地基微波輻射計在云南地區反演液態云水路徑與可降水量的應用

柳昭輝 劉黎平 周筠珺

(1.成都信息工程學院,四川成都 610225;2.中國氣象局中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京 100081)

地基微波輻射計在云南地區反演液態云水路徑與可降水量的應用

柳昭輝1劉黎平2周筠珺1

(1.成都信息工程學院,四川成都 610225;2.中國氣象局中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室,北京 100081)

液態云水路徑(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,地基微波輻射計的出現,不僅能夠彌補普通常規大氣探測資料的不足,克服常規大氣探測在應用中存在的某些局限性,而且還能夠獲得在研究大氣結構等方面新穎有價值的氣象資料,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和激光雷達的觀測資料對云南地區液態云水路徑進行反演并且對比同時段的雷達反演結果,LWP一般在3-7mm之間,PWV一般穩定在120-280mm左右,但雨時LWP與PWV峰值能夠分別達到19mm與650mm。兩者呈現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 云南地區 反演

1 引言

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

2 相關定律介紹

2.1 普朗克黑體福射定律

在大氣物理學中，有專家用把普朗克函數中的發射的單色強度與發射物質的溫度T和頻率f的關系用公式表示出來，由于引入了普朗克函數，這個公式也就叫做普朗克黑體公式：

在式(2.1)中，各對應變量大致是這樣的，其中h我們把它叫做普朗克常數，其值為6.63*10-34，K叫做波爾茲曼常數，其值為1.38*1023，f就是指物理學中的頻率，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，我們主要是表達黑體輻射強度氏對波長的曲線的關系。在其中，我們主要針對不同的輻射溫度下二者的關系的表述。顯而易見地，在圖中，我們不難得出結論，隨溫度的逐步升高，黑體的輻射強度也在增大，然而，最大強度的波長卻在下降。當時，它就是瑞利-金斯分布；當λ→0時，它就是維恩分布。這時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。我們可以按照波長的長短對其進行劃分，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，其實大氣也能對微波輻射進行放射。我們運用基爾霍夫定律，大氣是主要的輻射來源，如果在某波段吸收強輻射也強。

根據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，這一情況主要出現在頻率22GHz附近。而在50-70GHz這段范圍內，氧氣分子的吸收性能很強，微波輻射計可以用51-59HZ頻段的，來對大氣溫度廓線進行遙感反演。

3 云南地區大氣溫濕廓線反演結果

3.1 資料和數據來源

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，參加試驗的設備除了GPS定位的無線電探空儀外，還有毫米波雷達、激光雷達、微降水雷達、邊界層風廓線雷達和一臺WVP-3000微波輻射計等。在本文的研究中，除了試驗期間的微波輻射計數據和同期觀測的探空數據外，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微波輻射計有12個微波探測通道，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 黑體強度(普朗克函數)隨波長的變化關系圖

3.2 云中液態水估算

出于實驗地點在云南，地處邊區的考慮，我們在做正演計算時，必須把云中液態水吸收系數對微波散射的影響加以考慮進去。還有一點會得我們注意的是，在常規的氣象資料中，云液態水含量不多，所以在進行相應的估算時會有一定的困難，甚至會出現偏差的。表3.1對我國各類云中含水量的數據進行了統計，從表中可以看出，變化范圍相當寬。

圖4.1 微波輻射計反演結果(左圖)和激光雷達回波信號(右圖)

圖4.2 微波輻射計反演結果(左圖)和微脈沖激光雷達回波信號(右圖)

圖5.1 7月17日15時30分左右的微波輻射計觀測的液態水含量垂直廓線

圖5.2 7月17日15時17-38分的相對濕度的垂直廓線

3.3 誤差評估方法

在本文中，我們用無線電探空值作為實際值來對反演方法中出現的相關誤差進行評估，其稱量方法主要是二個參數。若記樣本的總數為n，i表示第i個樣本，觀測亮溫值記為Vi，計算結果記為Ui則計算值對觀測值的平均絕對誤差和標準偏差分別表示為：

4 液態水路徑和可降水量的反演

我們分別對23.8和31.4GHZ兩個頻率的光學厚度以及平均輻射溫度進行了相應的計算，把得來的信息歸集在一起，并對觀測來的溫度進行反演。其最明顯的特點就是運算快，最大的好處就是如果被反演時，大氣條件與平均算法有明顯很大不同的話，就會出現可降水量和液態水路徑發生較大偏差的情況。圖4.1是我們2012年07月17日22：20—2012年07月18日12：34在云南地區的反演結果和激光雷達觀測得出的結果。根據圖，我們分析，并得到在前面40分鐘時間里，信號不是很有規律，再從相應的儀器的結果，我們得到如下結論：即18：24-19：41會下雨。同樣的結果在微波輻射計中也存在，在19：41以前的LWP和PWV值有了較大的增加，LWP最高達到了19mm，PWV最高達到了650mm。而在19：52之后二個值又開始下降了，到了后來，變化開始緩慢，直到處于穩定狀態，其中LWP穩定在3-7mm之間，PWV穩定在120-280mm之間。在圖中，我們發現雨后出現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在云南地區的反演結果和激光雷達觀測結果。根據相關的儀器，我們可以找到相應的答案，即在當天的20：38-21：11這個時間段里會下雨，同時在這段時間里出現了大的峰值，此時LWP有最高值，為3.5mm，PWV最高達到了170mm。與此同時，在此段時間里，激光雷達的信號很雜亂。接下來又在22：50左右反演結果有一個比較大的值，LWP最高達到了2.5mm，PWV最高達到了140mm。通過雷達反饋的信號，我們得出一個結論，在4.5km高度以下，云會厚一些，比較厚的時候還可能會跟地相連。在00：00-01：12時刻，反演結果值比以前大，這可能是由于多出了一層云在4.5km-9km之間的緣故。

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

5 一次實際個例的液態水含量反演

本小結利用北京時間2012年7月17日在云南騰沖的一次毫米波雷達和微波輻射計觀測。在觀測期間，毫米波雷達除了觀測到回波強度、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，而微波輻射計資料則包含大氣溫度、濕度、水汽密度和液態水含量。

圖5.1(a)為7月17日15時17分-24分；24分-31分，31分-38分3個時次云南騰沖上空的微波輻射計反演得到的液態水含量的垂直分布，可以看出在這3個時刻里，液態水含量分別在4km和0.6km處出現了兩個極大值，其中4km處的極大值在15時29分達到最大，這表明此高度層有較多的液態水，我們進一步分析這一時段的相對濕度(圖5.2)的平均也發現，4km高度層出現了過飽和的情況，這說明這一時段，天空可能出現降水云層。在4km以上隨著高度的增加液態水含量逐漸減小，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30分達到最大，此后突然減小，其后突然地減小則是由于降水過程的結束引起的。

圖5.3(a)為7月17日15時17分至21分的毫米雷達波反演的液態水含量垂直廓線，可以看出盡管雷達資料反演出的液態水含量整體比微波輻射計的觀測要大，但是對流層中層和邊界層內的雙峰值特征與微波輻射計大致相同。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觀測的要偏低；而邊界層內反演出的次極大值位置則比微波輻射計的偏高。劉黎平等指出空氣上升速度和米散射效應均對毫米波雷達的反演結果有一定影響，而毫米波雷達反演的液態水含量整體值較微波輻射計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24分至31分與31分至38分毫米雷達波反演的液態水含量，可以看出，4km附近的極大值相比前幾個時刻突然變小，極大值位于邊界層內，這可能是由于前幾個時刻的降水導致雷達天線積水，而積水會使得雷達回波強度大幅削弱(劉黎平等，2014)。15時31-38分時段的平均結果繼續維持這一特征，這說明雷達天線的積水對毫米波雷達的觀測有較長時間的影響。

6 結論與展望

本文主要探討了地基微波輻射計在云南地區大氣溫濕廓線反演的應用，通過微波輻射計觀測時間連續且時間長得特點很好的彌補了無線電探空昂貴不連續的缺點。利用2012年云南騰沖微波輻射計和激光雷達的觀測資料對云南地區液態云水路徑進行反演，LWP一般在3-7mm之間，PWV一般穩定在120-280mm左右，但雨時LWP與PWV峰值能夠分別達到19mm與650mm。對比同時段的雷達反演結果，兩者呈現相同趨勢，并且誤差較小，取得了較好的反演效果。

由于微波輻射計穿透性強于毫米波雷達的特性，今后可通過微波輻射計反演結果對毫米波雷達觀測多層云時的個例進行修正，以達到更好的反演效果。

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