車載微波輻射計移動大氣走航觀測實驗及初步應用

雷連發，李成偉，白水成，姜紅林，王振會，盧建平，2

（1.北方天穹信息技術（西安）有限公司，陜西 西安 710100；2.西安電子工程研究所，陜西 西安 710100；3.南京信息工程大學氣象災害預報預警與評估協同創新中心中國氣象局氣溶膠—云—降水重點實驗室，江蘇 南京 210044；4.南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇 南京 210044；5.陜西省大氣探測技術保障中心，陜西 西安 710014；6.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象實驗室，陜西 西安 710014；7.西安市大氣探測中心，陜西 西安 710016）

地基多通道微波輻射計能夠實時連續觀測大氣溫濕度廓線，具有高時空分辨率的特點，它能夠實時連續獲得對流層大氣溫度、水汽密度、相對濕度和液態水廓線等大氣參數[1-5]。常規高空大氣觀測主要利用探空氣球的方式，每天進行兩次探空，時空分辨率較低，且存在氣球路徑隨風漂移的現象。微波輻射計采用被動遙感探測的方式，實時連續觀測頂空大氣參數，具有時間分辨率高的優點。目前，微波輻射計在很多國家和地區被應用到氣象和氣候監測中，已經成為大氣溫濕度廓線和云液水被動微波遙感探測的重要設備，尤其在中尺度天氣過程的觀測中更具優勢[4-9]。在常規大氣溫濕度廓線探測的基礎上，微波輻射計觀測資料正在被研究同化到數值模式中提高數值預報效果，初步研究顯示預報效果能夠得到一定的改善[10]。此外，微波輻射計還被應用到人工引雷閃電通道的微波熱輻射效應和太陽微波輻射觀測中，這是一些新的拓展觀測與應用[11-17]。

現有微波輻射計是專門為大氣探測設計的，通常都是固定在地面進行定點觀測。對于像青藏高原等特殊地區氣象精細化觀測以及天氣過程的針對性移動跟蹤觀測中也存在許多困難，固定站觀測的實用性就很難滿足要求。隨著科技的發展，為了滿足移動觀測的需求，可以在汽車、艦船、火車和飛機等移動平臺上安裝微波輻射計進行業務化觀測，為數值預報提供實時的大氣移動觀測資料具有重要意義。未來如果利用公路或者鐵路，將微波輻射計安裝在汽車或者高鐵上開展大氣移動剖面觀測，對天氣預報將有劃時代的意義。此外，陸地僅占全球面積的29%，海洋占有71%的地球表面，海洋對大氣的影響相當重要。但是在海上很難建設固定的探空站或者微波輻射計進行定點長期觀測，海上船載移動觀測就顯得格外重要。然而，目前對微波輻射計的移動走航大氣探測及數據反演方法的研究較少[2]。

移動走航觀測中微波輻射計處于運動中，移動觀測路線上大氣背景條件、海拔和地形地貌等隨氣候帶的不同而發生變化。相比固定站站點觀測對儀器自身、移動承載平臺、觀測方式及數據反演算法等提出了新的要求。例如儀器自身和車載平臺應該具備好的穩定性和抗震動能力。由于移動觀測中平臺處于運動中，這就要求采樣速度快，盡量減小移動觀測帶來的誤差。此外，數據反演算法也需要進行相應的改進，微波輻射計固定站觀測數據反演主要應用的是神經網絡算法，它依賴當地的歷史探空資料，數據訓練與當地的海拔和氣候等相關聯。在移動觀測中，這種單一的神經網絡已經不適用移動觀測的特殊環境[2]，為了開展微波輻射計移動觀測，需要對移動觀測數據反演方法進行深入研究和實驗。

基于車載移動平臺觀測特殊需求，嘗試利用車載平臺在西安繞城高速公路上進行微波輻射計移動走航觀測實驗和應用研究，通過實驗和數據分析解車載微波輻射計移動觀測的特點，為微波輻射計移動走航大氣觀測、數據反演和應用、系統改進和驗證提供支持，為未來在更多的移動平臺上應用奠定基礎。

1 車載微波輻射計觀測系統

1.1 微波輻射計的組成及功能

為滿足移動觀測的實際需要，本研究對MWP967KV 型地基多通道微波輻射計進行改裝，將其安裝到車載平臺上進行工作。改裝后的微波輻射計便于移動，能夠實現野外移動觀測。

車載微波輻射計整體系統包括微波輻射計主機系統、穩定支架、載運平臺、車載計算機、衛星定位模塊、線路和供電系統等。運載平臺選用民用皮卡車，微波輻射計改裝后固定在貨箱內。供電系統采用發電機，微波輻射計控制計算機位于車內通過線路與外部輻射計主機連接。為實時記錄觀測位置，輻射計內置衛星定位模塊，實時記錄移動路線和數據觀測位置。

車載微波輻射計主機工作頻段與地基相同，該輻射計工作頻段在K 波段（22～31 GHz）和V 波段（51～59 GHz）。在移動中實時觀測路徑上大氣在K和V 波段的輻射亮溫反演大氣溫度、水汽密度、相對濕度和液態水廓線等大氣參數[1，3]。微波輻射計自帶溫濕壓等傳感器，實時采集移動路徑上的大氣溫濕壓等參數。此外，還配備了紅外輻射觀測儀，移動過程中紅外觀測儀實時觀測天空和云的紅外輻射溫度，觀測移動路徑上天氣和云的變化。

1.2 車載微波輻射計觀測過程中的約束關系

車載移動走航觀測過程中，車速是必須考慮的重要因素。由于輻射計觀測中需要一定的積分時間，移動觀測結果是否滿足一定空間代表性的問題非常重要。輻射計空間分辨率L 與天線波束寬度φ 和觀測高度H 有關，可定義為波束能代表的水平距離，即：

車載平臺在移動的過程中，設ν 為輻射計移動的速度即平臺速度，t 為輻射計的時間分辨率，即觀測可用于反演一次大氣層結的一組亮溫數據所用的時間，由輻射計的積分時間和采樣方式決定，因此可以定義移動走航觀測移動速度與時間的約束關系：

式中：γ 為波束重疊度，代表相鄰采樣波束的重疊比例。如圖1 所示，在t 時段內，天線從位置S1移動到S2，平臺移動距離ΔS=S1-S2，在高度H 上的重疊度為γ，則有：

圖1 走航觀測空間關系示意圖

當γ=1 時，為全重疊，表示天線沒有移動，兩次觀測的亮溫來自于同一位置。

當γ＞0 時，為有重疊采樣，L＞ΔS，表示天線移動較慢。

當γ=0 時，為臨界狀態，表示L=ΔS，天線移動速度達到采樣的上限。由此確定的天線移動速度可稱為平臺臨界速度。

當γ＜0 時，為無重疊采樣或欠采樣，表示L＜ΔS，平臺的移動距離大于L，采集的一組亮溫數據來自不同的波束空間。

移動走航觀測過程中平臺移動速度不能過快，且采樣速度不能太慢。當然，平臺移動速度和采樣時間間隔還受到氣象參數時空變化的影響。若需觀測的天氣系統移動緩慢，天氣參數水平方向梯度變化較小，則L 的取值可以大一些，對應于輻射計的系統設計來說天線波束寬度設計就可以大一些，這樣可以減小天線尺寸、降低成本等。在現有輻射計天線系統已經固定的情況下，可以選擇平臺移動速度快一些或采樣速度慢一些，這樣就可以忽略由于欠采樣引起的影響。對于給定的輻射計，由于L 與H成正比，兩次采樣時間間隔內移動距離越近高空重疊度越高。所以，在移動走航探測中以大氣低層（如邊界層）探測為主的移動走航觀測，平臺應移動慢一些，而以高層大氣探測為主時可適當移動快一些。

目前，微波輻射計設計的波束寬度φ＜5°（約0.09 rad），探測反演高度為10 000 m，則計算得到L≈900 m。

根據平臺移動速度和采樣時間的關系可以得到，當輻射計采樣時間t=60 s 時，平臺移動臨界速度ν 為：

當t=30 s 時，平臺移動臨界速度ν 為：

在汽車上，采樣時間間隔在60 s 以內都能滿足具有一定重疊度的要求。以上計算過程還可應用到船載、高鐵和飛機等平臺，經過估算在船載平臺上微波輻射計采樣時間在50 s 以內能夠滿足要求，在高鐵上采樣時間需要＜10 s，而飛機則需要在5 s 以內完成。

微波輻射計目前的設計包含兩種工作模式，一種是混頻檢波，一種是直接檢波。混頻檢波可以有很多的觀測通道，觀測頻率可以根據需要進行選擇，但是一次只采集一個通道的信息，需要串行采樣完成所有頻率的觀測采樣。直接檢波模式下觀測通道完全固定，目前的輻射計在K 和V 波段分別設計了8個通道，采樣的時候是并行同時采樣，采樣時間短、速度快。在車載、船載以及普通火車上串行和并行體制采樣基本都能滿足要求，但對于高鐵和飛機等高速移動的平臺串行采樣受到積分時間和通道數的限制難以確保具有一定重疊度的采樣，未來在高鐵和飛機等高速移動平臺上安裝微波輻射計進行移動觀測，需要更快的采樣速率，兩種微波輻射計并行將會更加合適。

1.3 車載微波輻射計的安裝與標定

對微波輻射計進行精確定標是對大氣輻射亮溫準確測量的基礎，微波輻射計的定標是指標定微波輻射計輸出電壓與輸入噪聲溫度之間定量關系的過程。定標是利用微波輻射計進行大氣溫濕度廓線觀測的重要前提，定標精度的高低直接影響微波輻射計對大氣亮溫測量的準確度，進而影響其對大氣狀態參數的反演精度。

車載微波輻射計標定與地基微波輻射計相同，主要采用液氮定標、熱源定標、噪聲源定標和天空傾斜定標（Tipping curve 定標）多種方式綜合定標來確保觀測精度[18]。對于固定站一般要求半年到一年進行一次液氮定標，實現系統參數的校準。但對于車載觀測，由于移動觀測過程中會存在顛簸，可能會引起系統參數的變化。為了確保輻射計的觀測精度，需要在實驗前進行液氮定標，確保設備具有足夠的觀測精度。

在液氮定標、噪聲源定標和熱源等定標基礎之上還需要更為細致的定標，即Tipping 定標。Tipping定標是地基微波輻射計一種重要標定方法，在晴天條件下假設大氣均勻分層，通過在不同仰角上掃描天空各個方向的輻射亮溫，利用兩側大氣條件對稱性的特點來進行標定[18-20]。在移動觀測過程中，Tipping標定中對行進方向兩側掃描并標定，就會受到顛簸及行進路線兩旁的樹木、房屋建筑和山體等影響，很難滿足Tipping 標定中兩側掃描數據對稱性的要求（圖2a）。因此，輻射計安裝方向要與汽車前進方向垂直，天線掃描方向為車的前后方向（圖2b），通過實驗，這種安裝方式會最大程度地減少道路兩側樹木和房屋建筑的影響。如果未來應用在海上移動平臺，這限制可不考慮。

圖2 車載微波輻射計安裝示意圖

2 觀測實驗

2.1 實驗概況

實驗選擇在西安繞城高速公路（全長約88 km）進行，高速道路相對平坦且為環形道路，距離兩側建筑較遠，兩側遮擋較少，有利于實驗進行。通過對地基微波輻射計進行改裝將其安裝在車載平臺，經過前期的多次靜態和動態實驗驗證，由西安高新立交進入西安繞城高速公路順時針沿繞城高速進行了連續的跑車實驗。車載移動觀測需要車上配備發電機或者移動電源，本次實驗配備了發電機，可滿足輻射計連續10 h 以上的供電需求，觀測數據可通過網絡實時遠程傳輸。根據平臺移動速度和輻射計采樣時間的約束關系，將數據采樣間隔設置為30 s，平臺平均行駛速度約為40～60 km/h，確保了觀測過程中具有足夠的采樣重疊度。實驗車輛在西安繞城高速公路上連續行駛觀測了兩圈，用時約190 min，實驗路線及裝車結果如圖3 所示。

數據反演采用BP 人工神經網絡算法，神經網絡訓練利用西安涇河探空站（108.97°E，34.43°N）2012—2019 年的歷史探空資料作為訓練樣本進行網絡訓練，反演得到的溫濕度空間分布（圖4）。車輛行駛一圈后得到了沿行駛路徑的溫濕度垂直空間剖面，可以清楚地看到不同位置的垂直溫度和濕度分布情況。這對大氣環境監測、天氣狀態分析提供有意義的觀測資料。

圖4 溫濕度廓線的時空分布

大氣溫濕度廓線資料可以用來研究大氣測垂直分層結構，對數值預報模式有重要意義。常規探測都是在地面建立探空站利用氣球攜帶傳感器進行探測，難以實現特定路徑上空的大氣溫濕度廓線的探測。傳統微波輻射計在固定站觀測只能獲取該點上空大氣溫濕度的時間剖面而無法獲得空間剖面。通過車載微波輻射計移動走航觀測可實現大氣溫濕度時空剖面的探測，為特殊環境或天氣系統跟蹤探測等提供了可能。

在數據處理過程中還需要進一步進行數據質量控制，由于車載移動觀測過程中會遇到樹木、橋梁和隧道等其他建筑在上空遮擋觀測，對觀測造成影響，這些數據需要剔除。剔除過程中可以設定閾值進行剔除，由于K 波段以及V 波段的低頻觀測亮溫較小，且所有通道亮溫有頻譜特征，觀測上空被遮擋時觀測亮溫會明顯增大并接近環境溫度，利用這個明顯的差異通過設定閾值的方法可剔除觀測誤差。

2.2 實驗環境數據分析

微波輻射計上自帶了氣溫、相對濕度、氣壓、天空紅外和衛星定位傳感器，可實時測量輻射計所處環境的溫、濕、壓和天空紅外輻射溫度等。為減小振動，車速保持在80 km/h 以內，全程車速變化如圖5a所示。全程海拔最高點484 m，位于東南方，最低338 m 在正北方，全程海拔變化如圖5f 所示。跑車過程中大氣相對濕度在15%～20%左右（圖5c），根據天空紅外輻射溫度可以看出天氣為部分區域有云，即圖5e 中天空紅外輻射溫度增大的時刻。

圖5 實驗過程中環境參數隨時間變化

在第二圈開始后，即14：37—14：43 和15：08—15：18 出現交通擁堵，車速降至10 km/h 以下，這時對應采集的環境氣溫有約1.0 ℃的升高，隨著車速增大，氣溫隨之下降，這主要是由于擁堵后，汽車的反射和熱輻射造成局部環境氣溫升高（圖5a、5b）。

2.3 廓線數據分析

為了分析溫濕度廓線數據的探測效果，通常使用探空資料作為參考依據，但是探空數據每天僅有早晚08 時各一次，數據量有限，很難滿足實驗要求。因此，在實驗期間沒有探空資料情況下，利用再分析資料作為參考數據對車載微波輻射計觀測資料進行對比分析。再分析資料選取歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）發布的ERA5 氣候再分析數據集，該數據集提供的數據包括各種大氣參數估計（如不同高度上的氣溫、濕度、氣壓和風）和地表參數估計（如降水、海冰、土壤濕度和地表氣溫）。數據時間分辨率為1 h，空間分辨率可達0.25°，可滿足應用需求。

實驗期間共有3 組ERA5 再分析資料與本次實驗同時刻，分別是14：00，15：00 和16：00。與車載輻射計同時間探測數據進行對比，對比過程中選擇該時刻微波輻射計觀測反演的大氣溫濕度廓線與ERA5 資料進行對比，水汽密度通過溫濕度廓線進行計算得到，結果如圖6 所示。車載輻射計探測結果與ERA5 再分析資料一致性較好，溫度廓線誤差最小，濕度廓線在低空較為一致，反演的最大濕度層兩者高度略有差異，輻射計反演的相對濕度廓線最大值高度相比ERA5 略低一些。中低空輻射計反演觀測的資料與ERA5 有一些區別，近地面兩者差異最明顯，這可能是再分析資料分辨率為0.25°代表了一定區域內狀態，而輻射計探測為觀測點的大氣參數，具有一定差距。

2.4 城市大氣環境觀測與應用

實驗過程中西安市還有另外3 臺同型號固定站的微波輻射計也在觀測，從南到北布設有3 個固定站點（位置：GMR-S1，GMR-M1 和GMR-N1），同時選取移動觀測路線上東南西北4 個觀測點（位置：GMR-N2，GMR-E2，GMR-S2，GMR-W2）資料對比分析，形成對城市中心和四周的綜合觀測對比，位置分布如圖3a 所示。

車載微波輻射計沿繞城高速共行駛兩圈，分別得到兩組數據，選取了不同位置的7 個站點數據分別從南到北，從東到西進行了對比，得到了溫度和相對濕度的空間分布變化，如圖7 和圖8 所示。

圖7 沿城市東西和南北方向溫度對比

圖8 沿城市東西和南北方向相對濕度對比

從溫度來看，城市熱島效應明顯，位于城市中心的站點（GMR-M1）的溫度明顯高于周圍的其他6 個觀測點。距離中心位置越遠，溫度相對就越低，例如最南端（GMR-S1）和北端（GMR-N1）2 個固定站距離中心點距離最遠，與中心點的溫度相差超過1 ℃。位于車輛行進路線上的4 個采集點距離中心點較近，與中心點溫度差異較小。相對濕度則是城市中心較小，遠離城市中心相對濕度變大，郊區與城市中心相對濕度最大差異超過10%。南側更靠近秦嶺山區，因此南側溫度略低一些，相對濕度略高一些。東側緊鄰灞河，東西溫度差異不明顯，東部相對濕度則略大一些。

從觀測結果來看，城市熱島效應明顯，由于城市中心區域近地面氣溫高，大氣會進行上升運動，對流能量較強，大氣狀態最不穩定。通常可以利用大氣對流有效位能（CAPE）來衡量分析大氣的對流能量和不穩定度[21]。CAPE 可以利用探空資料進行計算，每天早晚僅有2 次，探空時間分辨率低，難以滿足使用要求。微波輻射計能夠提供實時大氣溫濕度廓線，這些數據可用于CAPE 值的實時計算，具有高時間分辨率特點，為研究大氣CAPE 值提供了很好的資料[17，21]。因此，利用微波輻射計觀測的溫濕度廓線計算各個觀測點的CAPE 值，研究城市區域不同位置的大氣狀態（圖9）。

圖9 沿城市東西和南北向CAPE 對比

城市中心大氣對流有效位能明顯高于城市周邊區域，差異可達1 000～2 000 J/kg。由于強的對流作用，城市中心氣流上升會與周圍地區形成氣壓差異，周圍地區近地面大氣向城市中心輻合。城市“熱島”中心區域上升氣流比郊區強，由于熱島效應的存在，城市中心大氣對流作用強，當大氣環流的影響較弱且城市水汽和凝結核較豐富時，有利于對流雨的形成。

3 結論

車載微波輻射計因其在觀測方式和應用需求上具有特殊的優勢，為了驗證車載微波輻射計觀測方法及應用的可行性，本文對地基微波輻射計進行了改裝并安裝到車載平臺上進行實驗，驗證了車載觀測方案的可行性，為移動探測奠定了基礎。結合觀測實驗本文得到以下結論：

（1）微波輻射計在車載平臺上安裝方向會影響到輻射計的觀測和標定，為了減少道路兩側樹木、建筑和山體等的影響，安裝時需要保持輻射計天線掃描方向為車輛行進的前后方向，避免掃描道路兩側。移動觀測過程中還需要考慮道路顛簸等帶來的影響。

（2）移動觀測過程中要考慮平臺移動速度和微波輻射計采樣時間間隔之間的關系，根據不同的移動平臺選擇合適的采樣時間間隔。

（3）在城市道路進行移動觀測過程中，由于堵車等很多車輛擁擠在一起，車輛的熱輻射和反射等造成環境氣象數據的變化，會對觀測帶來一定的影響。

（4）車載平臺能夠實現對天氣系統、城市氣象環境等的移動觀測，能夠實現大氣狀態的跟蹤觀測。經過在西安連續的環形路線觀測和數據分析，發現城市熱島效應明顯，城市中心大氣對流有效位能明顯高于城市周邊區域，這對城市區域大氣參數的移動探測有重要意義。

（5）移動平臺觀測的數據反演方法是一項重點研究內容，在本次實驗中地勢平臺可不考慮海拔高度變化的影響。未來在高原和山區等復雜地形中開展移動觀測，反演過程必須考慮海拔高度變化對反演算法的要求，這將是本研究后期實驗和重點研究方向。此外，受到實驗和設備條件限制，本實驗缺少對走航觀測過程中平臺姿態信息的獲取，在實驗路線上選擇較為平坦的路面，忽略了平臺傾斜對觀測帶來的影響，通過這次驗證，未來實驗將增加慣導系統實時獲取平臺姿態信息，在特殊路段實驗，研究平臺傾斜對觀測的影響，開展姿態訂正研究。