微波輻射計的應(yīng)用及研究進(jìn)展

王周翔++王旗++于翠紅++李旭++王德鑫++王久鳳

摘要 微波輻射計被廣泛地應(yīng)用于氣象及人工影響天氣領(lǐng)域。本文介紹了微波輻射計在人工增雨潛力判別、強對流預(yù)警與降水預(yù)報、數(shù)值試驗研究、雷達(dá)路徑積分衰減估算等方面的應(yīng)用，對比了微波輻射計與探空、GPS/MET的應(yīng)用情況，并分析了微波輻射計反演精度、誤差及質(zhì)量控制方面的實例。

關(guān)鍵詞 微波輻射計；應(yīng)用；對比分析；質(zhì)量控制

中圖分類號 P414 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 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型地基多通道微波輻射計在吉林省人影業(yè)務(wù)中正式投入試運行。MWP967KV型地基多通道微波輻射計屬于自主研發(fā)產(chǎn)品，首次應(yīng)用于氣象、人影領(lǐng)域，目前其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、設(shè)備的可靠性等有待進(jìn)一步驗證。故總結(jié)各型微波輻射計的應(yīng)用情況、優(yōu)缺點、數(shù)據(jù)可靠性及質(zhì)量控制方法，將有助于提高對MWP967KV型地基多通道微波輻射計的運行能力、探測數(shù)據(jù)的掌控和實際應(yīng)用，使其更好地服務(wù)于人工影響天氣的作業(yè)及研究。

1 微波輻射計的應(yīng)用

微波輻射可以反演大氣層溫度、濕度以及液態(tài)水的垂直剖面情況，可以反演識別低云的云底高度、溫度以及霧的厚度等信息，加裝紅外儀器可以準(zhǔn)確地測量云底溫度和高度，結(jié)合高分辨率探測數(shù)據(jù)可以得到動力、熱力條件隨時間變化的情況，配合各種氣象雷達(dá)可以實現(xiàn)對低云大霧、飛機積冰及強對流等天氣的監(jiān)測預(yù)警。

1.1 人工增雨潛力判別

微波輻射計能探測到空中云液態(tài)水含量的變化情況，可用于人工增雨作業(yè)潛勢條件的識別判定。張志紅等[1]通過雷達(dá)和微波輻射計探測云和降水隨時間的演變特征，研究發(fā)現(xiàn)地面降水量與空中液態(tài)水含量隨時間分布有較好的對應(yīng)關(guān)系，液態(tài)水在空中的垂直分布等因素對降水產(chǎn)生不同程度影響；通過分析云液水含量的垂直結(jié)構(gòu)特征、雷達(dá)降水回波垂直廓線與液態(tài)水含量垂直廓線、各高度層上雷達(dá)反射率因子和輻射計液水含量隨時間的變化，得出了云降水垂直結(jié)構(gòu)演變特征及成因。高時間分辨率的實測資料有利于云中溫度層高度、過冷水區(qū)等人工增雨作業(yè)條件的識別，從而提高人工增雨作業(yè)條件識別的準(zhǔn)確性。

液態(tài)水路徑和可降水量是描述天氣和氣候的重要物理量，也是人工增雨作業(yè)條件判別的2個重要指標(biāo)。利用微波輻射計可以反演云水路徑和可降水量。黃建平等[2]發(fā)現(xiàn)微波輻射計計算得出的反演值（液態(tài)云水路徑和可降水量）與實際觀測值較為接近；與衛(wèi)星反演資料相比，其年變化趨勢比較吻合。利用改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到的反演結(jié)果，在沒有降水的情況下，比儀器輸出值對云更加敏感、精準(zhǔn)。

1.2 強對流預(yù)警與降水預(yù)報

微波輻射計可實現(xiàn)對溫度、濕度、液態(tài)水含量的連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測資料具有時間分辨率高、精度高的優(yōu)點，分析微波輻射計資料可以得到短時臨近天氣預(yù)報指標(biāo)，對降水、冰雹天氣有重要的預(yù)警和指示作用。

黃曉瑩等[3]發(fā)現(xiàn)微波輻射計監(jiān)測顯示的降水情況與實況雨情基本相符，與探空數(shù)據(jù)相比，微波輻射計的大氣溫度、濕度廓線等天氣要素的垂直分布合理。計算分析K指數(shù)、深對流指數(shù)CAPE、對流有效位能SDCL等常用的對流參數(shù)，并選取個例進(jìn)行分析，結(jié)果顯示對流參數(shù)變化情況與實際降水的強度有對應(yīng)關(guān)系。鄭祚芳等[4]發(fā)現(xiàn)微波輻射計對降水的預(yù)報具有指示意義，特別是云中液態(tài)水含量的急劇增減過程對降水過程的指示意義更大。

敖 雪等[5]對各量級降水的大氣水汽含量（V）、云液態(tài)水含量（L）進(jìn)行統(tǒng)計分析，認(rèn)為V>5 cm，L>1 mm以及快速傅立葉變換（FFT）變換后，V、L在第1個轉(zhuǎn)折點處的特征均可作為降水臨近指標(biāo)；去除背景值后，各量級降水前1 h，L和V波動趨勢均無明顯變化，V值大小和波動范圍減小，但L值無變化。唐仁茂等[6]利用微波輻射計和多普勒天氣雷達(dá)，采用水汽相變原理和不穩(wěn)定指數(shù)監(jiān)測分析方法對冰雹天氣過程進(jìn)行監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)MKI、KI、TT和HI這4個不穩(wěn)定指數(shù)對強對流天氣有很好的指示意義，可以作為臨近預(yù)警的參考指標(biāo)。蘇德斌等[7]通過探討“對流啟動因子”的探測資料（微波輻射計資料、風(fēng)廓線雷達(dá)資料），分析對流產(chǎn)生的原因，同時結(jié)合自動氣象站、多普勒天氣雷達(dá)和衛(wèi)星等探測設(shè)備資料，對降雪的精細(xì)時空結(jié)構(gòu)、天氣尺度及中小尺度天氣系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

1.3 數(shù)值試驗研究

王葉紅等[8]發(fā)現(xiàn)，微波輻射計資料同化資料對降水強度預(yù)報有改善作用。單站及兩站微波輻射計資料同化均對降水強度預(yù)報有所改善，但改善程度不如3部微波輻射計資料同時同化的結(jié)果明顯。這說明同化的中尺度水汽場信息越多，初始場的質(zhì)量越高，對降水預(yù)報模擬效果越好。

1.4 雷達(dá)路徑積分衰減估算

張北斗等[9]利用輻射傳輸模式和微波輻射計反演出液態(tài)水廓線，計算有云情況下的大氣整層透過率，進(jìn)而計算路徑積分衰減（PIA）信息，用于試驗降水雷達(dá)反演分析。

2 微波輻射計與其他觀測設(shè)備的比較

2.1 微波輻射計與探空的差異

陳宏堯[10]提出探空資料可以作為衡量微波輻射計遙感測量精度的標(biāo)準(zhǔn)，可以采用云霧物理變化和大氣熱輻射特性的判云標(biāo)準(zhǔn)處理探空資料，通過線性回歸、不同天氣狀況下自動選擇交叉反演系數(shù)、按季度劃分的方法可以提高反演精度和資料處理能力，同時提出了理論亮溫的計算值。姚作新等[11]分析了溫度、相對濕度誤差情況及產(chǎn)生的原因，結(jié)果顯示，微波輻射計提供的垂直廓線圖在監(jiān)測和分析天氣系統(tǒng)方面有一定的優(yōu)勢，但探測準(zhǔn)確性略差。趙 玲等[12]發(fā)現(xiàn)微波輻射計與探空數(shù)據(jù)總體趨勢相似，溫度、濕度的相關(guān)系數(shù)分別為0.994和0.697，二者均能反映溫度隨著高度遞減的趨勢。雷連發(fā)等[13]應(yīng)用自主研發(fā)的多通道地基微波輻射計觀測亮溫，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了反演，還對反演結(jié)果與探空廓線作線性回歸分析，得到溫度的相關(guān)系數(shù)為0.992 86、水汽的相關(guān)系數(shù)為0.915 3。

2.2 微波輻射計與探空、GPS/MET的差異

劉紅燕等[14]對比了微波輻射計與探空、GPS/MET在水汽測量方面的差異。微波輻射計與探空的差值為0.281 cm，GPS/MET與探空的差值為0.728 cm，微波輻射計與GPS/MET的差值為0.322 cm。徐桂榮等[15]對微波輻射計、探空和GPS/MET三者反演的溫度廓線、水汽密度、相對濕度、可降水量等氣象要素進(jìn)行了相關(guān)系數(shù)、平均偏差及均方差的對比。相對于探空，微波輻射計的溫度和水汽密度廓線具有很好的正相關(guān)關(guān)系，相對濕度廓線的正相關(guān)系數(shù)明顯受到降水的影響。無降水時系統(tǒng)偏差較小，有降水時系統(tǒng)偏差較大。這可能與2種探測設(shè)備采樣方法的差異、反演算法以及受降水影響等有關(guān)；與GPS/MET相比，微波輻射計得到的可降水量總體上偏大。有降水時隨著雨強的增加，二者的相關(guān)系數(shù)減小、系統(tǒng)偏差增大。無降水時二者具有很好的正相關(guān)關(guān)系、系統(tǒng)偏差<2 mm。

2.3 微波輻射計與太陽光度計的差異

戴聰明等[16]對微波輻射計與太陽光度計遙感的整層大氣水汽含量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)微波輻射計與太陽光度計觀測的水汽總量日變化趨勢具有較好的一致性，二者觀測的日均水汽總量變化趨勢相一致，探測大氣水汽總量的能力基本相當(dāng)。

3 反演精度、誤差與質(zhì)量控制

微波輻射計的反演精度和誤差是影響其資料應(yīng)用的關(guān)鍵因素，而影響其反演精度和誤差的因素較多，其中降水是重要的影響因素。張文剛等[17]發(fā)現(xiàn)降水對探空與微波輻射計的溫度、水汽廓線的相關(guān)性無明顯影響，但對相對濕度廓線的相關(guān)性有較大的影響，降水天氣相對濕度廓線的相關(guān)性較好；發(fā)現(xiàn)點對點對比分析方法相對于廓線對比方法所得到的結(jié)果更能反映出微波輻射計的探測精度和誤差。

微波輻射計用亮溫表示獲得的微波信號。通過反演亮溫數(shù)據(jù)可以獲得溫、濕廓線及水汽信息。因為亮溫數(shù)據(jù)經(jīng)常會受到電磁、電源、通信、云的影響而出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，同時還受觀測站位置、設(shè)備技術(shù)、時間、方法等因素的影響，所以應(yīng)用亮溫數(shù)據(jù)前必須進(jìn)行質(zhì)量控制和校正。

胡成達(dá)等[18]采用已知的大氣層結(jié)來計算亮溫，通過對微波輻射計內(nèi)部的2個參考負(fù)載作等效黑體輻射亮溫的校正，以減少直接應(yīng)用微波輻射計方程來計算亮溫的誤差。此方法實現(xiàn)微波輻射計的校正和資料反演輻射傳輸模式的統(tǒng)一。姚志剛等[19]發(fā)現(xiàn)大氣參數(shù)的垂直分辨率對微波測溫通道的亮溫計算影響為0.2～0.7 K。單通道缺損時，對所缺通道權(quán)重函數(shù)峰值附近高度上的大氣溫度反演有不同程度的影響。單通道漂移0.5 K時，對反演結(jié)果影響較?。桓魍ǖ勒w漂移達(dá)到1.0 K時，對溫度廓線的反演有明顯影響。霧層、濃霾和卷云對各通道的亮溫幾乎沒有影響，層云、積云對50.50 GHz通道有明顯的影響。

朱雅毓等[20]運用邏輯極值檢查、時間一致性檢查、通道亮溫仿真計算檢驗、多通道亮溫之間的相關(guān)性交叉檢驗等綜合質(zhì)量控制方案，對微波輻射計獲得的亮溫數(shù)據(jù)、大氣層結(jié)資料進(jìn)行了區(qū)分度和敏感性分析。敖 雪等[21]將探空資料代入微波輻射傳輸模式（MWCLD）中得到各通道的亮溫，再采用標(biāo)準(zhǔn)差、可決系數(shù)等方法與實際觀測的水汽、液態(tài)和氧氣通道的亮溫值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)亮溫值有很好的一致性，且訂正后的數(shù)據(jù)可用于運行狀態(tài)的檢查。

微波輻射計需經(jīng)常標(biāo)定，以減小環(huán)境溫度對其精度的影響。李 青等[22]在對亮溫進(jìn)行一致性分析和訂正試驗時提出亮溫觀測數(shù)據(jù)的分段訂正方案，并推斷輻射計天線性能及其工作環(huán)境對該波段觀測亮溫有極大影響。王振會等[23]探討了微波輻射計天線性能及工作環(huán)境對K波段觀測亮溫的影響，認(rèn)為液氮定標(biāo)時需考慮微波輻射計的天線工作環(huán)境對K波段亮溫觀測數(shù)據(jù)的影響，提出了針對工作環(huán)境溫度變化的訂正方案并加以驗證。

4 結(jié)語

微波輻射計能夠提供高時間分辨率的溫度、水汽、液態(tài)水含量等大氣參數(shù)，其觀測資料被廣泛應(yīng)用于數(shù)值模式預(yù)報、災(zāi)害預(yù)警、邊界層遙感、航空氣象、氣候變化、人工影響天氣等領(lǐng)域，但其觀測資料的反演精度和誤差大大影響了其應(yīng)用價值。因此，要在實際應(yīng)用中不斷改進(jìn)和完善其反演方法和精度，加強產(chǎn)品的質(zhì)量控制，進(jìn)一步提高其探測精度以擴大使用范圍。

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