人工引雷的微波辐射计观测方案设计与数据处理

论文总字数：20123字

目 录

1引言1

1.1 研究的意义和目的1

1.2 国内外的研究现状1

2地基微波辐射计及其探测原理2

2.1 地基微波辐射计的介绍和探测原理 2

2.2 一般情况下地基微波辐射计遥感的辐射传输模式 4

2.3地基微波辐射计遥感人工引雷时的辐射传输模式5

3观测方案和数据处理7

3.1 地基微波辐射计的安装 7

3.2 人工引雷的理想观测方案 8

3.3 2016年人工引雷实际观测方案 9

3.4 2016年观测数据的分析处理与经验小结 10

3.5 2017年人工引雷预定观测方案和数据分析处理方案 12

4结论17

5不足与展望17

参考文献18

致谢20

人工引雷的微波辐射计观测方案设计与数据处理^[2]

潘赟

, China

Abstract: The exist of artificial-triggered lightning and ground-based microwave radiometers has opened up new ways to obtain lightning temperatures, while the randomness of natural lightning in space-time makes it difficult to measure the heat of lightning directly. Based on the detection principle and the radiative transfer model of ground-based microwave radiometers in the general case, in this paper, the radiation transmission model of the base microwave radiometer was deduced in the case of artificial-triggered lightning, and the theoretical expression of the bright temperature increment caused by the lightning heat effect was obtained. Based on the experience summary of the field observations in 2016, the filling factor of the time and space is supplemented in the theoretical expression of the bright temperature increment, and the relationship between the bright temperature increment and the frequency and the distance is discussed. The scheme of artificial-triggered lightning observation and data analysis was formulated.

Keyword: artificial-triggered lightning, ground-based microwave radiometers, the heat of lightning

1引言

1.1 研究的意义和目的

闪电是大气中一种重要的天气现象。研究表明，闪电放电通道中的电流上升速率可达10¹⁰A·s^-1，经常会记录到高达250kA甚至强度更高的电流脉冲^[1]。正是由于闪电放电通道中高强度电流脉冲的存在，通道内部及其周围总是伴随着高温、高压和高频电磁脉冲。而具有高强度电流脉冲的闪电经常会导致诸如森林失火、高楼受损、电子器件瘫痪、攸关爆炸和人畜伤亡等气象灾害^[2-4]。尤其是在当今大量使用各种电子器件的社会环境下，闪电导致的气象灾害更为严重，财产损失更为巨大，更加值得人们注意。

但是，雷电带来的绝不仅仅只是灾害。闪电可以平衡全球电路^[5]，制造保护地球的臭氧和氮氧化物NO_X^[6,7]。另外，据雷达和雷电定位资料对雷暴的研究表明，雷电频数与雷暴的生消演变过程有着直接关系。雷电监测数据在时效方面对于改进强对流天气的诊断和预报有着明显优势，是灾害性天气预报中的重要因素之一。张小军等人在研究青海省海东、黄南等地闪电与对流天气之间关系时，发现降水与闪电的发生有着较好的相关性^[8]。因此，研究雷电的特性并将其应用于雷电防护、灾害性天气预报等应用领域就显得至关重要了。

研究表明，大气会因为雷电的存在而产生高温，可达几千甚至上万度^[9-11]。将这种现象称作闪电的热效应，是闪电的重要特性之一。根据“雷电化学反应式”，雷电产生的高温、高压是大气中氮氧化物NO_X的产生条件^[12,13]。所以说，闪电的热效应的强度及其影响范围、持续时间等雷电的重要特征参数，对大气成分的改变有着重要贡献。闪电通道温度的测量，对更好的研究雷电特性以及雷电对大气与天气现象的作用有着重要的意义。

对雷电的研究可以追溯到1752年富兰克林的“风筝实验”，他利用风筝线将天上的电引入莱顿瓶中，随后进行了各种实验，验证了他自己关于天上的电和人工的电是同一种东西的假说。但是，自然闪电发生的时间、地点具有很强的随机性，闪电通道内的高强度电流使得人们很难直接对其进行测量研究。因此，遥感测量的光谱测量技术成为目前测量闪电热效应的唯一途径^[14,15]。但是，闪电在可见光频率处持续时间短，不利于观测。然而，在近红外频率处，闪电峰值电流之后的辐射持续时间较长^[16]。因此，微波辐射计对被观测物体温度变化的响应，为观测闪电通道温度提供了一条可能的途径。

考虑到自然闪电在时间和空间上的随机性，观测到自然闪电的几率很小。人工引雷是利用尾部有一金属链的火箭向着雷暴云发射，通过人为作业触发闪电^[17]。人工引雷的存在，解决了观测闪电的时空问题，因此，考虑利用地基微波辐射计对人工闪电通道进行观测。

本文根据雷暴云放电及其热效应的一般特征，以及对2016年野外观测数据的分析处理和经验总结， 拟定了2017年野外观测方案和数据处理方案。

1.2 国内外的研究现状

2010年9月，美国地基微波辐射计专家Ware博士在所做出的学术报告中指出：2010年3月29日，他在印度空间发射中心用地基微波辐射计对海上雷暴云进行遥感观测时，无意间观测到一次闪电，发现在V波段（51~59GHz）处个别通道亮温度增量高达30K，如图1所示^[18]。图1中，横坐标表示时间，纵坐标表示温度，亮温度记作T_b。可以看到，在51.248、51.760和52.280GHz处，亮温都有明显的增加，分别为29、18和12K。

图1印度某地地基微波辐射计2010年3月29日12:15—12:25UT(4:15—4:25LT)

仰角15亮温观测

2013年，曹雪芬在导师的指导下从微波辐射传输理论出发，研究地基微波辐射计观测闪电热效应气柱时产生的亮温度增量，并给出了亮温度增量的表达式^[19]。文中根据表达式进行了理论计算，可以发现，辐射计的任一通道观测到的亮温度增量随闪电热效应通道到辐射计之间的距离增加而减小；辐射计的高频率通道在近距离处能够得到较高的亮温度增量；对于固定的距离，亮温度增量的最大值对应得频率也是固定的。但是，文中给出的亮温度增量表达式并没有考虑充塞的影响，这一点需要进行相关讨论。

2014年，王振会等则发表论文指出，利用微波辐射计在V波段（51~59GHz）处对闪电进行遥感观测时，其个别通道额观测亮温度确实有可能达到30K^[18]。也就是说，利用地基微波辐射计确实是有可能观测到闪电的热效应。但是，文中模拟闪电热效应的气柱空间尺度远大于闪电放电通道，所以，更需要进行针对性的观测和深入的研究。

2地基微波辐射计

2.1 地基微波辐射计的介绍和探测原理

地基微波辐射计是一种无源的无线电接收机，以遥感观测的方式来观测大气分子在微波波段热辐射能量从而反演获得大气中的温度廓线、湿度廓线以及水汽廓线等气象要素。地基微波辐射计的型号有很多，但是其原理都是大同小异，所以，本文以MP-3000A型号的地基微波辐射计为例来介绍地基微波辐射计及其探测原理。

MP-3000A型号的地基微波辐射计拥有横跨22~200GHz的35个观测通道，包括温度廓线和湿度廓线两个子系统，且这两个子系统共用了一个天线及其定位系统。该型号地基微波辐射计可以连续提供从仪器安装地的水平面到10公里大气层内较高分辨率的温度、相对湿度和水汽廓线以及较低分辨率的液态水廓线。考虑到下文的计算涉及到仪器的相关参数，将在表1中提供其部分仪器规格。

表1 MP-3000A型号的地基微波辐射计部分仪器规格