地基微波輻射計(jì)工作環(huán)境對(duì)K波段亮溫觀(guān)測(cè)影響

王振會(huì)李 青楚艷麗朱雅毓

1）（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心中國(guó)氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

2）（南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044）

3）（中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京100089）

地基微波輻射計(jì)工作環(huán)境對(duì)K波段亮溫觀(guān)測(cè)影響

王振會(huì)1）2）＊李 青1）2）楚艷麗3）朱雅毓2）

1）（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心中國(guó)氣象局氣溶膠－云－降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，南京210044）

2）（南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044）

3）（中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所，北京100089）

該文研究地基微波輻射計(jì)天線(xiàn)性能及其工作環(huán)境對(duì)K波段20～30GHz亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，根據(jù)輻射傳輸理論和天線(xiàn)性能參數(shù)分析建立模型，通過(guò)模擬計(jì)算給出輻射計(jì)20～30GHz波段亮溫觀(guān)測(cè)對(duì)天線(xiàn)性能及其工作環(huán)境的響應(yīng)，提出針對(duì)工作環(huán)境溫度變化影響的訂正方案，并結(jié)合觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行分析驗(yàn)證。結(jié)果表明：如果輻射計(jì)天線(xiàn)增益和3dB波束寬度決定的等效主波束效率ηe較低，則即使在能夠經(jīng)常進(jìn)行輻射計(jì)系統(tǒng)液氮定標(biāo)的情況下也必須考慮天線(xiàn)工作環(huán)境（環(huán)境溫度與輻射計(jì)定標(biāo)時(shí)的情景差異）對(duì)K波段亮溫觀(guān)測(cè)的影響。對(duì)某一輻射計(jì)液氮定標(biāo)后1年多觀(guān)測(cè)資料的訂正驗(yàn)證表明：訂正效果明顯，尤其是在28.0GHz和30.0GHz兩通道。

地基微波輻射計(jì)；K波段亮溫觀(guān)測(cè)訂正；天線(xiàn)性能；工作環(huán)境

引 言

地基微波輻射計(jì)是應(yīng)用遙感技術(shù)進(jìn)行大氣狀態(tài)觀(guān)測(cè)的儀器［1－3］，可以連續(xù)工作，典型設(shè)置的時(shí)間分辨率為1s，極大地彌補(bǔ)了常規(guī)探空資料觀(guān)測(cè)時(shí)間分辨率低的缺點(diǎn)，尤其是能滿(mǎn)足對(duì)邊界層大氣溫濕垂直分布廓線(xiàn)以及云、降水進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)的需要，因而備受關(guān)注［4－10］。最近 Wang等［11］研究了地基微波輻射計(jì)對(duì)閃電引起的高溫氣柱的響應(yīng)，提出利用微波輻射計(jì)觀(guān)測(cè)閃電特性的可能性。

由輻射計(jì)的一級(jí)數(shù)據(jù)可以得到亮度溫度（簡(jiǎn)稱(chēng)亮溫），代表輻射計(jì)在指定的頻率處接收到的電磁波強(qiáng)度，屬于非常規(guī)觀(guān)測(cè)資料，需要經(jīng)過(guò)對(duì)亮溫的反演計(jì)算才能獲得大氣溫濕垂直分布廓線(xiàn)以及云與降水信息等二級(jí)數(shù)據(jù)［12－15］，所以，對(duì)微波輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù)要進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，為后續(xù)的直接同化和大氣溫濕廓線(xiàn)反演等能夠使用更為可靠的亮溫?cái)?shù)據(jù)提供保障，使其更好地在氣象分析、災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)和預(yù)警等工作中發(fā)揮作用。

微波輻射計(jì)亮溫?cái)?shù)據(jù)質(zhì)量控制方法，可以參考使用氣象儀器常規(guī)觀(guān)測(cè)常用的統(tǒng)計(jì)特征閾值法［16］①朱雅毓，王振會(huì)，楚艷麗，等.地基微波輻射計(jì)亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合質(zhì)量控制與效果分析.氣象科學(xué)，待發(fā)表.?；诹翜睾洼椛鋫鬏敺匠棠M亮溫一致性分析的質(zhì)量控制方法，已在星載微波輻射計(jì)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中成功使用，如Lu等［17］將FY－3星載微波溫度計(jì)觀(guān)測(cè)亮溫與基于歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心模式的模擬亮溫對(duì)比，發(fā)現(xiàn)儀器個(gè)別通道的頻率漂移問(wèn)題并提出訂正方案；Goldberg等［18］通過(guò)比較美國(guó)NOAA星載AMSU－A的觀(guān)測(cè)亮溫和模擬亮溫，發(fā)現(xiàn)二者差異存在非對(duì)稱(chēng)性，而后 Weng等［19］認(rèn)為非對(duì)稱(chēng)性的原因可能是星載天線(xiàn)指向偏移或者其偏振方向位移。Weng等［20］對(duì)星載微波輻射計(jì)ATMS的結(jié)構(gòu)和天線(xiàn)性能對(duì)亮溫測(cè)量的影響進(jìn)行了系統(tǒng)推導(dǎo)和計(jì)算，結(jié)果給出了天線(xiàn)旁瓣對(duì)ATMS亮溫測(cè)量數(shù)據(jù)影響和訂正模型。因此，王振會(huì)等［21］、敖雪等［22］提出利用晴天每日08：00（北京時(shí)，下同）的觀(guān)測(cè)資料和大氣輻射傳輸理論計(jì)算，判斷微波輻射計(jì)觀(guān)測(cè)期間的工作狀態(tài)，并分析輻射計(jì)可能存在的性能漂移。李青等②李青，胡方超，楚艷麗，等.北京一地基微波輻射計(jì)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)一致性分析和訂正實(shí)驗(yàn).遙感技術(shù)與應(yīng)用，待發(fā)表.對(duì)觀(guān)測(cè)亮溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)一致性分析和訂正實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在所取的兩年亮溫?cái)?shù)據(jù)序列中有兩個(gè)不連續(xù)點(diǎn)，經(jīng)證實(shí)分別與輻射計(jì)定標(biāo)和搬家對(duì)應(yīng)，因此提出亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的分段訂正方案。該方案在50～60GHz波段既提高了遙感觀(guān)測(cè)信息的全樣本一致性，又提高了觀(guān)測(cè)亮溫與正演計(jì)算的一致性，而在20～30GHz波段，雖有改善，但不明顯，尤其是通道7（28GHz）和通道8（30GHz）訂正幾乎無(wú)意義。該文推斷的主要原因是輻射計(jì)天線(xiàn)性能及其工作環(huán)境對(duì)該波段觀(guān)測(cè)亮溫有影響，但一時(shí)難以估計(jì)。陳向東等［23］曾對(duì)天線(xiàn)增益為27.08dB、主波束寬度為10°的8mm波段地基輻射計(jì)進(jìn)行研究，認(rèn)為旁瓣影響很微弱，該天線(xiàn)主波束效率達(dá)0.96。目前常見(jiàn)的輻射計(jì)性能標(biāo)稱(chēng)值中天線(xiàn)增益更高、3dB波束寬度更窄，但對(duì)旁瓣的影響研究較少。

本文在李青等②研究工作的基礎(chǔ)上，探討地基微波輻射計(jì)天線(xiàn)性能及其工作環(huán)境對(duì)K波段20～30GHz波段觀(guān)測(cè)亮溫的影響，根據(jù)輻射傳輸理論和天線(xiàn)性能參數(shù)分析建立亮溫訂正模型，通過(guò)模擬計(jì)算給出輻射計(jì)20～30GHz波段觀(guān)測(cè)亮溫對(duì)天線(xiàn)性能及其工作環(huán)境的響應(yīng)，提出針對(duì)工作環(huán)境溫度變化影響的訂正方案，并結(jié)合實(shí)際觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行驗(yàn)證。

1 理論分析

根據(jù)文獻(xiàn)［12－13］，指向天頂?shù)妮椛溆?jì)觀(guān)測(cè)得到的下行亮溫可以用地基遙感大氣輻射傳輸方程表示為

按式（1）模擬計(jì)算出的亮溫僅是輻射計(jì)天線(xiàn)處的大氣下行亮溫。指向天頂?shù)妮椛溆?jì)天線(xiàn)實(shí)際接收到的功率用天線(xiàn)溫度TA表示［13，24］，由天線(xiàn)的功率方向性函數(shù)F（θ，φ）和來(lái)自各方向的亮溫TB（θ，φ）決定。來(lái)自天頂方向的亮溫，即θ＝0°處的TB（θ，φ），即式（1）給出的大氣下行亮溫TB（0）。

為了估算天線(xiàn)工作環(huán)境對(duì)亮溫觀(guān)測(cè)的影響，定義旁瓣參數(shù)

以便將F（θ，φ）等效表示為

如圖1所示。式（2）和式（3）中，Ωm為天線(xiàn)主瓣3dB波束立體角，由平面角α確定；Ωm外為旁瓣立體角，記為Ωs＝4π－Ωm。

圖1 輻射計(jì)天線(xiàn)方向性函數(shù)等效示意圖Fig.1 Schematic of radiometer antenna directivity function

旁瓣參數(shù)γ和旁瓣電平均表征天線(xiàn)旁瓣特征，但旁瓣電平為區(qū)間值［25－26］，而γ只是1個(gè)值。

假設(shè)TB（θ，φ）在上半球各向同性為T(mén)B（0）（簡(jiǎn)記為T(mén)B，屬于大氣輻射）、下半球各向同性為T(mén)S（屬于工作環(huán)境輻射），并考慮到天線(xiàn)反射體是放在上半球開(kāi)窗式屏蔽罩內(nèi)，則可推導(dǎo)得到天線(xiàn)溫度為

代表屏蔽罩上窗口的有效大小，0≤β≤1，且在不同波長(zhǎng)有差異，其中，Ωw為天線(xiàn)罩開(kāi)窗立體角，Ωm為3dB主波束立體角。

由式（4）并參照天線(xiàn)增益和主波束效率的定義［23，27－29］，可得天線(xiàn)增益

以及等效主波束效率

并得G，ηe之間的關(guān)系為

式（8）表明，ηe與G成正比，但隨α減小而減小。這里，ηe為等效主波束效率，由3dB點(diǎn)定義，不同于文獻(xiàn)中的0－0點(diǎn)主波束效率。

由式（4）分析TB和TS對(duì)TA的貢獻(xiàn)權(quán)重比例，并考慮到α很小，可以得到

理想的天線(xiàn)γ＝0，ηe＝1，總有TA＝TB，與工作環(huán)境無(wú)關(guān)。而實(shí)際中，TA與TB的關(guān)系如式（9）所示，受環(huán)境亮溫變化影響。

輻射計(jì)標(biāo)定給出將TA轉(zhuǎn)換為T(mén)B所需要的關(guān)系式

其中，a和b為標(biāo)定系數(shù)。對(duì)比式（9）與式（10），顯然在理論上

其中，a是儀器常數(shù)，但系數(shù)b不是常數(shù)。如果將b作為常數(shù)，則導(dǎo)致由定標(biāo)得到的TB因?yàn)門(mén)S增大（減小）而減?。ㄔ龃螅?，所以，要考慮環(huán)境亮溫變化對(duì)觀(guān)測(cè)值的影響。將按照定標(biāo)關(guān)系式（10）得到的TB記為T(mén)BM（即TB的輻射計(jì)觀(guān)測(cè)值），記b0為定標(biāo)情景下的標(biāo)定系數(shù)，據(jù)式（10）有

其中，δTB為工作環(huán)境亮溫訂正量，ΔTS為工作環(huán)境變化引起的TS變化量。

工作環(huán)境變化最明顯的原因是地表溫度的變化（含日變化和季節(jié)變化）。地表溫度Tg在1年內(nèi)的變化ΔTg可達(dá)幾十K。輻射計(jì)安裝場(chǎng)地調(diào)整、下雨引起地表積水等，也會(huì)帶來(lái)地表比輻射率變化。據(jù)文獻(xiàn)［30］，草地比輻射率約為0.94，裸土地比輻射率約為0.86，沙地比輻射率約為0.82，水面比輻射率最小，約為0.4?？梢?jiàn)地表比輻射率的變化Δε也會(huì)達(dá)幾到十幾甚至幾十個(gè)百分點(diǎn)。根據(jù)Westwater等［12］，TS≈εTg，可得

由式（14）可知，δTB與ΔTS成正比，且β和ηe越小，δTB越大。當(dāng)天線(xiàn)反射面完全無(wú)罩，即β＝1時(shí)，δTB＝ΔTS（1－ηe）／（1＋ηe）。當(dāng)天線(xiàn)罩窗口恰為3dB主波束大小，即β＝0時(shí)，δTB＝ΔTS（1－ηe）／ηe。可見(jiàn)，抑制工作環(huán)境亮溫變化影響的最有效方式是通過(guò)增大α和減小γ來(lái)增大ηe。由于增大α將導(dǎo)致降低空間分辨率，因此，只能減小γ。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 氣象探測(cè)實(shí)驗(yàn)中常用的輻射計(jì)天線(xiàn)的性能

目前胃腸道微生態(tài)與AP的關(guān)系在動(dòng)物模型及人體的研究中報(bào)道偏少。雖有在人體中補(bǔ)充胃腸道微生態(tài)治療AP的報(bào)道，但缺乏前瞻性的研究。

兩類(lèi)典型輻射計(jì)在K波段的天線(xiàn)性能，如表1第1行至第3行給出。取圖1中α為表1中WHPB（半功率波束頻寬）的一半（即α＝0.5WHPB），γ＝Xmax即旁瓣電平X的最大值，由式（7）計(jì)算得到ηe見(jiàn)表1第6行。可見(jiàn)，大部分波段的ηe都較小。若γ和ηe由廠(chǎng)家提供的G和α決定，由式（7）和式（8）得γ和ηe見(jiàn)表1第7行和第8行，可見(jiàn)各通道的ηe也都不高。參考葉云裳等［29］對(duì)主波束效率大于90%的需求，取ηe＞90%，則對(duì)應(yīng)的γ要在－40～50dB范圍內(nèi)（見(jiàn)表1中第9行）或者α要比表1中第4行的數(shù)值大（見(jiàn)表1中第10行）。

綜合表1和第1章可知：①即使是α＝3.1°的天線(xiàn)，ηe＞90%對(duì)應(yīng)γ＜－40.8dB。顯然，這對(duì)天線(xiàn)旁瓣提出了很高的要求。適當(dāng)增大α可以降低對(duì)γ的要求，但這降低了空間分辨率。②對(duì)于α＝3.1°，G＝30dB的天線(xiàn)，旁瓣參數(shù)γ＝ －35.7dB，ηe也僅有73.17%，如果進(jìn)一步考慮口徑、形面偏差、遮擋等因素的影響［28－29］，ηe會(huì)進(jìn)一步減小。以ε＝0.85，Δε＝0.05，Tg＝280K，ΔTg＝10K（典型的中緯度地區(qū)地表晝夜溫差和季節(jié)溫差）和ηe＝90%為參照，代入式（14）、式（15），可得ΔTS＝22.5K，δTB＝1.2K（取β＝1）和2.5K（取β＝0）。若ηe＝70%，δTB為4.0K（取β＝1）和9.6K（取β＝0）。而微波輻射計(jì)的亮溫靈敏度標(biāo)稱(chēng)值通常小于0.2K（積分時(shí)間為1s）。所以，天線(xiàn)工作環(huán)境可能會(huì)對(duì)輻射計(jì)亮溫觀(guān)測(cè)帶來(lái)不可忽略的干擾。

表1 兩類(lèi)典型輻射計(jì)的K波段天線(xiàn)性能與分析Table 1 Antenna performance and analysis for two typical types of K－band radiometers

2.2 基于TB模擬數(shù)據(jù)的環(huán)境亮溫變化影響

針對(duì)表1中B類(lèi)輻射計(jì)K波段的4個(gè)代表性通道的頻率，按照表1第8行中B類(lèi)輻射計(jì)在2個(gè)頻率處的ηe值內(nèi)插到4個(gè)頻率處（得到ηe在73%～75%范圍內(nèi)）；TB用式（1）正演計(jì)算，即TB（0）。計(jì)算條件同文獻(xiàn)［31］，即美國(guó)1962年標(biāo)準(zhǔn)大氣（海平面高度處大氣溫度和水汽密度分別為290K和7.5g／m3）、云天（取云層處于900～1880m高度之間、云中液水含量為中等數(shù)值0.3g／m3）、雨天（取雨滴位于云底之下、高度0～900m之間，雨強(qiáng)4mm／h，忽略云雨區(qū)散射）。TB計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2第1行到第3行。這些TB值與文獻(xiàn)［31］的圖示結(jié)果基本相同。晴空TB在22～25GHz水汽波段一般比較大，而在26～30GHz大氣窗區(qū)一般比較小。在云天尤其是云含水量較大甚至雨天情況下各通道TB都會(huì)比較大，尤其是26～30GHz大氣窗波段云降水天氣的TB明顯大于晴空時(shí)的TB。

將TB代入式（9），并以TS＝238K（ε＝0.85，Tg＝280K）為參照，得到TA，見(jiàn)表2第4行到第6行。可見(jiàn)，238K的環(huán)境亮溫使K波段TA＞TB。如前所述，TA與TB之差值在晴天時(shí)較大，在云天時(shí)較小，在雨天時(shí)更小。

取ΔTS＝22.5K（Δε＝0.05，ΔTg＝10K），按照表2中的ηe，由式（14）計(jì)算δTB如表2第7行，可見(jiàn)各通道受干擾δTB在3.2～3.5K之間（取β＝1），大小因ηe不同而不同。如果該輻射計(jì)天線(xiàn)ηe達(dá)到90%，則δTB減小成1.2K，但依然超過(guò)輻射計(jì)標(biāo)稱(chēng)靈敏度。因此，該輻射計(jì)因天線(xiàn)ηe較低而要求天線(xiàn)工作環(huán)境變化（ΔTS）要盡量小，否則就需要經(jīng)常進(jìn)行輻射計(jì)系統(tǒng)標(biāo)定。

用比值TB／δTB表示各通道對(duì)環(huán)境亮溫變化的抵抗能力，該比值越大抵抗能力越強(qiáng)。針對(duì)該輻射計(jì)的計(jì)算結(jié)果如表2第8行到第10行。可見(jiàn)，該輻射計(jì)K波段在晴天時(shí)抵抗能力最低，尤其是28GHz和30GHz，這兩個(gè)通道不利于用來(lái)觀(guān)測(cè)晴空；云雨天時(shí)，28GHz和30GHz抵抗能力增加最快，即28GHz和30GHz通道可用來(lái)觀(guān)測(cè)云降水特征。

表2 B類(lèi)輻射計(jì)K波段下行亮溫和天線(xiàn)溫度在天空不同狀況下對(duì)比以及環(huán)境亮溫變化影響（TB計(jì)算中，假設(shè)TS＝238K，ΔTS＝22.5K，其余條件同文獻(xiàn)［31］）Table 2 Comparison of the K－band downward brightness temperature and antenna temperature for type－B radiometer and analysis on the influence of environment under different sky conditions（letTS＝238K，ΔTS＝22.5Kand other parameters forTBcalculation are the same as Reference［31］）

3 觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的訂正方案與效果

記TBO為T(mén)BM訂正后的值，由式（13）得

為便于計(jì)算δTB，假設(shè)地表溫度與輻射計(jì)自測(cè)的環(huán)境氣溫相同，ΔTS主要由環(huán)境氣溫（記為T(mén)g）的時(shí)間變化ΔTg來(lái)決定（忽略ε的變化），則由式（14）和式（15）可得訂正量估算模型為

式（17）中，c為系數(shù)，理論上c＝ε（2－β）（1－ηe）／［β＋（2－β）ηe］。取ε＝0.9，ηe＝0.75，β＝0，則c＝0.3，這是系數(shù)的理論估計(jì)值。

由于亮溫的反演和同化應(yīng)用多以式（1）正演計(jì)算得到的TB（記為T(mén)BC）為參照，所以令∑（TBOTBC）2最小，則

由式（18）可計(jì)算系數(shù)c的樣本估計(jì)值。

為避開(kāi)云的不確定性對(duì)樣本估算訂正系數(shù)的影響，實(shí)際中可以?xún)H選用晴空數(shù)據(jù)樣本，但所得系數(shù)c代表環(huán)境影響，故也可用于訂正非晴空亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。

某輻射計(jì)K波段22～30GHz范圍內(nèi)實(shí)際有8個(gè)觀(guān)測(cè)通道，各通道中心頻率從水汽吸收線(xiàn)（22.232GHz）附近逐漸升高到大氣窗區(qū)（30GHz）（表3）。該輻射計(jì)在2010年12月22日進(jìn)行了一次液氮定標(biāo)，提取此后每日08：00和20：00的數(shù)據(jù)，直到2011年12月31日，共得到746次數(shù)據(jù)，其中有309次判為晴空觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)（李青等②）。晴空條件下輻射計(jì)自帶溫度計(jì)記錄的環(huán)境氣溫與定標(biāo)時(shí)的環(huán)境氣溫（取定標(biāo)當(dāng)日08：00輻射計(jì)自帶溫度計(jì)記錄的環(huán)境氣溫為277.724K）之差，即ΔTg（如圖2所示）。K波段的4個(gè)代表性通道的觀(guān)測(cè)值和正演值序列，分別如圖2中TBM和TBC所示。由圖2可見(jiàn)，在定標(biāo)后的1年多時(shí)間里，輻射計(jì)環(huán)境氣溫變化振幅達(dá)40K，對(duì)應(yīng)的亮溫影響δTB為幾到十幾度（各通道會(huì)有差別）。在定標(biāo)后的近3個(gè)月里，輻射計(jì)環(huán)境氣溫一直比定標(biāo)時(shí)低，而對(duì)應(yīng)K波段各通道的測(cè)值TBM均偏高于TBC；進(jìn)入夏半年，輻射計(jì)環(huán)境氣溫逐漸比定標(biāo)時(shí)高，TBM逐漸偏低于TBC；后進(jìn)入冬半年，則又重復(fù)冬半年TBM偏高。這種年周期現(xiàn)象在大氣吸收較弱的28GHz和30GHz尤其明顯。根據(jù)式（18）求該樣本的訂正系數(shù)c值見(jiàn)表3，與其理論值0.3在同一量級(jí)。將表3中的訂正系數(shù)c代入式（16）和式（17）對(duì)觀(guān)測(cè)值TBM進(jìn)行訂正，得到TBO如圖2所示?？梢?jiàn)，各通道都得到了明顯的訂正，觀(guān)

測(cè)數(shù)據(jù)和正演數(shù)據(jù)之間的擬合度（見(jiàn)表3）明顯提高、擬合直線(xiàn)的斜率更加接近于1，尤其是對(duì)通道7和通道8觀(guān)測(cè)亮溫的訂正，即使在晴空情況下TBM和TBC幾乎不相關(guān)，但環(huán)境溫度變化訂正后TBO和TBC明顯相關(guān)。這表明環(huán)境溫度變化訂正有利于K波段數(shù)據(jù)在大氣水汽、云和降水遙感中的應(yīng)用。

表3 B類(lèi)輻射計(jì)K波段亮溫的環(huán)境溫度變化訂正系數(shù)及訂正效果統(tǒng)計(jì)量Table 3 Coefficientcfor calibrating the environment temperature influence on K－band brightness temperature measured by type－B radiometer and the statistics to show the efficiency of calibration

圖2 2010年12月22日—2011年12月31日每日08：00和20：00晴空時(shí)輻射計(jì)環(huán)境溫度變化ΔTg及K波段4個(gè)代表性通道亮溫觀(guān)測(cè)值TBM、訂正值TBO和模擬值TBC的時(shí)間序列Fig.2 Time series of clear sky environment temperature changeTgand the observed brightness temperatureTBM，the corrected brightness temperatureTBOand the simulatedTBCfor 4typical channels in K－band at 0800BT and 2000BT from 22Dec 2010to 31Dec 2011

續(xù)圖2

續(xù)圖2

續(xù)圖2

4 結(jié)論與討論

本文根據(jù)輻射傳輸理論和天線(xiàn)性能參數(shù)分析建立亮溫計(jì)算模型，通過(guò)模擬計(jì)算給出輻射計(jì)K波段各通道亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)天線(xiàn)性能及其工作環(huán)境的響應(yīng)，并結(jié)合1年多的觀(guān)測(cè)資料分析研究輻射計(jì)天線(xiàn)性能及其工作環(huán)境對(duì)K波段亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響、提出了亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的環(huán)境溫度影響訂正方案。主要結(jié)論如下：

1）為降低觀(guān)測(cè)環(huán)境變化對(duì)地基微波大氣遙感的影響，要關(guān)注輻射計(jì)的旁瓣參數(shù)以及3dB波束寬度決定的等效主波束效率ηe，尤其是對(duì)28GHz和30GHz附近的通道。對(duì)于α＝3.1°，G＝30dB的天線(xiàn)，ηe僅有73.17%，如果考慮口徑、形面偏差、遮擋等因素的影響，ηe會(huì)進(jìn)一步減小。

2）以ε＝0.85，Δε＝0.05，Tg＝280K，ΔTg＝10K（典型的中緯度地區(qū)地表晝夜溫差）為參照，若ηe＝70%，觀(guān)測(cè)亮溫受到的影響δTB為4.0K（取天線(xiàn)罩參數(shù)β＝1）和9.6K（取β＝0）。而微波輻射計(jì)的亮溫靈敏度標(biāo)稱(chēng)值通常小于0.2K（積分時(shí)間為1s）。所以，輻射計(jì)天線(xiàn)工作環(huán)境可能會(huì)對(duì)亮溫觀(guān)測(cè)帶來(lái)不可忽略的干擾。

3）工作環(huán)境不同于定標(biāo)情景，最明顯的原因是地表溫度的季節(jié)變化。北京天線(xiàn)工作環(huán)境溫度的冬夏差異可達(dá)40K，即使不考慮地表比輻射率等因素，也必須考慮天線(xiàn)工作環(huán)境的影響。輻射計(jì)系統(tǒng)經(jīng)常進(jìn)行標(biāo)定，有助于減小環(huán)境溫度與輻射計(jì)定標(biāo)時(shí)的情景差異，但依然會(huì)因?yàn)棣莈較低而有必要進(jìn)行環(huán)境溫度變化訂正。

4）對(duì)1年多的觀(guān)測(cè)資料應(yīng)用表明，本文提出的環(huán)境溫度變化訂正方案簡(jiǎn)單有效，K波段各通道（尤其是28.0GHz和30.0GHz）亮溫訂正后和正演數(shù)據(jù)之間的擬合度大為改善。

環(huán)境溫度變化對(duì)K波段亮溫?cái)?shù)據(jù)的影響，僅是本文指出的觀(guān)測(cè)亮溫和輻射傳輸模式正演計(jì)算數(shù)據(jù)之間一致性減小的原因之一。對(duì)影響輻射計(jì)亮溫觀(guān)測(cè)的其他因素以及綜合訂正方案，有待于繼續(xù)研究。

致 謝：感謝中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所提供了2010—2011年每日08：00和20：00的地基微波輻射計(jì)亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)。感謝該所李炬、劉紅燕、阮順賢、曹曉彥和北京市氣象局保障中心沈永海等老師提供的幫助。感謝美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供了NCEP資料。

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Environmental Thermal Radiation Interference on Atmospheric Brightness Temperature Measurement with Ground－based K－band Microwave Radiometer

Wang Zhenhui1）2）Li Qing1）2）Chu Yanli3）Zhu Yayu2）

1）（Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters，CMA Key Laboratory for Aerosol－Cloud－Precipitation，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing210044）
2）（School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science ＆ Technology，Nanjing210044）
3）（Institute of Urban Meteorology，CMA，Beijing100089）

Effects of operating environment thermal radiation interference on atmospheric brightness temperature measurement with ground－based K－band microwave radiometer especially for channels near 28.0GHz and 30.0GHz are studied.A model for simulating antenna temperature which expresses the energy

by the radiometer based on radiative transfer is derived and used to calculate the response of the brightness temperature measurements to parameters such as antenna specifications，radome，surrounding temperature and emissivity.Results show that the equivalent main beam efficiency（ηe）defined by 3dB points is only 73.17%for a typical antenna，of which the half－beam half widthα＝3.1°and the gainG＝30dB.The value ofηewould be even smaller if factors like aperture radiation effect，shape－error，and occlusion and so on are taken into account.The brightness temperature would fluctuate by 4.0Kin case thatηe＝70%，the surrounding temperature and emissivity would change byΔTg＝10KandΔε＝0.05aroundTg＝280Kandε＝0.85if the radome can be neglected.The fluctuation would increase up to 9.6Kif the size of the opening in the radome is just for the main beam.Therefore，if the equivalent main beam efficiency determined by the antenna gain and 3－dB beam width for the current radiometer system is not large enough，variation of the operating environment must be taken into account during the correction of K－band brightness temperature measurement even though LN calibration of the radiometer system can be performed as manual－required.For this，a brightness temperature correction method for operating environment variation is suggested according to the theoretical relationship and the result from application to observations.Over one year application after LN calibration shows that the fitness and correlation between the observed brightness temperature after correction and the calculated brightness temperature with radiative transfer equation is obviously better than before，especially for channels of 28GHz and 30GHz.

ground－based microwave radiometer；K－band brightness temperature correction；antenna specifications；operating environment interference

王振會(huì)，李青，楚艷麗，等.地基微波輻射計(jì)工作環(huán)境對(duì)K波段亮溫觀(guān)測(cè)影響.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2014，25（6）：711－721.

2014－04－06收到，2014－09－10收到再改稿。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41275043，41005005），城市氣象科學(xué)研究基金項(xiàng)目（IUMKY＆UMRF201101），江蘇省研究生創(chuàng)新項(xiàng)目（CXLX12－0499）

＊email：eiap＠nuist.edu.cn

①朱雅毓，王振會(huì)，楚艷麗，等.地基微波輻射計(jì)亮溫觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合質(zhì)量控制與效果分析.氣象科學(xué)，待發(fā)表.