论文总字数：20191字

目 录

摘要2

Abstract3

1.引言4

1.1 研究目的和意义4

1.2 国内外研究现状4

2.微波辐射计5

2.1 微波辐射计探测原理5

2.2 常用的各通道频率6

2.3 大气下行辐亮温计算理论7

2.4 亮温与云参数之间构建线性关系的可能性8

3.亮温与云参数的关系9

3.1定性分析云参数对亮温的影响9

3.1.1云水浓度对亮温的影响9

3.1.2云底高度对亮温的影响11

3.1.3云厚对亮温的影响11

3.2定量分析亮温与云参数的关系12

4.云参数的反演14

4.1反演方程的拟合14

4.1.1利用模拟亮温拟合的反演方程14

4.1.2利用实际观测亮温拟合的反演方程15

4.2云参数反演及精度评价16

4.2.1利用模拟亮温拟合情况下的反演16

4.2.2利用实际观测亮温拟合情况下的反演17

4.3本章小结18

5.总结与展望18

5.1结论18

5.2不足与展望18

参考文献19

致谢21

云对地基微波辐射计观测的影响研究^[2]

徐俊杰

, China

Abstract: In this paper, based on the radiation transmission mode, we calculate the simulation of Ground-based microwave downward radiation brightness temperature by setting different cloud parameters (cloud water concentration, cloud base height and cloud thickness) combination and using 22 channels that Ground-based microwave radiometer commonly used. We can analysis the influence on different channels’ brightness temperature of Ground-based microwave with the change of cloud parameters (cloud water concentration, cloud base height and cloud thickness). We get linear relationship on channels’ brightness temperature and cloud parameters (cloud water concentration, cloud base height and cloud thickness) through multiple linear fitting, and then we qualitative analysis how 22 channels respond to the change of cloud water concentration, cloud base height and cloud thickness. At the end of this paper, we calculate the linear relationship on cloud water concentration, cloud base height and cloud thickness and channels’ brightness temperature by multiple linear fitting, we use specific data from Conghua City, Guangzhou Province to calculate cloud water concentration, cloud base height and cloud thickness by those relationships and evaluate the accuracy of cloud parameters retrieval. Hoping that the study on this paper can provide some help and reference for the application and observation of ground-based microwave radiometer.

Key words: Ground-based Microwave Radiometer; Cloud Parameters; Radiative Transfer; Multiple Linear Regression

引言

1.1 研究目的和意义

大气探测是进行气象学研究的基础，大气探测得到的数据是进行天气预报、科研和气象服务的重要依据。其主要的内容就是将大气中的各种现象、变化过程以及气象要素进行连续地、系统地观察、测定和记录。常规的气象观测按照技术和手段可以分为地面观测、高空探测、遥感探测。而现如今，大气探测具有遥感与遥测结合、固定与机动结合、空基与地基结合、高密度获取信息等特点。

随着气象事业的不断发展，探测技术和手段也在不断改革创新。其中，地基微波辐射计的应用也越来越广泛，成为一种重要的探测手段。 地基微波辐射计是被动遥感仪器，通过接受大气的下行辐射亮温度，从中反演出温度和湿度廓线^[1]。相比于无线电探空仪，微波辐射计很好的弥补了其时间和空间分辨率低、气象要素值连续性差和成本高等的缺点。同时微波辐射计能够全天时全天候工作，也能在各种天气和环境下工作，也不会环境产生任何污染和影响。与微波遥感相比，红外和可见光遥感不能全天时工作，红外遥感虽然能在晚间工作，但其穿过云雾的能力较差。微波辐射计的应用主要是在中小尺度的天气现象，比如闪电、强降雨、冰冻、雾、边界层紊乱等。这些突发的天气灾害发生和消散的时间都很短，也只是局地性的，但部分危害却极大，因此对这些天气现象的检测是十分重要的。常用的探测手段有天气雷达和探空气球，但他们受到的限制多，探测结果误差大。而微波辐射计的出现就很好弥补了上述天气现象监测的缺陷^[2-4]。

辐射计接收到的能量主要来自于空气中的水汽、氧气分子，但当天空中有云存在时，微波辐射计接收到来自云中水汽、液态水的辐射因此得到较高的亮温。不同云高、云厚、不同液水含量的云对各通道都会产生不同程度的影响。根据辐射计亮温与云参数的关系可以对云参数进行反演，因此研究云对各通道的影响，分析云参数的变化对亮温度的影响，建立亮温与云参数之间的关系，对微波辐射计反演云参数十分重要。

本文使用MWP967KV型地基微波辐射计在广州从化2016年5月11日至2016年7月18日的观测数据，以及NCEP再分析资料得到的层结数据对地基微波辐射计测得的亮温度与云参数之间的关系进行定性和定量的分析和讨论。先根据实际情况在合理范围内设置云参数组合，定性的分析云参数的变化对地基微波辐射计22个通道的影响，。再根据辐射传输方程，使用微波辐射计观测数据和NCEP层结数据，拟合得到云参数与各个通道亮温之间的关系式，根据拟合关系利用观测数据反演出具体的云参数，最后与实际的NCEP层结数据进行对比，评价反演结果。

1.2 国内外研究现状

上世纪40年代，用于气象观测的地基和机载微波辐射计研制成功。60 年代，微波辐射计被成功地装载到气象卫星上，在气象行业中应用广泛 ^[5-6]。到上世纪70 年代，Westwater, Guiraud 等^[7]对地面微波辐射测量到的大气温度和水汽剖面进行实验评估。到80 年代，在国际上对地基微波遥感技术的应用已经逐步成熟。90年代Churnside, Stermitz等^[8]分析了用神经网络对微波辐射计数据进行温度反演。Westwater, Ferrare等^[9]等对卡尔曼滤波在微波辐射计中的应用进行了研究。

在国内，上世纪60年代，北京大学赵柏林等^[10]研制出5mm、8mm和1.35cm等波段性能较高的微波辐射计。70年代，中国科学院大气物理研究所周秀翼等^[11]开始研究微波遥感和辐射传输，自行研制了遥感设备，进行了一系列相应的实验。到90年代初，王振会等^[12]提出了反演大气温度廓线的改进方法。黄润恒，邹寿祥^[13]在遥感云天大气的可降水和液态水时选用了两波段微波辐射计并取得了较好的效果。1999年王振会, 张培昌^[14]对含有水膜冰球的降水云对微波辐亮温的影响进行了研究，其影响与水膜厚度及其冰球谱、雨强和微波频率有关。2005年姚志刚，陈洪滨^[15]分析了利用七通道的微波辐射计进行大气温度廓线遥感的性能，发现当测量的亮温误差在0.2K~2.0K内时，反演结果的平均误差会在2.1K~3.1K。2011年刘红燕^[16]对三年地基微波辐射计观测湿度廓线的精度进行分析，发现微波辐射计测得的水汽含量与探空资料的相关系数达到0.97。2014年王振会，曹雪芬等^[17]分析了微波辐射计工作时的状况，通过对比分析判断出了五个在湿度遥感时稳定、工作状态良好的通道，七个在温度遥感时性能一直衰退的通道。

微波辐射计

2.1 微波辐射计探测原理

地基微波辐射计得到的湿度廓线、温度廓线等产品是利用其被动接受的各个高度上的微波辐射信息来判断的。本文使用的MWP967KV型地基微波辐射计的工作频率在22~200GHz。

在微波波段，大气的衰减主要是由于水汽和氧气造成的。图1是典型中纬度大气的几个不同海拔高度的大气吸收光谱^[18]。微波辐射计以亮温度高低的形式来表现接收到的辐射强弱。水汽的强吸收中心在22GHz附近，水汽发射在高纬地区呈现为窄的线条，而在低纬则较宽。其强度与温度和水汽密度分布成正比。因此可以选用22.235GHz到大气窗区30GHz附近的通道来测量水汽含量。氧气分子对60GHz附近的波段有强吸收，同时在各个高度层上的辐射都与氧气密度和温度分布呈正比，因此可以选用大气窗区51GHz到59GHz附近的通道来反演得到温度。

当出现降水或云层时，降水和云的衰减作用要考虑到对微波辐射计反演温湿廓线的影响。由于各个通道的频率不同，受降水和云的影响也不同。根据云的吸收特征，其吸收系数与云高、云厚和云水浓度有关。因此，微波辐射计测得的辐亮温也受云高、云厚和云水浓度的影响。所以可以基于辐射传输模式，得到亮温与云参数之间的相互关系，通过建立的关系式，还可以利用各个通道观测到的亮温，反演得到具体的云参数。

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