地基微波輻射計(jì)在云南地區(qū)反演液態(tài)云水路徑與可降水量的應(yīng)用

柳昭輝 劉黎平 周筠珺

(1.成都信息工程學(xué)院,四川成都 610225;2.中國氣象局中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

地基微波輻射計(jì)在云南地區(qū)反演液態(tài)云水路徑與可降水量的應(yīng)用

柳昭輝1劉黎平2周筠珺1

(1.成都信息工程學(xué)院,四川成都 610225;2.中國氣象局中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

液態(tài)云水路徑(liquid water path,LWP) 和可降水量(perceptible water vapor, PWV) 是描述天氣和氣候的兩個(gè)重要物理量。目前針對該物理量的直接觀測較少,地基微波輻射計(jì)的出現(xiàn),不僅能夠彌補(bǔ)普通常規(guī)大氣探測資料的不足,克服常規(guī)大氣探測在應(yīng)用中存在的某些局限性,而且還能夠獲得在研究大氣結(jié)構(gòu)等方面新穎有價(jià)值的氣象資料,是大氣探測的重要手段之一。本文利用2012年云南騰沖微波輻射計(jì)和激光雷達(dá)的觀測資料對云南地區(qū)液態(tài)云水路徑進(jìn)行反演并且對比同時(shí)段的雷達(dá)反演結(jié)果,LWP一般在3-7mm之間,PWV一般穩(wěn)定在120-280mm左右,但雨時(shí)LWP與PWV峰值能夠分別達(dá)到19mm與650mm。兩者呈現(xiàn)相同趨勢且誤差較小,取得了較好的反演效果,是一種比較可信的手段。

微波輻射計(jì) 云南地區(qū) 反演

1 引言

云作為地氣系統(tǒng)的重要組成部分，對于地氣系統(tǒng)的輻射收支具有深遠(yuǎn)的影響。云輻射過程主要是由云的垂直結(jié)構(gòu)以及粒子尺度、數(shù)密度、液態(tài)水或冰水含量等云的微物理參數(shù)所決定的。對于這些參數(shù)的精確測量有助于對云氣候?qū)W特性的深入理解。長久以來，人們對大氣中水汽的認(rèn)識(shí)基本來自于探空測量，然而探空測量并不總是可靠的，并且存在著代價(jià)昂貴、時(shí)間分辨率低以及不能直接得到液態(tài)水路徑等缺點(diǎn)。

2 相關(guān)定律介紹

2.1 普朗克黑體福射定律

在大氣物理學(xué)中，有專家用把普朗克函數(shù)中的發(fā)射的單色強(qiáng)度與發(fā)射物質(zhì)的溫度T和頻率f的關(guān)系用公式表示出來，由于引入了普朗克函數(shù)，這個(gè)公式也就叫做普朗克黑體公式：

在式(2.1)中，各對應(yīng)變量大致是這樣的，其中h我們把它叫做普朗克常數(shù)，其值為6.63*10-34，K叫做波爾茲曼常數(shù)，其值為1.38*1023，f就是指物理學(xué)中的頻率，單位是赫茲，Sr是立體弧度，T指的就是黑體的絕對溫度，其單位是開，c指的是光在真空中的速度，大小為3*108m/s。

表2.1 不同的微波波段頻率和波長范圍表

表3.1 各類云中含水量的觀測資料

在下面的圖2.1中，我們主要是表達(dá)黑體輻射強(qiáng)度氏對波長的曲線的關(guān)系。在其中，我們主要針對不同的輻射溫度下二者的關(guān)系的表述。顯而易見地，在圖中，我們不難得出結(jié)論，隨溫度的逐步升高，黑體的輻射強(qiáng)度也在增大，然而，最大強(qiáng)度的波長卻在下降。當(dāng)時(shí)，它就是瑞利-金斯分布；當(dāng)λ→0時(shí)，它就是維恩分布。這時(shí)在某一溫度下的物體，在某一波長下的出射率與該物體吸收率的比值，等于黑體的出射率，(當(dāng)然是指同一溫度和同一波長下的)。

2.2 大氣微波輻射理論

在磁波學(xué)研究中，那些頻率在.3GHz到300GHz(波長從lm到1mm)之間的電磁波就是微波。它是以光為傳播媒介的，這使得其具有反射、衍射、干涉和極化等特點(diǎn)。我們可以按照波長的長短對其進(jìn)行劃分，具體地可以把其分為P、L、S、C、X、Ku、K、Ka和EHF等波段，其具體的各波段的頻率和波長范圍詳見表2.1(見表2.1)。

大氣有選擇地對微波輻射。如果我們對分子光譜與熱輻射理論足夠了解的話，其實(shí)大氣也能對微波輻射進(jìn)行放射。我們運(yùn)用基爾霍夫定律，大氣是主要的輻射來源，如果在某波段吸收強(qiáng)輻射也強(qiáng)。

根據(jù)上面的大氣吸收光譜圖，我們可以看出，大氣水汽分子的吸收作用很強(qiáng)，這一情況主要出現(xiàn)在頻率22GHz附近。而在50-70GHz這段范圍內(nèi)，氧氣分子的吸收性能很強(qiáng)，微波輻射計(jì)可以用51-59HZ頻段的，來對大氣溫度廓線進(jìn)行遙感反演。

3 云南地區(qū)大氣溫濕廓線反演結(jié)果

3.1 資料和數(shù)據(jù)來源

2012年5月-8月，中國氣象局氣象探測中心在云南開展了遙感比對試驗(yàn)，參加試驗(yàn)的設(shè)備除了GPS定位的無線電探空儀外，還有毫米波雷達(dá)、激光雷達(dá)、微降水雷達(dá)、邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)和一臺(tái)WVP-3000微波輻射計(jì)等。在本文的研究中，除了試驗(yàn)期間的微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)和同期觀測的探空數(shù)據(jù)外，還收集了省云南市2008年6月-2010年7月期間的無線電探空資料。WVP-3000微波輻射計(jì)有12個(gè)微波探測通道，中心頻率分別為：22.035、22.235、23.835、26.235、30.0，51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29、58.8GHz。

圖2.1 黑體強(qiáng)度(普朗克函數(shù))隨波長的變化關(guān)系圖

3.2 云中液態(tài)水估算

出于實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在云南，地處邊區(qū)的考慮，我們在做正演計(jì)算時(shí)，必須把云中液態(tài)水吸收系數(shù)對微波散射的影響加以考慮進(jìn)去。還有一點(diǎn)會(huì)得我們注意的是，在常規(guī)的氣象資料中，云液態(tài)水含量不多，所以在進(jìn)行相應(yīng)的估算時(shí)會(huì)有一定的困難，甚至?xí)霈F(xiàn)偏差的。表3.1對我國各類云中含水量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出，變化范圍相當(dāng)寬。

圖4.1 微波輻射計(jì)反演結(jié)果(左圖)和激光雷達(dá)回波信號(hào)(右圖)

圖4.2 微波輻射計(jì)反演結(jié)果(左圖)和微脈沖激光雷達(dá)回波信號(hào)(右圖)

圖5.1 7月17日15時(shí)30分左右的微波輻射計(jì)觀測的液態(tài)水含量垂直廓線

圖5.2 7月17日15時(shí)17-38分的相對濕度的垂直廓線

3.3 誤差評(píng)估方法

在本文中，我們用無線電探空值作為實(shí)際值來對反演方法中出現(xiàn)的相關(guān)誤差進(jìn)行評(píng)估，其稱量方法主要是二個(gè)參數(shù)。若記樣本的總數(shù)為n，i表示第i個(gè)樣本，觀測亮溫值記為Vi，計(jì)算結(jié)果記為Ui則計(jì)算值對觀測值的平均絕對誤差和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別表示為：

4 液態(tài)水路徑和可降水量的反演

我們分別對23.8和31.4GHZ兩個(gè)頻率的光學(xué)厚度以及平均輻射溫度進(jìn)行了相應(yīng)的計(jì)算，把得來的信息歸集在一起，并對觀測來的溫度進(jìn)行反演。其最明顯的特點(diǎn)就是運(yùn)算快，最大的好處就是如果被反演時(shí)，大氣條件與平均算法有明顯很大不同的話，就會(huì)出現(xiàn)可降水量和液態(tài)水路徑發(fā)生較大偏差的情況。圖4.1是我們2012年07月17日22：20—2012年07月18日12：34在云南地區(qū)的反演結(jié)果和激光雷達(dá)觀測得出的結(jié)果。根據(jù)圖，我們分析，并得到在前面40分鐘時(shí)間里，信號(hào)不是很有規(guī)律，再從相應(yīng)的儀器的結(jié)果，我們得到如下結(jié)論：即18：24-19：41會(huì)下雨。同樣的結(jié)果在微波輻射計(jì)中也存在，在19：41以前的LWP和PWV值有了較大的增加，LWP最高達(dá)到了19mm，PWV最高達(dá)到了650mm。而在19：52之后二個(gè)值又開始下降了，到了后來，變化開始緩慢，直到處于穩(wěn)定狀態(tài)，其中LWP穩(wěn)定在3-7mm之間，PWV穩(wěn)定在120-280mm之間。在圖中，我們發(fā)現(xiàn)雨后出現(xiàn)的云始終高度保持在7km-9km之間，變化不大，厚度相差不大。

圖4.2我們在2012年07月27日18：00-2012年7月28日04：48在云南地區(qū)的反演結(jié)果和激光雷達(dá)觀測結(jié)果。根據(jù)相關(guān)的儀器，我們可以找到相應(yīng)的答案，即在當(dāng)天的20：38-21：11這個(gè)時(shí)間段里會(huì)下雨，同時(shí)在這段時(shí)間里出現(xiàn)了大的峰值，此時(shí)LWP有最高值，為3.5mm，PWV最高達(dá)到了170mm。與此同時(shí)，在此段時(shí)間里，激光雷達(dá)的信號(hào)很雜亂。接下來又在22：50左右反演結(jié)果有一個(gè)比較大的值，LWP最高達(dá)到了2.5mm，PWV最高達(dá)到了140mm。通過雷達(dá)反饋的信號(hào)，我們得出一個(gè)結(jié)論，在4.5km高度以下，云會(huì)厚一些，比較厚的時(shí)候還可能會(huì)跟地相連。在00：00-01：12時(shí)刻，反演結(jié)果值比以前大，這可能是由于多出了一層云在4.5km-9km之間的緣故。

圖5.3 毫米波雷達(dá)反演的15時(shí)(a)17-24分(b)34-31分(c)31-38分液態(tài)水含量的垂直廓線

5 一次實(shí)際個(gè)例的液態(tài)水含量反演

本小結(jié)利用北京時(shí)間2012年7月17日在云南騰沖的一次毫米波雷達(dá)和微波輻射計(jì)觀測。在觀測期間，毫米波雷達(dá)除了觀測到回波強(qiáng)度、徑向速度和速度譜寬、退偏振因子外，還間斷輸出了功率譜密度，而微波輻射計(jì)資料則包含大氣溫度、濕度、水汽密度和液態(tài)水含量。

圖5.1(a)為7月17日15時(shí)17分-24分；24分-31分，31分-38分3個(gè)時(shí)次云南騰沖上空的微波輻射計(jì)反演得到的液態(tài)水含量的垂直分布，可以看出在這3個(gè)時(shí)刻里，液態(tài)水含量分別在4km和0.6km處出現(xiàn)了兩個(gè)極大值，其中4km處的極大值在15時(shí)29分達(dá)到最大，這表明此高度層有較多的液態(tài)水，我們進(jìn)一步分析這一時(shí)段的相對濕度(圖5.2)的平均也發(fā)現(xiàn)，4km高度層出現(xiàn)了過飽和的情況，這說明這一時(shí)段，天空可能出現(xiàn)降水云層。在4km以上隨著高度的增加液態(tài)水含量逐漸減小，這主要是由于溫度隨著高度的增加而減小造成的相比之下，0.6km處的次極大值則在15時(shí)30分達(dá)到最大，此后突然減小，其后突然地減小則是由于降水過程的結(jié)束引起的。

圖5.3(a)為7月17日15時(shí)17分至21分的毫米雷達(dá)波反演的液態(tài)水含量垂直廓線，可以看出盡管雷達(dá)資料反演出的液態(tài)水含量整體比微波輻射計(jì)的觀測要大，但是對流層中層和邊界層內(nèi)的雙峰值特征與微波輻射計(jì)大致相同。4km附近的最大值能很好的得到反演，只是高度相比微波輻射計(jì)觀測的要偏低；而邊界層內(nèi)反演出的次極大值位置則比微波輻射計(jì)的偏高。劉黎平等指出空氣上升速度和米散射效應(yīng)均對毫米波雷達(dá)的反演結(jié)果有一定影響，而毫米波雷達(dá)反演的液態(tài)水含量整體值較微波輻射計(jì)偏大和雙峰值位置存在偏移可能是由這一原因造成的。圖3(b)為15時(shí)24分至31分與31分至38分毫米雷達(dá)波反演的液態(tài)水含量，可以看出，4km附近的極大值相比前幾個(gè)時(shí)刻突然變小，極大值位于邊界層內(nèi)，這可能是由于前幾個(gè)時(shí)刻的降水導(dǎo)致雷達(dá)天線積水，而積水會(huì)使得雷達(dá)回波強(qiáng)度大幅削弱(劉黎平等，2014)。15時(shí)31-38分時(shí)段的平均結(jié)果繼續(xù)維持這一特征，這說明雷達(dá)天線的積水對毫米波雷達(dá)的觀測有較長時(shí)間的影響。

6 結(jié)論與展望

本文主要探討了地基微波輻射計(jì)在云南地區(qū)大氣溫濕廓線反演的應(yīng)用，通過微波輻射計(jì)觀測時(shí)間連續(xù)且時(shí)間長得特點(diǎn)很好的彌補(bǔ)了無線電探空昂貴不連續(xù)的缺點(diǎn)。利用2012年云南騰沖微波輻射計(jì)和激光雷達(dá)的觀測資料對云南地區(qū)液態(tài)云水路徑進(jìn)行反演，LWP一般在3-7mm之間，PWV一般穩(wěn)定在120-280mm左右，但雨時(shí)LWP與PWV峰值能夠分別達(dá)到19mm與650mm。對比同時(shí)段的雷達(dá)反演結(jié)果，兩者呈現(xiàn)相同趨勢，并且誤差較小，取得了較好的反演效果。

由于微波輻射計(jì)穿透性強(qiáng)于毫米波雷達(dá)的特性，今后可通過微波輻射計(jì)反演結(jié)果對毫米波雷達(dá)觀測多層云時(shí)的個(gè)例進(jìn)行修正，以達(dá)到更好的反演效果。

[1]潘旭光.地基微波輻射計(jì)資料的質(zhì)量控制方法及其應(yīng)用研究[D].南京信息工程大學(xué),2011.

[2]Blackwell,W.J.Neural network retrieval of atmospheric temperature and moisture profiles from cloud-cleared AIRS/AMSU radiances[J].IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,2004.

[3]劉奇,傅云飛.基于TRMM/TMI的亞洲夏季降水研究[J].中國科學(xué)(D輯:地球科學(xué)),2007(1).

[4]李帥,謝國輝,何清,李祥余.阿勒泰地區(qū)降水量、可降水量及降水轉(zhuǎn)化率分析[J].冰川凍土,2008(4).

[5]黃建平,何敏,閻虹如,等.利用地基微波輻射計(jì)反演蘭州地區(qū)液態(tài)云水路徑和可降水量的初步研究[J].大氣科學(xué),2010(3).

[6]劉錦麗,呂達(dá)仁,張凌,段樹.降水云中液態(tài)含量的空基遙感[J].遙感學(xué)報(bào),2003,7(3):227-232.

[7]劉建忠,張薔.微波輻射計(jì)反演產(chǎn)品評(píng)價(jià)[J].氣象科技,2010,38(3):325-331.

[8]趙玲,馬玉芬,張廣興,楊蓮梅.MP-3000A微波輻射計(jì)的探測原理及誤差分析[J].沙漠與綠洲氣象,2009(5).

[9]劉黎平,謝蕾,崔哲虎.毫米波云雷達(dá)功率譜密度數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)和在弱降水滴譜反演中的應(yīng)用研究[J].大氣科學(xué),2014.38(2):223-236.