微波輻射計(jì)在現(xiàn)代大氣探測(cè)中的應(yīng)用

黃麗芬，馬海波

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

微波輻射計(jì)在現(xiàn)代大氣探測(cè)中的應(yīng)用

黃麗芬1，馬海波2

（1.福建省氣象臺(tái)，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(jì)的概念、特點(diǎn)和種類等，然后結(jié)合大氣探測(cè)對(duì)象、規(guī)范特點(diǎn)和原理，對(duì)微波輻射計(jì)在現(xiàn)代大氣探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。

微波輻射計(jì)；特點(diǎn)；種類；應(yīng)用

本文根據(jù)福建變化莫測(cè)、臺(tái)方發(fā)生率大、海風(fēng)頻繁等氣候特點(diǎn)及實(shí)際情況，對(duì)微波輻射計(jì)在現(xiàn)代大氣探測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行分析。因福建地處東南沿海地區(qū)，導(dǎo)致福建除了要面對(duì)西北方向的內(nèi)陸風(fēng)及相關(guān)氣候以外，還要面對(duì)來自東南沿海海風(fēng)及氣候的影響，使福建省的氣候變化萬千，如強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”和“海貝思”，不但危機(jī)到福建本地區(qū)人民的人身安全，還危機(jī)到臺(tái)灣等周邊地區(qū)的安全，但其危害系數(shù)都在大氣探測(cè)部門高效探測(cè)服務(wù)的幫助下得到了有效，有效證實(shí)了微波輻射計(jì)高效應(yīng)用于現(xiàn)代大氣探測(cè)中的重要性與必要性。

1 微波輻射與微波輻射計(jì)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(shí)質(zhì)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(yīng)性強(qiáng)、保密性等特點(diǎn)，與相應(yīng)的雷達(dá)進(jìn)行感應(yīng)主要是靠微波遙感及接收感應(yīng)，將感應(yīng)出來的輻射信號(hào)被其他設(shè)備接收，實(shí)現(xiàn)微波輻射計(jì)的檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣的探測(cè)。被探測(cè)到的微波頻段，其電磁能信號(hào)一般很微弱，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于輻射計(jì)的噪聲功率。

1.2 微波輻射計(jì)

微波輻射計(jì)實(shí)質(zhì)上是指寬頻帶、高增益和高靈敏度的被動(dòng)微波遙感儀器，主要由天線、數(shù)據(jù)記錄存儲(chǔ)裝置和寬帶接收機(jī)組成，通過對(duì)數(shù)據(jù)信號(hào)的處理，將背景噪聲中微弱信號(hào)進(jìn)行量化，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的提取，具有很強(qiáng)的穿透力，能夠穿透云霧和雨雪，并且能夠進(jìn)行全天候的信號(hào)處理和獲取，足以證實(shí)微波輻射計(jì)顯著優(yōu)于紅外遙感器。微波輻射計(jì)的微波頻率可以劃分為 L、S、C、X、Ku、K和 Ka，對(duì)應(yīng)的頻率分別為 1.4GHz、2.65GHz、6.6GHz、10.65GHz、13.9GHz、18.7GHz、37GHz。根據(jù)這些頻率劃分可以將微波輻射計(jì)劃分為全功率微波輻射計(jì)、Dicke型微波輻射計(jì)和數(shù)字增益自動(dòng)補(bǔ)償微波輻射計(jì)，微波輻射計(jì)接收通道原理見圖1。

圖1 微波輻射計(jì)接收通道原理圖

1.3 微波輻射計(jì)提供的主要大氣信息

隨著高科技技術(shù)在微波輻射計(jì)中應(yīng)用，使微波輻射計(jì)在原來的基礎(chǔ)上，又得到了大氣信息量上的提高，現(xiàn)時(shí)代的微波輻射計(jì)不但可以提供高精度的大氣綜合參數(shù)（如亮溫、液態(tài)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(shù)的分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣元素的垂直廓線分析（如溫度垂直、水汽強(qiáng)度、液態(tài)水強(qiáng)度廓線等）；更能夠?qū)崿F(xiàn)理想測(cè)量值探測(cè)（如主動(dòng)雷達(dá)觀測(cè)信息、激光雷達(dá)觀測(cè)信息等），有效實(shí)現(xiàn)了不同雷達(dá)觀測(cè)資料的融合性。

2 現(xiàn)代大氣探測(cè)的簡單概述

2.1 大氣探測(cè)的對(duì)象、范圍和特點(diǎn)

①大氣探測(cè)的對(duì)象：大氣狀況、氣象要素和天氣現(xiàn)象及變化過程；②大氣探測(cè)的范圍：離地面較近的地層大氣、高空大氣和特殊區(qū)域大氣，如大氣的邊界層，城市的熱島環(huán)流，峽谷的風(fēng)場(chǎng)，海陸的風(fēng)場(chǎng)等；③大氣探測(cè)的特點(diǎn)：包括大氣探測(cè)要素多樣化、大氣探測(cè)要素大量化、空間范圍擴(kuò)展化、大氣探測(cè)要素多樣化和探測(cè)內(nèi)容豐富化等特點(diǎn)。

2.2 大氣探測(cè)方法

表1 大氣探測(cè)方法解析

3 微波輻射計(jì)在現(xiàn)代大氣探測(cè)中的應(yīng)用

3.1 微波輻射計(jì)應(yīng)用于氣象學(xué)

主要應(yīng)用在氣象學(xué)中氣象探測(cè)、地質(zhì)探測(cè)、海洋探測(cè)、農(nóng)林探測(cè)、軍事探測(cè)、醫(yī)療探測(cè)和天文等方面，能夠適應(yīng)微波輻射計(jì)運(yùn)行的平臺(tái)主要包括地基探測(cè)平臺(tái)、空基探測(cè)平臺(tái)和星基探測(cè)平臺(tái)，相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)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(jì)應(yīng)用于災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

3.2.1 臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴中心及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律的監(jiān)測(cè)

主要利用微波輻射計(jì)與大氣水汽的相互吸收性，實(shí)現(xiàn)微波輻射計(jì)對(duì)大氣水汽的吸收，進(jìn)而反應(yīng)出大氣水汽的特性和衰減規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴中心位置的判斷及確定。

福建強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“海貝思”的中心與運(yùn)行規(guī)律監(jiān)測(cè)，利用微波輻射計(jì)對(duì)臺(tái)風(fēng)區(qū)進(jìn)行探測(cè)，很快判斷出臺(tái)風(fēng)的運(yùn)行呈逆時(shí)針并且朝廈門方向運(yùn)動(dòng)，對(duì)此福建氣象臺(tái)就實(shí)際情況及需要，聯(lián)合廈門等地一起制定減少臺(tái)風(fēng)破壞程度的辦法，使福建及廈門等地平安度過“海貝思”臺(tái)風(fēng)期。

3.2.2 大氣含水量的監(jiān)測(cè)

水作為大氣的重要元素之一，是直接形成各種氣候的關(guān)鍵元素，這意味著實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣含水量的監(jiān)測(cè)，就等于實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣氣象、氣候及天氣的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。而微波輻射計(jì)的設(shè)計(jì)原理及運(yùn)用原理就是利用雷達(dá)，對(duì)大氣進(jìn)行含水量的感應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣含水量的監(jiān)測(cè)，微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)大氣含水量時(shí)，通常都是通過對(duì)水汽總量與輻射亮度溫度的線性關(guān)系進(jìn)行分析實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)榱翜囟仍礁撸烤驮礁?，越容易出現(xiàn)風(fēng)雨天氣，甚至是臺(tái)風(fēng)和暴風(fēng)等。

3.2.3 輔助人工干預(yù)天氣和大氣溫度測(cè)量

人工降雨、降雪等都是已經(jīng)成為很多發(fā)達(dá)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(huì)下雪，而有的則降雨量少之又少，如新疆等地，這時(shí)就會(huì)用上人工降雨和降雪技術(shù)，而這些技術(shù)都是在微波輻射計(jì)進(jìn)行高精度大氣探測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用的。人工降雪、降雨的原理，主要是通過微波輻射計(jì)探測(cè)出大氣中的水汽和液水含量，然后利用降水相關(guān)物理原理和化學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)人工降雨、降雪等。

3.2.4 應(yīng)用于海上降雨測(cè)量

海上降雨遠(yuǎn)比內(nèi)陸復(fù)雜，因?yàn)椴坏艿絻?nèi)陸風(fēng)、大氣流等影響，還要受到海洋氣候、氣流及海洋運(yùn)動(dòng)的影響，所以為保證和提高海洋降雨探測(cè)精準(zhǔn)度，必須使用微波輻射計(jì)進(jìn)行大氣探測(cè)。

3.2.5 應(yīng)用于大氣污染測(cè)量

人類的發(fā)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(chuàng)造健康美好的生活環(huán)境，必須使用微波輻射計(jì)必氣體的傳播進(jìn)行測(cè)量，然后根據(jù)相應(yīng)波長，結(jié)合氣體吸收特點(diǎn)，判斷和確定相應(yīng)的有害氣體，波長是判斷有害氣體的關(guān)鍵。

例如個(gè)，2.53cm的波長可以監(jiān)測(cè)出一氧化碳，2.4cm的波長可以監(jiān)測(cè)出二氧化氮等。

3.2.6 應(yīng)用于大氣湍流測(cè)量

大氣湍流通常都是發(fā)生在8000～16000m的晴空，形成晴空湍流，使空氣流發(fā)生不規(guī)律運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致空氣流混亂，進(jìn)而造成飛行事故發(fā)生率的提高。氣流急劇運(yùn)動(dòng)的大氣層附近溫度比其他地方要高出1～5℃，而飛機(jī)在溫度升高5℃時(shí)，就要面臨因重力加速導(dǎo)致的湍流沖擊，使飛機(jī)飛行中的危險(xiǎn)系數(shù)增加，甚至造成飛機(jī)事故，而將微波輻射計(jì)應(yīng)用到大氣湍流測(cè)量，能夠監(jiān)測(cè)并確定湍流方位、湍流距離和湍流強(qiáng)度等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)與湍流的避開，以確保飛機(jī)的安全飛行。

3.2.7 應(yīng)用于季節(jié)性積雪測(cè)量

主要應(yīng)用到微波輻射計(jì)中的積雪物理參數(shù)，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(duì)這些參數(shù)的變化進(jìn)行分析，然后根據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合微波輻射計(jì)觀測(cè)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(jì)中積雪物理參數(shù)與積雪輻射亮溫值的關(guān)系模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)季節(jié)性積雪的測(cè)量。

4 結(jié)語

綜上所述，微波輻射計(jì)被應(yīng)用于大氣探測(cè)，能夠有效探測(cè)出大氣中重要物質(zhì)，如污染物質(zhì)、云量以及云的成分等，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化和職能化大氣探測(cè)，對(duì)大氣探測(cè)的精確度起著不可代替的提高作用，成為微波遙感系統(tǒng)中重要組成部分，并占據(jù)重要位置。

[1]黨張利，張京朋，曲宗希，等.微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)在降水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].干旱氣象，2015，33（2）：340～343.

[2]雷連發(fā)，盧建平，朱 磊，等.多通道地基微波輻射計(jì)大氣遙感[J].遙感學(xué)報(bào)，2014，18（1）：180～191.

[3]張文剛，徐桂榮，顏國跑，等.微波輻射計(jì)與探空儀測(cè)值對(duì)比分析[J].氣象科技，2014，42（5）：737～741.

[4]黃曉瑩，毛偉康，萬齊林，等.微波輻射計(jì)在強(qiáng)降水天氣預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J].廣東氣象，2013，35（3）：50～53.

[5]敖 雪，王振會(huì)，徐桂榮，等.地基微波輻射計(jì)資料在降水分析中的應(yīng)用[J].暴雨災(zāi)害，2011，30（4）：358～365.

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(cè)工作。