雷連發(fā) 馬若飛 朱 磊 程桂玉 陳 瑞 秦 江

(1.西安電子工程研究所 西安 710100；2.北方天穹信息技術(shù)(西安)有限公司 西安 710100)

0 引言

地基多通道微波輻射計(jì)采用全被動(dòng)接收方式工作，無需對(duì)外發(fā)射電磁信號(hào)即能實(shí)時(shí)獲得高時(shí)空分辨率的大氣溫濕廓線，積分水汽和液態(tài)水等參數(shù)，在氣象探測(cè)、數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、人工影響天氣、通訊和軍事等領(lǐng)域有著重要的作用[1-2]。傳統(tǒng)大氣探測(cè)是通過探空氣球、火箭和航天飛機(jī)等設(shè)備攜帶傳感器直接探測(cè)，這些手段不僅昂貴而且很難獲取實(shí)時(shí)連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，不利于大氣參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。微波輻射計(jì)作為一種新型的被動(dòng)遙感設(shè)備在大氣探測(cè)領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。微波輻射計(jì)不僅能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)常規(guī)大氣探測(cè)資料的不足，而且還能夠克服傳統(tǒng)探測(cè)方法的諸多局限性，具有獨(dú)立工作的能力，可穿透云霧全天時(shí)全天候的工作，是大氣探測(cè)的重要手段之一。

地基多通道微波輻射計(jì)是用于對(duì)流層大氣狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)遙感探測(cè)的新型精密儀器，系統(tǒng)以完全被動(dòng)的探測(cè)方式獲取大氣輻射亮溫，最后通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演得到連續(xù)實(shí)時(shí)的對(duì)流層大氣溫度、水汽、液態(tài)水廓線以及積分水汽和積分液態(tài)水等大氣狀態(tài)參數(shù)。儀器同時(shí)還配備了紅外觀測(cè)儀，用來探測(cè)云底溫度，這對(duì)監(jiān)測(cè)天氣狀態(tài)和提高水汽反演精度等有著重要作用。

1 大氣溫濕廓線參數(shù)反演

地基微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演主要是利用觀測(cè)的大氣輻射亮溫來反演大氣溫度、水汽、相對(duì)濕度和云液態(tài)水等大氣參數(shù)。反演方法有正向模型反演法，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)法(經(jīng)驗(yàn)法)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。深入分析表明人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法更勝一籌，它具有很多傳統(tǒng)算法不具有的特點(diǎn)[3-4]。首先，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法不必要分析復(fù)雜的物理模型[3][5]，可直接利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。其次，該方法具有較好的自學(xué)習(xí)能力及處理非線性問題的能力，在大氣科學(xué)研究等領(lǐng)域中越來越受到重視。

本文采用3 層(單隱層)誤差反向傳播BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法，該算法使用廣泛且較為成熟。在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中將地面觀測(cè)的氣象參數(shù)(包括地面溫度、氣壓、相對(duì)濕度) 以及輻射計(jì)觀測(cè)的各頻點(diǎn)亮溫作為輸入, 對(duì)應(yīng)于溫度、濕度、云液態(tài)水廓線分別作為網(wǎng)絡(luò)輸出。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)訓(xùn)練選用觀測(cè)地探空氣象站10年的歷史探空資料作為訓(xùn)練樣本進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，最終得到一組最佳的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)用于數(shù)據(jù)反演[6]。探空資料中并沒有直接測(cè)量液態(tài)水和大氣輻射亮溫?cái)?shù)據(jù)，為此需要通過大氣輻射傳輸模型進(jìn)行亮溫模擬計(jì)算，本文選用MonoRTM大氣輻射模型進(jìn)行亮溫的模擬計(jì)算，液態(tài)水廓線需要通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)合濕度廓線得到[3][7]。選用大量歷史探空數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本有利于為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法提供盡可能多的先驗(yàn)信息。

利用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)我們自主研制的MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)在秦嶺大氣科學(xué)試驗(yàn)基地觀測(cè)的亮溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了大氣溫度和水汽廓線的反演并和探空結(jié)果作對(duì)比，計(jì)算了溫度廓線和水汽廓線的絕對(duì)平均偏差(BIAS)和均方差(RMS)，BIAS和RMS的定義如下，

(1)

(2)

式中，n表示觀測(cè)樣本數(shù)，Ti,meas和Ti,true分別表示輻射計(jì)反演的溫濕度廓線和真值(利用探空資料得到)。計(jì)算結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 溫濕廓線的絕對(duì)平均偏差

圖2 溫濕廓線的均方差

由反演結(jié)果可以看出溫度廓線反演平均偏差在9km以下在1℃以內(nèi)，均方差小于2℃，高空誤差略大，這同時(shí)也說明輻射計(jì)在低空具有較好的觀測(cè)能力，對(duì)高空觀測(cè)能力相對(duì)較弱。水汽廓線反演平均偏差和均方差均小于1.0g/m3，且可以看出水汽主要集中在6km以下。近地面偏差略大的原因分析主要是因?yàn)橛^測(cè)地點(diǎn)與探空站不在同一位置，由兩地下墊面不同引起的差異，水汽誤差分布變化大也說明了大氣中水汽垂直分布的復(fù)雜性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法的誤差來源主要有利用MonoRTM大氣輻射模型計(jì)算亮溫與實(shí)際亮溫的偏差，同時(shí)由于探空數(shù)據(jù)中沒有液態(tài)水?dāng)?shù)據(jù)，液態(tài)水是通過經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瞳@取，因此會(huì)帶來一定的誤差。其次，探空氣球在上升過程中會(huì)隨風(fēng)飄動(dòng)，幾乎不能保證探測(cè)的是天頂方向的大氣數(shù)據(jù)，這就為模擬計(jì)算帶來了很大不確定性。最后探空數(shù)據(jù)每天只有早晚共兩次，即使使用10年的探空資料也很難使得樣本完全包含所有大氣現(xiàn)象，這就使得輻射計(jì)處理極端天氣的能力有所不足。

圖3顯示了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演廓線與探空個(gè)例對(duì)比結(jié)果，反演的溫濕廓線非常接近實(shí)際的探空數(shù)據(jù)，不僅很好的描繪了大氣溫濕度隨高度的變化趨勢(shì)，而且細(xì)致的反映了大氣溫濕參數(shù)的細(xì)節(jié)變化，與探空氣球觀測(cè)結(jié)果較為一致。這不僅說明了微波輻射計(jì)的可靠性較好，同時(shí)也反映出了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有很好的反演精度，很適合微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演。

圖3 微波輻射計(jì)觀測(cè)反演廓線與探空對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的性能，我們與德國(guó)進(jìn)口設(shè)備RPG輻射計(jì)觀測(cè)結(jié)果也進(jìn)行了對(duì)比分析，如圖4。從結(jié)果看，與RPG輻射計(jì)的觀測(cè)結(jié)果較為一致，兩者都很好的反應(yīng)了大氣溫濕度參數(shù)的垂直分布，溫度廓線很好的表現(xiàn)了近地面大氣的逆溫現(xiàn)象。水汽密度廓線和相對(duì)濕度廓線兩者都很好地反應(yīng)了大氣中水汽垂直分布。

對(duì)兩類設(shè)備觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)相關(guān)性分析，如圖5所示。從散點(diǎn)圖看，兩者反演的溫濕度廓線相關(guān)性較高，兩者溫度廓線與探空數(shù)據(jù)相關(guān)性分別是0.99284和0.99535，水汽密度相關(guān)性分別是0.95738和0.94283。而兩個(gè)輻射計(jì)之間反演的溫度和水汽密度廓線相關(guān)性分別是0.99744和0.97591。相關(guān)性較高說明兩者數(shù)據(jù)反演結(jié)果較為一致。

從散點(diǎn)圖上可以看出溫度數(shù)據(jù)點(diǎn)分布集中，而水汽密度數(shù)據(jù)點(diǎn)分布相對(duì)離散，這主要是由于水汽垂直分布的復(fù)雜性引起的，同時(shí)由于探空氣球上升過程中隨風(fēng)飄動(dòng)以及探空站與試驗(yàn)地點(diǎn)之間的距離等因素共同帶來的一些不確定性因素都會(huì)對(duì)反演結(jié)果造成一些影響。

圖4 MWP967KV與RPG微波輻射計(jì)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖5 溫度和水汽廓線相關(guān)性分析

2 液態(tài)水的反演

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演液態(tài)水廓線，首先要對(duì)訓(xùn)練樣本進(jìn)行合理正確的處理。由于探空設(shè)備中沒有直接探測(cè)到液態(tài)水，因此就需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ吞砑右簯B(tài)水，進(jìn)而訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)用以反演大氣液態(tài)水的時(shí)空分布變化。通過對(duì)探空時(shí)段陰天輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演的液態(tài)水廓線與根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕傻囊簯B(tài)水廓線作對(duì)比。我們可以從圖6對(duì)比結(jié)果看出，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演結(jié)果與探空廓線較為接近，盡管在液態(tài)水含量上有所差異，但是很好地反應(yīng)了云液水的位置，厚度以及液態(tài)水的分布。

根據(jù)液態(tài)水對(duì)比結(jié)果還能看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法反演的液態(tài)水廓線對(duì)于厚云反演效果較好而且精度高，對(duì)于薄云和液態(tài)水含量低的云反演能力較差。輻射計(jì)對(duì)于雙層云的反演也有很好的表現(xiàn)，廓線很好地描述了雙層云的峰值所在位置以及液態(tài)水含量的分布變化。這將對(duì)于我們研究多層云的分布、云水含量以及云的輻射特性有著重要作用。

圖6 液態(tài)水廓線與探空對(duì)比

3 逆溫的探測(cè)

通常大氣溫度隨高度增加而減小，但是在某些天氣條件下，地面上空的大氣結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)氣溫隨高度增加而升高，這種現(xiàn)象被稱為逆溫。利用常規(guī)探測(cè)方法很難實(shí)現(xiàn)對(duì)逆溫的高時(shí)間分辨率探測(cè)，難以獲取逆溫隨時(shí)間發(fā)展的變化過程。微波輻射計(jì)探測(cè)溫度廓線具有較高的時(shí)空分辨率和觀測(cè)精度，能夠顯示逆溫的發(fā)展變化過程，是探測(cè)逆溫的理想儀器。這對(duì)研究大氣邊界層的溫度變化有重要作用。

如圖7所示，在這次強(qiáng)逆溫過程中微波輻射計(jì)很好的探測(cè)到了地表的輻射逆溫和逆溫層厚度，從結(jié)果可以看出這次逆溫較強(qiáng)，厚度達(dá)到了1km左右且與探空數(shù)據(jù)結(jié)果非常一致。逆溫對(duì)于分析大氣條件有著重要作用，逆溫越強(qiáng)會(huì)使大氣狀態(tài)越穩(wěn)定，難以形成對(duì)流天氣，在這種大氣條件下極易造成污染物的累積且不易擴(kuò)散。

圖7 微波輻射計(jì)觀測(cè)的逆溫與探空對(duì)比

4 結(jié)束語

MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)是我國(guó)自主研制的新型微波輻射計(jì)，打破了國(guó)外對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的壟斷，積累了相關(guān)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。經(jīng)過對(duì)微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，我們可以看出，微波輻射計(jì)觀測(cè)反演數(shù)據(jù)可靠，與國(guó)外同類設(shè)備性能一致。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法非常適合應(yīng)用于微波輻射計(jì)觀測(cè)反演大氣狀態(tài)參數(shù)，對(duì)溫濕廓線的反演具有很高的精度，避免了求解復(fù)雜的大氣微波輻射物理模型，同時(shí)微波輻射計(jì)對(duì)于逆溫和云液態(tài)水的含量、分布以及雙層云等反演也有很好的效果。這將對(duì)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、人工影響天氣、防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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