MWP967KV型地基微波輻射計的研究進展

摘要：MWP967KV型地基微波輻射計由我國自主研發，其總體技術達到國際先進水平。該設備在運行過程中展現出穩定性和高效性，為氣象探測、天氣預報等業務提供了堅實的數據支持。微波輻射計通過紅外傳感器進行測量云底高度、云識別過程中，在觀測液態水含量較高的單層云或低層云時，準確性較高；觀測大范圍或厚云層時，該觀測設備展現出良好的效果。在在液態水含量較低、水平尺度較小或云層較薄的多層云、中高云層情況下，紅外傳感器的性能可以通過與其他氣象數據的綜合分析來進一步提升。

關鍵詞：地基微波輻射計"對流天氣"液態水"云底高度

Research"Progress"of"MWP967KV"Ground-Based"Microwave"Radiometer

WANG"Tianqi1，2，3""LAN"Chang4""WANG"Xiujuan1，2，3*

1."Jilin"Province"Meteorological"Disaster"Prevention"Technology"Center，"Changchun，"Jilin"Province，"130062"China;

2."Jilin"Province"People’s"Government"Joint"Open"Laboratory"for"Weather"Modification，"China"Meteorological"Administration，"Changchun，"Jilin"Province，"130062"China;

3."Jilin"Cloud"Physics"Field"Science"Experimental"Base"of"China"Meteorological"Administration，"Changchun，"Jilin"Province，"130062"China;

4."Jilin"Province"Meteorological"Information"Network"Center，"Changchun，"Jilin"Province，"130062"China

Abstract："MWP967KV"ground-based"microwave"radiometer"is"independently"developed"by"our"country，"the"overall"technicality"has"reached"the"international"advanced"level."The"device"demonstrates"stability"and"efficiency"during"operation，"and"it"provides"a"powerful"data"support"for"meteorological"detection，"weather"forecasting，"and"other"businesses."MWP967KV"ground-based"microwave"radiometer"uses"infrared"sensors"to"measure"cloud"base"height"and"identify"clouds."It"has"high"accuracy"in"observing"the"single-layer"or"low-level"cloud"with"larger"liquid"water"content;"When"observing"large"areas"or"thick"cloud"layers，"this"observation"device"exhibits"good"results."In"multi-layer"cloud"with"low"liquid"water"content，"small"horizontal"scales，"or"thin"cloud"layer"and"medium"to"high"cloud"layers，"the"performance"of"infrared"sensor"can"be"further"improved"through"comprehensively"analysis"with"other"meteorological"data.

Key"Words："Ground-based"microwave"radiometer;"Conductive"weather;"Liquid"water;"Cloud"base"height

近年來，隨著微波遙感技術的發展，微波輻射計的研究受到廣大學者的重視。微波輻射計以高時間分辨率、精確度、能夠長時間無人監控等特點而著稱，能夠有效采集液態水、水汽等相關信息。目前階段主要的觀測平臺有星載、機載、地基微波遙感等，其原理主要是通過對大氣中的水汽和液態水發射的微波輻射的接收[1，"2]。

地基微波輻射計具有相對時空分辨率較高且較為連續的特點[3]。通過記錄高空氣象數據可用于計算對流指數，同時可以實現對流層演化過程的實時監測分析，在探測大氣溫度、水汽、濕度和液態水含量廓線等要素可以達到以分鐘級進行記錄，探測要素記錄范圍為從地面到10"km高度，對探空資料在對流層中氣象要素的記錄發揮著重要的作用[4]。

1"現狀

現階段不同型號的微波輻射計通過多通道不同波段對大氣中的水汽和液態水變化情況進行記錄，本文主要論述的為MWP967KV型地基微波輻射計。地基微波輻射計通過利用紅外傳感器對云底高度的觀測行，其亮溫觀測數據受到日常降雨、降雪、云等因素的影響。我國微波輻射計技術的研究起始于20世紀70年代初期，經歷了從地基觀測到星載遙感，以及從單頻測量到多頻組網探測的技術演進，取得了豐碩的研究成果[5-7]。在大氣遙感領域，氧氣和水汽等特定分子在特定的諧振頻率上會產生顯著的微波輻射，這些輻射信號能夠被高靈敏度的微波輻射計所探測和量化，經過一定的轉換，得到大氣在垂直和水平方向上的氣象要素分布，并且還可以探測到云狀、云高以及目力無法觀測到的晴空湍流。增加探空網在時間和空間上的密度，能觀測到大氣的連續變化，不致漏掉范圍較小但變化劇烈的天氣系統。

現在較常見的微波輻射儀最初是由美國物理學家羅伯特·亨利·迪克于1946年采用的。成熟的微波輻射計技術具有單檢測器變頻技術和并行多檢測器技術，都采用K波段和V波段的水汽和氧氣通道觀測反演大氣的水汽和溫度信息。目前，基于并行技術的微波輻射計探測速度和穩定性遠遠高于單檢測器變頻技術，已經成為當今微波輻射計發展的重要方向。在積分時間充足的情況下，該系統能夠實施邊界層的高精度、多角度采樣，從而敏銳地捕捉到邊界層中的細微亮溫畸變，顯著增強了垂直方向上的熱紅外輻射分辨率。

2"MWP967KV型地基微波輻射計參數介紹

MWP967KV型地基微波輻射計是由中國兵器工業第二〇六研究所與蘭州大學于2009—2013年聯合開發，是我國擁有完整自主知識產權且自主研發的新型大氣微波遙感探測設備，國產化率達到90%以上，并能實現在無人值守情況下的連續觀測，通過雙頻段組合低副瓣毫米波天線、雙頻短寬帶毫米波接收機、多傳感器集成一體化設計和大氣溫室廓線實時遙感的能力[8]。作為首臺我國自主研制的新型大氣微波遙感探測設備，具有智能化、多功能化、自動化和高精度等優點。

該地基型微波輻射計的核心構成紅外線探測傳感器、溫濕壓和降水傳感器等組成，該系統能夠對多頻段的亮溫度量信息進行有效捕捉。該系統通過集成的溫濕壓傳感器收集地面溫濕壓信息，并利用神經網絡算法反演得到大氣層結構數據[9]。云低信息由紅外傳感器采集形成紅外亮溫數據，結合大氣層結構數據，進而得到云底高度信息；是否發生降雨由降水傳感器進行監測。系統架構如圖1所示。在K波段和V波段，系統共設有35個探測頻點，包括21個水汽通道和14個氧氣通道，其中22個頻點為主要工作頻點[10]。該系統配備了多種定標技術，如內部黑體定標、噪聲源定標、天空傾斜定標、液氮定標等，以確保探測精度。通過這些技術，系統能夠連續監測大氣中的水汽和氧氣微波輻射信號，從而獲取大氣輻射亮溫。結合人工神經網絡算法和歷史探空資料，系統能夠實時自動反演出大氣頂層的溫度、濕度、云水分布、水汽含量、液態水的含量等關鍵大氣參數。通過本型號微波輻射計個例數據與其他無線電探空數據的對比研究分析，發現數據間的準確度和相關性均較為顯著、精度較高，同時發現晴天數據的準確度高于對流天氣[11-12]。這也證明MWP967KV型地基微波輻射計的檢測精度可靠性較強，可以通過與區域內其他氣象新資料和傳統氣象數據開展多領域應用。

3"微波探測溫濕廓線原理分析

水汽在大氣中僅占0.1%～3%，但作為降水的必要條件在大氣中扮演著易變的重要角色[13]。大氣中的云液態水主要以云和霧的形式存在，其中云水含量的關鍵參數涉及液態水含量和路徑。這些參數是決定人工增雨作業條件的關鍵因素，也是評估增雨潛力的主要指標[14]。因此，在實施人工影響天氣的活動中，深入研究水汽和云液態水對提升人工影響天氣的效率具有重要意義。

對于大氣而言，有多種氣體在微波波段具有吸收作用，如大氣中含量較高的水汽（H2O）和氧氣（O2），二者在探測大氣微波輻射的波段也具有十分重要的作用。但臭氧（O3）、二氧化碳（CO2）、二氧化硫（SO2）等氣體成分含量十分稀少，在大氣中的吸收和輻射過程產生的作用微乎其微。微波輻射計觀測的數據會以亮溫的形式保存為LV1數據，探空資料分為晴空和有云2個類別，通過BP神經網絡反演的方式可以獲得大氣溫度、濕度層結數據信息結果LV2，LV2數據可通過神經網絡從LV1數據正向計算獲得，具體原理如圖2。

圖2"反演原理圖

在強對流天氣下，通過對微波輻射計的水汽密度廓線進行精度分析，發現在1"km內微波輻射計準確度最高，微波輻射計和模式模擬可以作為探空資料的補充結合分析[15]。鄭颯颯[16]通過基于微波輻射計反演四川盆地水汽及云液態水的分析，對比在不同時間和季節的云液態水含量，發現微波輻射計反演的水汽含量可信度極高，地基微波輻射計探測的水汽和云液態水對降水天氣的預報具有一定的指示意義，能夠為降水天氣的預報提供科學的參考依據。舒婷婷等人[17]通過分析地基水汽微波輻射計測量的斜路徑濕延遲在固定距離的測量誤差，發現在設備測量不同仰角時對應的不同量級可忽略不計。

4"云底高度觀測原理

云底高度數據工作原理是利用內置的紅外傳感器來獲取云底的紅外亮溫信息，然后將這些信息與反演得到的濕度剖面和大氣溫度數據相結合，以計算出云底高度。MWP967KV型地基微波輻射計裝備的紅外傳感器操作波長為11"μm，能夠探測輻射計正上方天空的紅外輻射強度，并以亮溫的形式呈現測量結果[18]。

紅外傳感器在晴朗天氣下接收的紅外輻射主要來源于大氣和宇宙背景，其溫度探測分辨率高達0.3"℃，探測溫度范圍介于-50～3"000"℃之間[19]。當有云存在時，紅外傳感器接收到的輻射通常會強于晴空條件，這是因為云的紅外輻射能量同樣被傳感器所捕獲。實際測量數據顯示，紅外傳感器都會接收到來自輻射計天頂的紅外能量，因此即使在晴朗天氣下，也可能提供云底高度的信息，盡管此時輻射計天頂實際上并無云層[20]。同時，相對濕度剖面情況也會影響云層識別任務的執行，云層和降水的存在可能會對地基微波輻射計反演的LV2數據質量造成影響，尤其是在云層厚重且伴有強降水的情形下。馬明等人[21]通過多個案例的比較研究，驗證了微波輻射計在識別過冷水云算法的準確性，并證實了微波輻射計提供的云底高度作為一種獨立的觀測數據源，能夠補充其他觀測設備的數據，增強觀測數據的綜合性和可靠性。

5"結語

微波輻射計在連續、垂直的氣象數據觀測上發揮了重要作用，它采用BP神經網絡技術，能夠將原始的LV1數據實時轉換為更高級別的LV2數據，這一過程包括了對大氣溫度、濕度、水汽含量和液態水含量廓線數據的精確反演。對比來說，在測量云底高度過程中，我國的MWP967KV型微波輻射計搭載紅外傳感器在觀測液態水含量較高的單層云或低層云時準確性較高，觀測大范圍或厚云層時更具與可靠性。此外，微波輻射計的氣象觀測能力在與多種氣象數據相結合進行綜合分析時，能夠發揮更加出色的效果。

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