地基微波辐射计探测质量综合分析.pdf
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1、书书书傅新姝,彭杰,王晓峰,等,地基微波辐射计探测质量综合分析气象,():,():()地基微波辐射计探测质量综合分析傅新姝彭杰王晓峰张燕燕陈哲吴峻石薛昊陈浩君上海市生态气象和卫星遥感中心,上海 上海市宝山区气象局,上海 上海市气象信息与技术支持中心,上海 提要:利用 年月至 年月上海宝山站地基微波辐射计亮温数据和探空资料,评估微波辐射计的探测质量,并讨论定标、天线罩性能等对探测质量的影响。结果表明:晴空条件下,微波辐射计实测亮温与模拟亮温一致性高,所有通道相关系数均超过 ,均方根误差为 ,其中氧气通道的探测准确性高于水汽通道。各通道偏差主要包括随机偏差、系统性偏差和季节性偏差三类,液氮定标能明
2、显减少大部分水汽通道的系统性偏差,但对氧气通道的影响相对较小。更换新型材质天线罩有助于明显降低降水天气各通道的亮温偏差,明显缩短受降水影响后的亮温恢复时长,效果维持个月左右。关键词:地基微波辐射计,亮温,评估,定标中图分类号:文献标志码:犇 犗 犐:,犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋:(),()国家重点研发计划()、上海市青年科技英才扬帆计划()、国家自然科学基金项目()和国家重点研发计划()共同资助 年月 日收稿;年月 日收修定稿第一作者:傅新姝,主要从事城市观测资料质量控制与综合应用研究 :通讯作者:彭杰,主要从事城市观测资料质量分析与综合应用研究 :第 卷 第 期年月气象 ,犓 犲 狔狑
3、狅 狉 犱 狊:,引言地基微波辐射计能够 小时持续观测、获得分钟级的温湿度廓线,是对常规探空的有益补充,在高影响天气过程监测及研究、人工影响天气、数值预报等方面有重要的应用价值(,;,;,;,;,;李金辉等,;丁虹鑫等,;黄治勇等,;杨文霞等,)。但是,受仪器自身及周围环境等多种因素的影响,地基微波辐射计资料的质量不稳定(,;李青等,;王振会等,),极大地限制了其在业务科研工作中的应用。对微波辐射计加强维护,并针对其探测资料开展系统质量评估与质量控制(傅新姝 和 谈 建 国,;刘 红 燕,;马 丽 娜 等,),提高资料的可用性,是提高其应用能力的关键环节。国内外学者对微波辐射计探测资料的精度、
4、偏差产生 原 因 等 开 展 了 很 多 研 究(,;,;王志诚等,;邹荣士等,;杨世昆等,)。一些研究指出,天气条件是影响探测精度的重要因素(,;,;车云飞等,;王志诚等,;孔凡超等,);降水条件下天线罩附着水层或雨滴粒子对微波信号的影响导致降水天气探测资料偏差较大(,)。但是,即使是在晴空条件下,微波辐射计观测精度仍会受到工作环境温度变化、硬件性能下降等其他因素的影响(,;李青等,;王振会等,),导致资料质量波动以及数据不连续。加强设备维护可以提高微波辐射计探测质量及其稳定性。定标、更换天线罩是目前主要维护手段,定期开展定标是获得高精度亮温数据的基础,提高天线罩性能有助于提高降水前后探测资
5、料的质量。但是,已有 研 究 指 出(,;,),定标时标定靶表面或辐射计天线罩上水汽凝结、周围环境等多种因素,导致液氮定标本身也会存在较大不确定性,使得探测资料出现不连续现象。王振会等()指出,即使定标时误差较小,后期仍然会因为工作环境变化产生偏差。因此,为获得质量稳定的长期探测资料,在开展定期维护的基础上,仍需要开展亮温质量系统性评估,深入分析数据不连续、偏差变化等现象及其成因,并探讨定标、天线罩更换等操作的影响及其改进措施。上海市气象局经过多年发展,特别是参与超大城市垂直综合气象观测技术研究及试验(以下简称为超大城市试验)以来,逐步布设了多台地基微波辐射计。微波辐射计探测质量如何,如何获得
6、质量稳定的探测资料,也是此次超大城市试验的研究目标之一。因此,本文以上海宝山站的微波辐射计为例,针对超大城市试验期间获得的亮温资料(一级数据)开展系统质量评估,深入分析偏差的分布特征及产生原因,并结合定期维护以及淋水试验资料,探讨定标、天线罩选材及其更换等对各通道探测准确性的影响。资料和方法 资料本评估试验选用安装在上海宝山站的 型 通道微波辐射计(通道信息如表所示),其中第第 通道位于水汽主要吸收波段(波段 附近),第 第 通道位于氧气主要吸收波段(波段 附近)。接收机技术方面,该设备采用多路直接检波体制。为充分认识该设备的性能和探测精度,于 年月至 年月(年月 日、日缺测)超大城市试验期间
7、开展了设备评估试验。评估试验期间数据获取率如图 所示。除 年月外,绝大部分月份数据获取率超过 ,设备运行稳定。与同站点探空资料对比时,选用:(北京时,下同)和:的平均亮温 气象 第 卷表微波辐射计各通道中心频率(单位:犌 犎 狕)犜 犪 犫 犾 犲犜 犺 犲犮 犲 狀 狋 狉 犪 犾 犳 狉 犲 狇 狌 犲 狀 犮 狔狅 犳 犮 犺 犪 狀 狀 犲 犾 狊狅 犳犿 犻 犮 狉 狅 狑 犪 狏 犲狉 犪 犱 犻 狅 犿 犲 狋 犲 狉狌 狊 犲 犱 犻 狀狋 犺 犻 狊 狊 狋 狌 犱 狔(狌 狀 犻 狋:犌 犎 狕)通道序号中心频率通道序号中心频率通道序号中心频率通道序号中心频率 图 年月至
8、年月评估试验期间宝山站各月份数据获取率 分别代表 时和 时的观测。为确保资料可靠性,试验期间定期开展天线罩更换、外部液氮定标等工作,如表所示。评估试验期间,液氮定标两次,更换天线罩共三次(更换天线罩材质一次)。液氮定标即外置一个注入液氮的定标靶作为冷辐射源,与机箱内部的热辐射源配合完成绝对定标。通过对比两次定标前后的亮温偏差,定量评估定标效果。此外,通过对比原有材质和新型材质的天线罩更换效果,探讨天线罩材质对微波辐射计探测精度的影响。参 考 资 料 为 同 站 点 同 期 每 日 两 次(时 和 时)的探空数据,上述资料已完成台站级质量控制。为挑选降水样本,采用同址同期的地面雨量计资料,时间分
9、辨率为 。表 年月至 年月宝山站微波辐射计定标及维护记录犜 犪 犫 犾 犲犔 犖 犮 犪 犾 犻 犫 狉 犪 狋 犻 狅 狀犪 狀 犱犿 犪 犻 狀 狋 犲 狀 犪 狀 犮 犲 狋 犻 犿 犲 狊狅 犳犿 犻 犮 狉 狅 狑 犪 狏 犲 狉 犪 犱 犻 狅 犿 犲 狋 犲 狉犪 狋犅 犪 狅 狊 犺 犪 狀犛 狋 犪 狋 犻 狅 狀犳 狉 狅 犿犑 狌 犾 狔 狋 狅犑 狌 犾 狔 序号日期(年月日)液氮定标及维护记录开始时间 结束时间 更换天线罩液氮定标:更换天线罩(选用新型材质:白膜)加装鼓风机导风塑料条:液氮定标:更换天线罩(白膜):评估方法首先,基于探空资料,利用 辐射传输模型(,;,
10、),计算微波辐射计 个通道的模拟亮温。该模型由美国 公司开发,采用 线型,相关参数(水汽的压力加宽系数、温度加宽系数、自加宽系数等)来自 数据库(,),水汽吸收谱采用 模型(),包括、和 等条强水汽吸收谱线,模型同时考虑了氧气、氮、二氧化碳和臭氧的压力加宽和自加宽效应,对氧气吸收线在微波频段的重叠情况也进行了处理(,)。然后,利用晴空无云和降水条件下的资料,深入分析微波辐射计实测亮温与模拟亮温的偏差及其分布特征,评估微波辐射计探测质量。参考车云飞等(),基于探空资料的相对湿度廓线数据,区分有第 期 傅新姝等:地基微波辐射计探测质量综合分析云和无云条件,基于雨量计资料,挑选降水样本。若无降水,且
11、整层大气相对湿度均低于,判定为晴空无云样本;若探空施放时段降水量,则定义为降水样本。评估试验期间,晴空和降水天气的样本数分别为 组和 组。最后,通过分析降水条件下亮温偏差和亮温恢复时长的变化,探讨天线罩性能对探测质量的影响。天线罩被水污染后,亮温偏差异常增大,天线罩变干后,亮温恢复正常值。亮温恢复时长的定义即为降水结束至亮温恢复正常的时间。参考 ()研究,计算降水开始之前测得的亮温平均值及标准差,降水之后,当亮温数值回到降水之前平均亮温的倍标准差之内,则认为亮温观测恢复正常。试验期间共挑选到两次相似的降水过程开展对比分析,年 月日(更换天线罩之前)和 年月日(更换天线罩之后)均发生了过程累计降
12、水量为 的弱降水,降水强度和持续时间十分接近。考虑到降水天气探测结果受雨滴粒子影响较大,在无降水天气另外开展了四次淋水试验(表),模拟雨水沾湿天线罩对探测结果的影响。对应的亮温恢复时长为淋水试验结束至亮温恢复正常的时间。为减少试验结果的不确定性,淋水试验之前人工检查天线罩清洁状态。表 年 月淋水试验记录犜 犪 犫 犾 犲犚 犲 犮 狅 狉 犱 狊狅 犳狑 犪 狋 犲 狉狆 狅 狌 狉 犻 狀 犵 狋 犲 狊 狋 狊 犻 狀犖 狅 狏 犲 犿 犫 犲 狉 序号试验日期淋水试验开始时间 淋水试验结束时间 :评估结果与分析晴空条件下亮温资料的质量主要反映设备本身的探测精度,而其他条件下受云和降水的影
13、响较大,为区分设备本身探测精度及其雨雾防护性能对探测质量的影响,针对晴空无云和降水条件分别开展评估分析。亮温准确性评估晴空条件下,微波辐射计实测亮温与模拟亮温一致性高,其中氧气通道一致性明显高于水汽通道。各通道实测亮温()与模拟亮温()的相关系数均超过 (达到 显著性水平,图),氧气通道的相关系数略高于水汽通道。对比分析同波段的各通道差异,波段(氧气通道)频率较高的通道实测亮温与模拟亮温的相关系数更高(接近),与此类通道位于氧气的吸收峰附近有关,同理,波段(水汽通道)频率较低通道的相关系数也相对更高。分别选取两个波段频率较低的通道(第通道和第 通道)和频率较高的通道(第 通道和第 通道),进一
14、步分析微波辐射计实测亮温与模拟亮温的对应关系。如图所示,虽然样本基本集中分布在参考线(狔狓)附近,但仍存在一定偏差。第通道样本分布比较离散,第 通道有部分样本的实测亮温略偏高,而第 通道的实测亮温略偏低。因此,下文对所有通道的亮温偏差进行统计分析。总体而言,水汽通道的相对误差和均方根误差均明显高于氧气通道,氧气通道的均方根误差随通道频率增加而降低,水汽通道的均方根误差先减小后增大。图 显示,波段绝大部分通道的实测亮温偏高,平均偏差在以内(图),除少部分通道(第 第 通道)外,各通道的相对误差基本低于(图),相对误差整体呈现随频率增加而增大的特征。而波段绝大部分通道实测亮温偏低,相对误差以随频率
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