地基微波輻射計(jì)工作原理和產(chǎn)品初分析

徐延欣

摘要：微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感設(shè)備，主要用于中小尺度天氣現(xiàn)象。主要介紹TP—WVP3000型、RPG-HATPRO型兩種地基微波輻射計(jì)工作原理和產(chǎn)品分析。TP—WVP3000型地基微波輻射計(jì)可以連續(xù)得到從地面到10km高度的溫度、水汽和液態(tài)水的垂直廓線。德國(guó)RPG-HATPRO地基微波輻射計(jì)采用多通道并行測(cè)量核心技術(shù)，通過無線電高空探測(cè)器測(cè)得的溫度、氣壓和濕度廓線，得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)組，進(jìn)而得到大氣溫濕廓線。

關(guān)鍵詞：地基微波輻射計(jì) ;TP—WVP3000;RPG-HATPRO

中圖分類號(hào)：TN911?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1.引言

微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感設(shè)備。目前中尺度天氣現(xiàn)象監(jiān)測(cè)中，探空氣球和天氣雷達(dá)是常用的手段。探空氣球會(huì)受到時(shí)間和空間的限制;雷達(dá)資料局限于降雨過程無降水時(shí)的欠缺。地基微波輻射計(jì)的出現(xiàn)，填補(bǔ)了上述各監(jiān)測(cè)手段的空白，是其有效的補(bǔ)充手段。

微波輻射具有獨(dú)立工作能力，幾乎能在各種環(huán)境條件工作，適用于自動(dòng)天氣觀測(cè)，用于反演完整的大氣廓線。

目前，國(guó)際上新成熟的技術(shù)為并行多檢測(cè)器、多通道直接測(cè)量技術(shù)。采用K波段和V波段的水汽和氧氣通道觀測(cè)反演大氣的水汽和溫度信息。并行技術(shù)微波輻射計(jì)的各通道帶寬相互獨(dú)立，在積分時(shí)間充足的條件下，可采用邊界層多角度掃描，從而捕捉到邊界層1K的微小亮溫變化，明顯提高了邊界層溫度垂直分辨率。并行多通道也使得快速全天空掃描及方位-時(shí)間掃描得以實(shí)現(xiàn)，有助于監(jiān)測(cè)天空快速水汽變化和云天變化。

本文著重介紹TP—WVP3000型、RPG-HATPRO型[1-2]（溫度和濕度廓線儀）兩種地基微波輻射計(jì)，以及工作原理和產(chǎn)品分析[3-6]。

2.儀器工作原理

2.1TP—WVP3000型地基微波輻射計(jì)

TP—WVP3000型地基微波輻射計(jì)（圖1），是一種新型12通道微波輻射計(jì)，它可以連續(xù)得到從地面到10km高度的溫度、水汽和液態(tài)水的垂直廓線。其中，TP-WVP3000生成溫度、水汽以及低溶解度液體的廓線圖。

溫度廓線可以通過測(cè)量在60GHz氧的特征放射強(qiáng)度或亮度溫度而得到。通過從線的中心向下到線的兩側(cè)進(jìn)行掃描，設(shè)備可以得到高度信息。水汽廓線可以通過觀測(cè)壓力擴(kuò)大水汽線的放射強(qiáng)度和形狀得到。水汽的輻射在高處是一條窄的線，而在低處壓力擴(kuò)大。

2.2德國(guó)RPG-HATPRO型地基微波輻射計(jì)

德國(guó)RPG-HATPRO是世界上最先進(jìn)、最具代表性的新一代微波輻射計(jì)（圖2）。RPG-HATPRO采用多通道并行測(cè)量核心技術(shù)，引領(lǐng)著全球微波輻射計(jì)的發(fā)展方向和未來。

通過無線電高空探測(cè)器測(cè)得的溫度、氣壓和濕度廓線可以得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)組。選取95%的相對(duì)濕度接線作為云層存在界限，可以得到隔熱的云層液態(tài)水廓線，并且利用MWMOD對(duì)無線電探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過隨機(jī)產(chǎn)生的干擾排除實(shí)際的干擾，從而得到實(shí)際的亮溫度。進(jìn)而得到大氣溫濕廓線。

3. 探測(cè)產(chǎn)品分析

圖3—6是1TP—WVP3000型地基微波輻射計(jì)、RPG-HATPRO型地基微波輻射計(jì)的大氣廓線產(chǎn)品，反演地面至不同高度的垂直方向上大氣溫度、相對(duì)濕度和液態(tài)水廓線等要素。

圖3是RPG-HATPRO型地基微波輻射計(jì)測(cè)得，從地面到10km高度垂直方向上的大氣溫度、相對(duì)濕度和液態(tài)水廓線、24小時(shí)內(nèi)的降雨情況。根據(jù)溫度廓線，大氣溫度隨高度的增加而降低。8km以下，從0時(shí)到6時(shí)溫度有下降趨勢(shì)，在6時(shí)有氣溫明顯升高到6時(shí)30分左右出現(xiàn)峰值，此后下降到7時(shí)溫度與之前相差不大，之后溫度趨于穩(wěn)定，并有略微的上升趨勢(shì)，地面最高溫出現(xiàn)在0時(shí)。在9km高度處，除在6時(shí)30分左右出現(xiàn)峰值外，其它時(shí)次也有明顯的波動(dòng)。據(jù)液態(tài)水廓線可知，在2km高度以上，大氣中基本上不存在以液態(tài)形式存在的水。

圖4是TP—WVP3000型地基微波輻射計(jì)測(cè)得，2008年5月13日12-16時(shí)從地面到1.0km高度垂直方向上的溫度廓線。由圖，大氣溫度隨高度的增加而降低。圖中0.2-0.6km高度上，溫度隨高度增加而升高，說明出現(xiàn)了逆溫現(xiàn)象。

圖5是TP—WVP3000型地基微波輻射計(jì)測(cè)得，2008年5月13日12-16時(shí)從地面到1.0km高度垂直方向上的水汽密度廓線[2]。由圖，水汽密度隨高度增加而降低。其中，0.2-0.4km高度上，水汽密度出現(xiàn)劇烈變化，達(dá)到2.0g/m，在13時(shí)20分左右出現(xiàn)極大值。

圖6是RPG-HATPRO型地基微波輻射計(jì)測(cè)得，2008年5月13日12-16時(shí)從地面到1.0km高度垂直方向上液態(tài)水廓線。由圖，液態(tài)水含量隨高度升高而下降。其中，在0.1km以上，液態(tài)水含量有劇烈變化，在13時(shí)及15時(shí)20分左右達(dá)到極大值。

4. 結(jié)語

微波輻射計(jì)是一種被動(dòng)式微波遙感設(shè)備，主要用于中小尺度天氣現(xiàn)象。地基微波輻射計(jì)的出現(xiàn)，填補(bǔ)了探空氣球和天氣雷達(dá)等各監(jiān)測(cè)手段的空白，是其有效的補(bǔ)充手段。

常用的TP—WVP3000型地基微波輻射計(jì)，可以連續(xù)得到從地面到10km高度的溫度、水汽和液態(tài)水的垂直廓線，具體可以探測(cè)到垂直方向不同高度上大氣溫度的變化，以及探測(cè)垂直方向水汽密度隨高度的變化。德國(guó)RPG-HATPRO微波輻射計(jì)通過無線電高空探測(cè)器測(cè)得的溫度、氣壓和濕度廓線可以得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)組，判斷大氣溫度隨高度的變化，同時(shí)根據(jù)據(jù)液態(tài)水廓線，可以得到在某一高度上，判斷大氣中是否存在液態(tài)形式存在的水。

目前，國(guó)際上運(yùn)用先進(jìn)的并行多檢測(cè)器、多通道直接測(cè)量技術(shù)，通過微波輻射等自動(dòng)天氣觀測(cè)，反演完整的大氣廓線，這對(duì)于現(xiàn)代氣象觀測(cè)工作具有實(shí)用意義。

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