微波輻射計在現代大氣探測中的應用

黃麗芬，馬海波

（1.福建省氣象臺，福建福州350001；2.永安市氣象局，福建三明366000）

微波輻射計在現代大氣探測中的應用

黃麗芬1，馬海波2

（1.福建省氣象臺，福建福州350001；2.永安市氣象局，福建三明366000）

本文在第一部分簡單概述了微波輻射、微波輻射計的概念、特點和種類等，然后結合大氣探測對象、規范特點和原理，對微波輻射計在現代大氣探測中的應用進行了詳細分析。

微波輻射計；特點；種類；應用

本文根據福建變化莫測、臺方發生率大、海風頻繁等氣候特點及實際情況，對微波輻射計在現代大氣探測中的應用進行分析。因福建地處東南沿海地區，導致福建除了要面對西北方向的內陸風及相關氣候以外，還要面對來自東南沿海海風及氣候的影響，使福建省的氣候變化萬千，如強臺風“鳳凰”和“海貝思”，不但危機到福建本地區人民的人身安全，還危機到臺灣等周邊地區的安全，但其危害系數都在大氣探測部門高效探測服務的幫助下得到了有效，有效證實了微波輻射計高效應用于現代大氣探測中的重要性與必要性。

1 微波輻射與微波輻射計的簡單概述

1.1 微波輻射

微波輻射通常是指波長為0.1～30cm的輻射，實質上是一種“長波熱輻射”，廣泛存在于自然界，被自然界所有事物所吸收。微波輻射具有感應性強、保密性等特點，與相應的雷達進行感應主要是靠微波遙感及接收感應，將感應出來的輻射信號被其他設備接收，實現微波輻射計的檢測，進而實現對大氣的探測。被探測到的微波頻段，其電磁能信號一般很微弱，遠遠小于輻射計的噪聲功率。

1.2 微波輻射計

微波輻射計實質上是指寬頻帶、高增益和高靈敏度的被動微波遙感儀器，主要由天線、數據記錄存儲裝置和寬帶接收機組成，通過對數據信號的處理，將背景噪聲中微弱信號進行量化，實現信號的提取，具有很強的穿透力，能夠穿透云霧和雨雪，并且能夠進行全天候的信號處理和獲取，足以證實微波輻射計顯著優于紅外遙感器。微波輻射計的微波頻率可以劃分為 L、S、C、X、Ku、K和 Ka，對應的頻率分別為 1.4GHz、2.65GHz、6.6GHz、10.65GHz、13.9GHz、18.7GHz、37GHz。根據這些頻率劃分可以將微波輻射計劃分為全功率微波輻射計、Dicke型微波輻射計和數字增益自動補償微波輻射計，微波輻射計接收通道原理見圖1。

圖1 微波輻射計接收通道原理圖

1.3 微波輻射計提供的主要大氣信息

隨著高科技技術在微波輻射計中應用，使微波輻射計在原來的基礎上，又得到了大氣信息量上的提高，現時代的微波輻射計不但可以提供高精度的大氣綜合參數（如亮溫、液態水形成因素、可降水的水汽量和大氣層的溫度等）；還能夠提高大氣參數的分辨率，實現對大氣元素的垂直廓線分析（如溫度垂直、水汽強度、液態水強度廓線等）；更能夠實現理想測量值探測（如主動雷達觀測信息、激光雷達觀測信息等），有效實現了不同雷達觀測資料的融合性。

2 現代大氣探測的簡單概述

2.1 大氣探測的對象、范圍和特點

①大氣探測的對象：大氣狀況、氣象要素和天氣現象及變化過程；②大氣探測的范圍：離地面較近的地層大氣、高空大氣和特殊區域大氣，如大氣的邊界層，城市的熱島環流，峽谷的風場，海陸的風場等；③大氣探測的特點：包括大氣探測要素多樣化、大氣探測要素大量化、空間范圍擴展化、大氣探測要素多樣化和探測內容豐富化等特點。

2.2 大氣探測方法

表1 大氣探測方法解析

3 微波輻射計在現代大氣探測中的應用

3.1 微波輻射計應用于氣象學

主要應用在氣象學中氣象探測、地質探測、海洋探測、農林探測、軍事探測、醫療探測和天文等方面，能夠適應微波輻射計運行的平臺主要包括地基探測平臺、空基探測平臺和星基探測平臺，相關的應用領域包括大氣微波、陸地微波和海洋微波遙感。

3.2 微波輻射計應用于災害性天氣監測預報

3.2.1 臺風、風暴中心及其運動規律的監測

主要利用微波輻射計與大氣水汽的相互吸收性，實現微波輻射計對大氣水汽的吸收，進而反應出大氣水汽的特性和衰減規律，從而實現對臺風和風暴中心位置的判斷及確定。

福建強臺風“海貝思”的中心與運行規律監測，利用微波輻射計對臺風區進行探測，很快判斷出臺風的運行呈逆時針并且朝廈門方向運動，對此福建氣象臺就實際情況及需要，聯合廈門等地一起制定減少臺風破壞程度的辦法，使福建及廈門等地平安度過“海貝思”臺風期。

3.2.2 大氣含水量的監測

水作為大氣的重要元素之一，是直接形成各種氣候的關鍵元素，這意味著實現對大氣含水量的監測，就等于實現對大氣氣象、氣候及天氣的監測與預報。而微波輻射計的設計原理及運用原理就是利用雷達，對大氣進行含水量的感應，進而實現對大氣含水量的監測，微波輻射計監測大氣含水量時，通常都是通過對水汽總量與輻射亮度溫度的線性關系進行分析實現的，因為亮溫度越高，含水量就越高，越容易出現風雨天氣，甚至是臺風和暴風等。

3.2.3 輔助人工干預天氣和大氣溫度測量

人工降雨、降雪等都是已經成為很多發達城市的常用氣候控制形式，尤其是福建、廈門和上海等地氣候變化多端的城市，這些城市有的一年四季的不會下雪，而有的則降雨量少之又少，如新疆等地，這時就會用上人工降雨和降雪技術，而這些技術都是在微波輻射計進行高精度大氣探測的基礎上實現和應用的。人工降雪、降雨的原理，主要是通過微波輻射計探測出大氣中的水汽和液水含量，然后利用降水相關物理原理和化學性質，實現人工降雨、降雪等。

3.2.4 應用于海上降雨測量

海上降雨遠比內陸復雜，因為不但受到內陸風、大氣流等影響，還要受到海洋氣候、氣流及海洋運動的影響，所以為保證和提高海洋降雨探測精準度，必須使用微波輻射計進行大氣探測。

3.2.5 應用于大氣污染測量

人類的發展必定帶來大氣的污染問題，為解決大氣污染問題（如臭氧、一氧化碳和二氧化氮等有毒氣體。），創造健康美好的生活環境，必須使用微波輻射計必氣體的傳播進行測量，然后根據相應波長，結合氣體吸收特點，判斷和確定相應的有害氣體，波長是判斷有害氣體的關鍵。

例如個，2.53cm的波長可以監測出一氧化碳，2.4cm的波長可以監測出二氧化氮等。

3.2.6 應用于大氣湍流測量

大氣湍流通常都是發生在8000～16000m的晴空，形成晴空湍流，使空氣流發生不規律運動，導致空氣流混亂，進而造成飛行事故發生率的提高。氣流急劇運動的大氣層附近溫度比其他地方要高出1～5℃，而飛機在溫度升高5℃時，就要面臨因重力加速導致的湍流沖擊，使飛機飛行中的危險系數增加，甚至造成飛機事故，而將微波輻射計應用到大氣湍流測量，能夠監測并確定湍流方位、湍流距離和湍流強度等，進而實現飛機與湍流的避開，以確保飛機的安全飛行。

3.2.7 應用于季節性積雪測量

主要應用到微波輻射計中的積雪物理參數，包括雪的深度、雪水量、雪的密度、雪的溫度和雪顆粒的大小等，通過對這些參數的變化進行分析，然后根據分析結果，結合微波輻射計觀測的輻射亮溫值，利用微波輻射的傳輸特性，建立能微波輻射計中積雪物理參數與積雪輻射亮溫值的關系模型，進而實現對季節性積雪的測量。

4 結語

綜上所述，微波輻射計被應用于大氣探測，能夠有效探測出大氣中重要物質，如污染物質、云量以及云的成分等，實現了自動化和職能化大氣探測，對大氣探測的精確度起著不可代替的提高作用，成為微波遙感系統中重要組成部分，并占據重要位置。

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P407.7

A

2095-2066（2016）34-0246-02

2016-11-23

黃麗芬（1997-），女，工程師，本科，主要從事大氣探測工作。