天氣條件下與氣象探空數(shù)據(jù)的比對分析，結(jié)果表明該產(chǎn)品具有優(yōu)良的工作性能。

1 QFW－6000型微波輻射計

1.1 工作原理

大氣輻射遙感的物理基礎(chǔ)來自近代量子理論:宇宙中的一切物質(zhì)，只要處在絕對溫度零度以上，任何時刻都在向外輻射電磁波。德國物理學(xué)家普朗克提出了著名的黑體輻射公式，即絕對溫度為T的黑體輻射譜譜密度為:

根據(jù)大氣對于不同頻率微波頻段輻射吸收的差異，選擇不同微波通道探測大氣的亮度溫度(亮溫)的變化。其中，22.2GHz附近特征表現(xiàn)為一個水汽諧振帶，即根據(jù)水汽分布的氣壓高度表現(xiàn)的壓力加寬;60GHz附近的特征表現(xiàn)為大氣氧氣諧振帶;而在此波段云液態(tài)水的發(fā)射光譜無諧振，并近似與頻率的二次方成正比。通過測量氧氣在60GHz附近的輻射強度或亮度溫度得出溫度廓線，通過觀測來自于水汽線壓力增寬的輻射強度或亮度溫度信息，反演得到水汽廓線［5］。

1.2 系統(tǒng)組成

QFW－6000型微波輻射計由大氣輻射測量單元、GPS信號雙頻接收單元、環(huán)境要素測量單元、伺服轉(zhuǎn)臺單元、中央信號處理單元、電源單元和顯控終端組成。組成框圖見圖1。

圖1 微波輻射計組成框圖

1.3 大氣參數(shù)建模技術(shù)

大氣參數(shù)建模方法有線性回歸、非線性回歸、遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法。研究表明，將標(biāo)準(zhǔn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法改進(jìn)為分段神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，更好的擬合微波輻射計輸出亮溫與大氣參數(shù)的復(fù)雜非線性關(guān)系，能夠顯著的提高大氣參數(shù)反演精度以及適應(yīng)性［6］。

圖2 QFW－6000型微波輻射計外觀圖

2 QFW－6000型微波輻射計輸出產(chǎn)品對比分析

為了檢驗QFW－6000型地基多通道微波輻射計的工作性能，于2014年6月至今在青島氣象局伏龍山標(biāo)準(zhǔn)氣象站布設(shè)一套設(shè)備開展探空觀測對比試驗。試驗期間，經(jīng)歷了數(shù)次降雨過程，完整的觀測到晴空、多云、雨前、小雨及雨后等各種天氣情況，獲取了豐富的試驗數(shù)據(jù)。

分析樣本采用青島地區(qū)2014年6月至10月共計225組有效探空數(shù)據(jù)及探空時刻輻射計的輸出數(shù)據(jù)，對輻射計在非降水天氣下測量的對流層溫度、濕度廓線與探空數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差比較。同時，引用北京市人工影響天氣辦公室等單位對美國MP－3000輻射計的評估結(jié)果［3］，將QFW－6000與MP－3000的輸出產(chǎn)品指標(biāo)進(jìn)行比較。文獻(xiàn)［3］中對 MP－3000的反演產(chǎn)品，僅給出100、700、1500、3000、5000、6000、8000m高度上(近似對應(yīng)1000、925、850、700、500、400、300hPa)溫度及相對濕度結(jié)果。針對晴天和雨天等典型天氣條件下的探測數(shù)據(jù)，將QFW－6000型微波輻射計測量結(jié)果進(jìn)行定性比較。

2.1 輸出產(chǎn)品誤差評判標(biāo)準(zhǔn)

QFW－6000型微波輻射計輸出產(chǎn)品主要包含有不同高度上的溫度、濕度廓線等。采用廣泛認(rèn)可的每日08:00、20:00時次探空數(shù)據(jù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)(假設(shè)為真實值)。針對輻射計輸出產(chǎn)品和探空資料，評價項目主要包括均方根誤差(RMS)、偏差(BIAS)［7，8］等統(tǒng)計量。

a)均方根誤差

對溫度、濕度廓線每個高度層內(nèi)的所有探空時次進(jìn)行均方根誤差統(tǒng)計。該方法可得到各個高度上的誤差，便于分析輻射計輸出產(chǎn)品誤差隨高度的變化特征。

式中，i為高度層，j為第j次探空，fsj(i，j)為高度層i上第j次探空的輻射計的輸出值，tk(i，j)為高度層i上第j次探空的探空值，n為探空總次數(shù)，RMS (i)為高度層上的均方根誤差。

b)偏差

式中，i為高度層，j為第j次探空，fsj(i，j)為高度層i上第j次探空的輻射計的輸出值，tk(i，j)為高度層i上第j次探空的探空值，n為探空總次數(shù)，BIAS (i)為高度層i上的偏差。

用誤差衡量測量結(jié)果的準(zhǔn)確度，用偏差衡量測量結(jié)果的精密度.對輻射計而言，以探空數(shù)據(jù)為真實值時，BIAS(i)和RMS(i)的數(shù)值越小，說明產(chǎn)品輸出結(jié)果的準(zhǔn)確度越好［8］。

2.2 對比結(jié)果

以探空數(shù)據(jù)作為評價標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)其為真實值，統(tǒng)計QFW－6000型微波輻射計輸出的溫度、濕度廓線每個高度層內(nèi)的225組探空時次均方根誤差、偏差，對比結(jié)果如表1、圖3～圖6所示。文獻(xiàn)［9］中對MP－3000的評估結(jié)果如表2、圖7～圖10所示。

表1 QFW－6000溫度、濕度各高度層均方根誤差統(tǒng)計結(jié)果

圖3 QFW－6000溫度均方根誤差對比圖

圖4 QFW－6000溫度偏差對比圖

圖5 QFW－6000相對濕度均方根誤差對比圖

表2 MP－3000溫度、濕度各高度層均方根誤差統(tǒng)計結(jié)果

圖6 QFW－6000相對濕度偏差對比圖

圖7 MP－3000溫度均方根誤差對比圖

圖8 MP－3000溫度偏差對比圖

由比較結(jié)果可知，兩者的輸出趨勢一致，技術(shù)指標(biāo)基本相當(dāng)，表明QFW－6000型微波輻射計的輸出結(jié)果的指示意義明顯。

2.3 典型天氣條件下輻射計輸出產(chǎn)品情況

分析典型天氣條件下，溫濕廓線、積分水汽含量及積分液水含量的演變趨勢，及其與該天氣形勢的符合情況，如圖11、圖12所示。結(jié)果表明，輻射計輸出產(chǎn)品時空表現(xiàn)一致，具有顯著的天氣狀態(tài)指示意義，能很好的反映天氣態(tài)勢的變化趨勢和演變規(guī)律。

圖9 MP－3000相對濕度均方根誤差對比圖

圖10 MP－3000相對濕度偏差對比圖

圖11 2014年6月8日晴天的情況

圖12 2014年7月12日至13日有降水過程的情況

2014年6月8日，觀測點上空天氣實況為晴天。圖11為輻射計在此期間實測的積分水汽含量V、路徑液態(tài)水含量L、水汽密度二維分布、相對濕度二維分布及溫度二維分布產(chǎn)品截圖。全天V值維持在25mm以下，在8時左右緩慢上升到極大值后，隨大氣狀態(tài)的改變呈現(xiàn)平緩的波動;L值全天均為0mm;中低層溫度呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，中高層隨時間分布均勻;水汽密度及相對濕度在中低層呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢，中高層隨時間分布均勻。

2014年7月12日至13日觀測點上空發(fā)生降水過程，降雨時段始于在12日19時20分，止于13日0時10分左右，降雨前為多云轉(zhuǎn)陰天氣，降雨結(jié)束后轉(zhuǎn)為多云。圖12為輻射計在此期間實測的積分水汽含量V、路徑液態(tài)水含量L、水汽密度二維分布、相對濕度二維分布及溫度二維分布產(chǎn)品截圖。

由輻射計實測結(jié)果知，7月12日17時前，天氣狀況為多云轉(zhuǎn)陰，中低層大氣濕度較大，溫濕度隨時間分布較均勻，L值隨空中云量的增加呈現(xiàn)出相應(yīng)峰值，V值變化較平穩(wěn)，于8時左右呈現(xiàn)緩慢增加的趨勢。降雨發(fā)生前70分鐘左右，L值小于0.6mm且變化較小，V值小于60mm且變化平穩(wěn)，在降水發(fā)生前40分鐘左右，L值快速增加，達(dá)到峰值1.2mm后又急劇下降，V值達(dá)到峰值72mm后急劇下降至65mm，V和L值的躍增時刻早于降水起始時刻，可通過該躍增時刻指示降雨起始時刻。降水結(jié)束后，L值和V值下降到平穩(wěn)狀態(tài)，水汽密度及相對濕度在整層逐漸降低，變化趨于平穩(wěn)。

在此次天氣過程中，V值與L值同增同減，同時與溫濕度廓線的二維分布相對應(yīng)，輻射計輸出產(chǎn)品在時間、空間上表現(xiàn)一致，在業(yè)務(wù)工作中，可通過分析輸出參數(shù)的演變趨勢及其量值，對降雨前的預(yù)警及人影等工作提供有效的指示。

3 結(jié) 論

本文對國產(chǎn)QFW－6000型微波輻射計的功能、工作原理、大氣參數(shù)建模方法進(jìn)行了詳細(xì)的論述，將輸出溫度、濕度廓線數(shù)據(jù)與探空進(jìn)行了對比，與文獻(xiàn)中進(jìn)口輻射計MP－3000的輸出結(jié)果進(jìn)行對比，同時分析了QFW－6000型微波輻射計在典型天氣條件下的測量數(shù)據(jù)。對比結(jié)果表明，QFW－6000型微波輻射計可正確描述大氣狀況的動態(tài)變化，其輸出參數(shù)可應(yīng)用于中小尺度天氣監(jiān)測，可為短時臨近天氣預(yù)報、人工增雨作業(yè)有效降水時機選擇及霧霾立體監(jiān)測提供必要依據(jù)。

2014年夏季在青島氣象局開展的觀測試驗，QFW－6000型微波輻射計工作時間近一年，并且經(jīng)歷了雨雪、海邊潮濕等多種氣象條件的考驗，系統(tǒng)運行始終穩(wěn)定正常。在后續(xù)工作中，主要針對用戶關(guān)心的輸出產(chǎn)品，提高輸出廓線數(shù)據(jù)的分層密度及精度，優(yōu)化邊界層及艾瑪圖數(shù)據(jù)輸出。綜上表明，該設(shè)備能夠滿足實時監(jiān)測大氣參數(shù)的需求，設(shè)備工作性能優(yōu)良。

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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

海阿靜(1982－)，女，碩士研究生。主要研究方向為數(shù)字信號處理。