机载微波辐射计测云中液态水含量_反演方法
机载微波辐射计测云中液态含水量
机载微波辐射计测云中液态含水量Ξ金德镇 雷恒池(吉林省人工影响天气办公室,长春,130062) (中国科学院大气物理研究所,北京,100029)谷淑芳 魏 重(吉林省人工影响天气办公室,长春,130062) (中国科学院大气物理研究所,北京,100029)郑娇恒 张景红 李茂伦 陈知新 沈志来 (吉林省人工影响天气办公室,长春,130062) (中国科学院大气物理研究所,北京,100029)摘 要 文中介绍了2001～2002年4～7月吉林省人工增雨期间,在中国首次进行的机载对空微波辐射计外场飞行观测试验。
观测结果表明,仪器可以灵敏地探测出层状云中垂直路径积分云液态水和过冷水含量及其变化,揭示了在层状云中嵌入的对流区中有丰富的垂直积分过冷水含量,量级可达103g/m2。
与地面雷达PPI回波强度呈正相关。
本文还根据飞机上升(或下降)过程的探测数据,给出了水平均匀的层状云液态含水量的垂直廓线的实例,并进一步讨论了这种方法的应用前景。
关键词:机载微波辐射计,云过冷水,云液水,遥感探测。
1 引 言云中液态含水量是云和降水过程研究的一个极为重要的物理参数,而云中过冷水含量则是人工影响降水需要特别关注的量。
目前,由于测量手段不多,云液水和过冷水含量定量资料十分缺乏。
在已有的探测手段中,比较早发展的是直接探测仪器。
在20世纪40～70年代,用手动含水量仪测量云中液态水含量,主要原理是滤纸色斑法。
这种方法对于人们最初定量研究云中液态水含量起到重要作用。
但是,手工操作的低取样率和烦琐的资料处理方式限制了它的应用,之后,有一些自动记录装置出现[1]。
到目前为止,常用的自记仪器有J W热线含水量仪,K ing-CSIRO热线含水量仪,由PMS生产的FSSP-100测得的粒子浓度推导出的含水量,云滴碰撞-复制仪,还有Rosemount生产的专门用于测量过冷水的结冰探测仪[2]等等。
直接测量的局地准确性高,但是,它的取样体积十分有限,取样代表性不理想。
微波辐射计遥感测量大气水汽含量和液态水含量
微波辐射计遥感测量大气水汽含量和液态水含量近年来随着遥感技术在大气物理学领域的发展，被用作大气水汽含量以及液态水含量的测量已经变得更加重要。
在过去，微波辐射计是被广泛应用于大气水汽含量和液态水含量测量的有效工具。
本文主要研究微波辐射计遥感在大气水汽含量以及液态水含量测量的机理和应用。
微波辐射计是一种特殊的遥感仪器，它可以测量大气中的水汽和液态水含量，它能够从不同频率的微波线束获取信号。
微波辐射计同样也可以测量大气中液态水含量，所以它能够同时获取大气水汽和液态水含量的信息。
微波辐射计在大气水汽和液态水测量方面具有许多优势，它可以测量液态水含量和大气水汽含量，而且它的数据收集速度比传统的气象仪器快得多。
另外，微波辐射计的测量数据可以用来反演大气中大气水汽和液态水含量的信息。
反演是指将多源辐射和反射辐射数据转换为地表特性的过程，通过反演，就可以推断大气中大气水汽和液态水含量的数据。
另外，微波辐射计可以提供空间分辨率和深度分辨率很高的测量数据，因此可以更好地反映大气中液态水含量的变化，它们在进行水汽测量方面能够获得更准确的结果。
微波辐射计在大气水汽含量和液态水含量测量方面有很多优势和应用，首先，它可以快速测量大气水汽和液态水含量，不受地形的限制，能够从较远的距离获取信号；其次，它能够提供空间分辨率和深度分辨率更高的测量数据；最后，它可以提供高精度的测量结果，从而使科学家可以更准确地估计大气水汽含量和液态水含量。
因此，微波辐射计遥感测量大气水汽含量以及液态水含量是一项非常重要的研究方向，它具有快速、精确、可靠以及全面覆盖等优点，在大气物理学领域有着广泛的应用。
未来，将延续研究新的微波辐射计算法，以更好地反映大气水汽和液态水含量变化，以期达到更精确的测量结果。
综上所述，微波辐射计遥感测量大气水汽含量和液态水含量的机理和应用非常重要，它被用于不同的大气水汽和液态水物理学研究中，在反演大气中大气水汽和液态水含量的研究领域中也有着重要的应用。
机载微波辐射计测云中液态水含量_I_仪器和标定
文章编号:100020534(2003)0620551207 收稿日期:2003201220;改回日期:2003204211 基金项目:国家自然科学基金项目(40275002);吉林省人工影响天气开放试验室部分基金共同资助 作者简介:雷恒池(1960—),男,陕西蓝田人,硕士,研究员,主要从事人工影响天气和酸雨方面的研究 E 2mail :leihc @机载微波辐射计测云中液态水含量(I ):仪器和标定雷恒池1, 魏 重1, 沈志来1, 张晓庆1,金德镇2, 谷淑芳2, 李茂伦2, 张景红2(1.中国科学院大气物理研究所,北京 100029;2.吉林省人工降雨防雹办公室,吉林长春 130062)摘 要:简要介绍为研制机载对空测云微波辐射计所做的预研究,结果确认了研制这样的单频机载微波辐射计的可行性,并明确了仪器的技术难点,给出了针对技术难点提出的设计方案和技术指标。
本文还介绍了对仪器进行灵敏度测试的实验方法和结果。
实验室测试和晴空飞行测试表明,在一定的条件下,仪器灵敏度指标达到0.2K;还较详细地介绍了几种实用的标定方法,并讨论了它们的适用范围和不确定性。
关键词:机载微波辐射计;云液水;云过冷水;标定;灵敏度中图分类号:P414文献标识码:A1 引言 云液态含水量是一个极为重要的云物理参数,而云中过冷水含量则是人工影响天气领域中特别关注的量。
目前由于测量的手段不多,已有的手段又各有其局限,结果造成云液态水和过冷水含量定量资料十分缺乏。
在已有的探测手段中,地对空微波辐射计以其高时间分辨率、高探测精度、可无人值守连续工作,以及从混合相态的云中探测出过冷液水的含量等一系列特点,在中小尺度和人工增雨领域得到广泛的应用,成为一种新型的测云液水的工具。
但是,地基仪器难以快速移动,从而限制了它的探测范围,难以满足中小尺度研究的需要。
在20世纪80年代,Robert 等[1]就指出,在飞机上安装遥感仪器是研究中小尺度问题的必然发展趋势。
机载微波辐射计反演云液水含量的云物理方法
１ Ｉ ｓｉ ｔ ｏ ｍ ｓ ｈ ｒｃＰ ｙ ｉｓ ｈ ｎ ｓ ａ ｅ ｆ Ｓ ｉｎ ｅ ， ｅｊｎ １ ０ ２ ｎ ｔ ｕｅ ｆ Ａｔ ｐ ｅ ｉ ｈ ｓ ，Ｃ ｉｅ ｅ ｔ ｏ ｃ Ａｃ ｄ ｍｙ ｏ ｃ ｃｓ Ｂ ｉｉｇ ｅ ００９ ２ Ｎａ ｉｇ Ｕ ｉｅ ｓｔ ｆ Ｉ ｆ ｒ ｔ ｎＳ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ，Ｎａ ｊｎ ２ ０ ４ ｎ ｎ ｖ ｒｉ ｏ ｎ ｏ ｍａ ｉ ｃｅ ｅａ ｄ Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｙ ｏ ｎ ｎ ｉｇ １０ ４
ｗａ ｅｒｄｏ ｔｒｕ ｉｇ ａｃ ｕ ｖ ａ ｉｍｅｅ ｓ ｌ ｄｍｏ ｅ ｎ ｏ ｄ １ ｈ ｎ ｓ Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＡｔ ｏ ｐ ｅ ｉ Ｓ ｉｎ ｅ ｉ ．Ｃ ｉ ｅｅ ｏ ｒ ａ ｏ ｍ ｓ ｈ ｒ ｃｅ ｃｓ（ｎＣｈｎ ｓ ） ０ ８ ２（ ） ０ １ １ ８ ｃ ｉｅ ｅ ，２ ０ ，３ ５ ：１ ７ ￣ ０ ２
文章编 号
１０ ９ ９ ２０ ） ５ ０ １ ２ ０ ６— ８ ５（０ ８ ０ —１ ７ —１
中图分类号
Ｐ ２ ４６
文献标 识码
Ａ
Ｒｅ ｒｅ ａ ｅ ｈ ｄ ｏ ｔ — ｎ ｅ ｒ ｔ ｄ Ｃｌｕ ｑ ｉ ａ ｅ ｎｔｎ ｏ ｔｉｖ ｌＭ ｔ ｏ ｆＰａ ｈ Ｉ ｔｇ ａ ｅ ｏ ｄ Ｌｉ ｕ ｄ Ｗ ｔ ｒＣｏ ｅ ｔｆ ｒ Ａｉｂ ｒ ｅＵｐｗａ ｄ Ｌｏ ｋ ｎ ｉｒ ｗａ ｅＲａ ｏ ｅ ｅ ｉ ｇ ａ Ｃｌｕ ｏ ｅ ｒｏ ｎ ｒ － ｏ ｉ ｇ Ｍ ｃ ｏ ｖ ｄｉｍ ｔ ｒＵｓｎ ｏ ｄ Ｍ ｄ ｌ
反演 系数 ，与用历史探空统计资料作相对湿度诊断产生云样本的反演方法进行了 比较 ，并通过 因素分 析 、 数值模
利用新一代天气雷达资料反演云体含水量
引 言
２ ０世 纪 ７ 年 代 ， ｒｅｅ等 提 出 了 一 种 新 的 利 ０ Ｇ ｅｎ 用 雷 达 数 字 回 波 资 料 计 算 的 预 报 因 子 — — 垂 直 累 积 液 态 含 水 量 （ ｅｔ ａ Ｉｔｇａ ｄＬｑ ｉ ， 称 Ｖ Ｌ ， Ｖ ｒｃｌ ｎｅｒｔ ｉｕｄ 简 ｉ ｅ Ｉ ）
尺 度 天 气 。 。 。 １ １ 雨滴 的 Ｍ — ． Ｐ分 布 和 含 水 量
等 的判别 指标 ， 对合 肥 多 普 勒 天 气雷 达 观 测 到 的 超
级单 体作 了分 析 ， 明 了这 些 指 标 同样 适 用 于合 肥 证
的情 况 。 潘 江 和 张 培 昌 利 用 垂 直 累 积 液 态 含 水
回波 顶高 之 比来 求 Ｖ Ｌ密度 ， 应 用于 冰雹判 别 ， Ｉ 并 得
到 一 些 判 别 指 标 。 国 内 ， 媛 媛 等 利 用 Ａ ｕｎ 郑 ｍｂ ｒ
明 ：多普 勒 天 气 雷达 （ ｏｐｅ ａ ｅ Ｒ ｄ ｒ 能 非 Ｄ ｐ ｌｒ Ｗｅｔ ｒ ａａ ） ｈ
常有 效地监 预测 短时 天气 、 强天气 ， 其是 雷暴 等 中 尤
徐 泉 丽 ，于保 安 ，张 勇 ，张 素 霞
（ ． 密 市 气 象 局 ， 南 新 密 ４ ２７ ２ 南 京 信 息 工 程 大 学 ， 京 ２ ０４ ） １新 河 ５ ３０； ． 南 １０ ４
摘 要 ：利 用 多普 勒 天 气 雷 达 探 测 的反 射 率 因子 ｚ与 含 水 量 的 ｚ一 经 验 关 系 武 ， 演 云 体 含 水 量 。 计 算 反 域定 为 以 雷 达 站 为 中 心 、 平 边 长 为 １ ０ｋ 的正 方 形 格 点 域 ， 直 高 度 为 ３ ｍ， 辨 率 是 １ｋ 水 ５ ｍ 垂 ０ｋ 分 ｍ×１ｋ ｋ ｍ Ｘ１ ｍ。 通
【国家自然科学基金】_云液态水含量_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
科研热词 推荐指数 辐射雾 1 辐射传输模式 1 液水含量 1 液态水含量 1 机载微波辐射计 1 数值模拟 1 敏感性试验 1 层状云 1 反演方法 1 云粒子谱 1 云微物理 1 云中垂直路径的液态水含量 1 一维层状云模式 1 pms 1
科研热词 观测 短波辐射强迫 液态含水量 海雾 浅积云 日全食 新一代天气雷达 微波辐射计 影响 小波分析 增雨 垂直非均一云 准周期振荡 净长波辐射通量 中尺度模式 sbdart gps/met
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2014年 科研热词 海面风场 机载探测 数值模拟 微物理特征 层状云 台风 可播性 全极化微波辐射计 云滴谱 云微物理量 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2013年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
科研热词 飞机结冰 飞机探测 雷达反射率因子 降水 防冰系统 西南低涡 短时强降雨 气象条件模拟 日变化特征 微物理过程 微波辐射计 层状云 大气水汽 参数测量 云液态水含量 中尺度对流系统(mcs)
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
科研热词 推荐指数 人工增雨 2 飞机观测 1 降水粒子下落速度和谱宽 1 降水机制 1 观测分析 1 毫米波云雷达和飞机观测 1 有效粒子半径 1 垂直分布 1 云降水微物理参数 1 云水含量 1 云微物理结构 1 云分数 1 主动卫星遥感 1 中尺度云系 1 东北冷涡 1
微波辐射计遥感测量大气水汽含量和液态水含量
微波辐射计遥感测量大气水汽含量和液态水含量近年来，随着气象监测技术的发展，微波辐射计遥感由于具有无需气象站仪器实施测量和大范围覆盖能力等优点，在研究大气中水汽含量和液态水含量方面越来越受到重视。
微波辐射计遥感可以采用较大量程和多波段反射率观测大气水汽含量，有利于改进大气水汽传输中的质量及风速场的质量。
因此，在研究大气中的水汽含量和液态水含量方面，微波辐射计遥感具有重要的应用价值。
微波辐射计遥感是利用微波辐射传感器，对大气中的水汽含量和液态水含量进行实时测量的方法。
微波辐射传感器可以直接收集大气中的微波辐射，并且可以精确地计算大气中的水汽含量。
微波辐射传感器的设计具有多种特点，包括探测范围、时间分辨率、空间分辨率和精确程度等。
微波辐射计遥感可以被用于多种应用，包括海洋预报、大气状况预报、气候模型、长期数据收集和分析等。
微波辐射计遥感可以实现多种形式，包括实施固定地点的大气水汽含量和液态水含量，以及实施流动水汽含量和液态水含量的活动测量。
微波辐射计遥感还可以用于像质量、湿度和温度等参数的定期监测和观测，以及其他应用。
当前，微波辐射计遥感技术正在不断发展，可以实现更高的精确度和更好的技术效益。
此外，它还可以实现多种多样的参数的实时监测，可靠性较高。
尽管微波辐射计遥感技术可以实现较高精度的水汽含量和液态水含量测量，但这项技术也具有一定的局限性，包括受到地形和地物的影响，以及时间分辨率和空间分辨率较低等。
因此，在实施微波辐射计遥感测量大气水汽含量和液态水含量时，应该重视这些影响因素，并努力改进技术，以提高测量精度。
同时，应该注意把握好测量精度与投资成本之间的平衡，并加强对大气环境变化的关注，以实现可持续发展。
综上所述，微波辐射计遥感技术在大气水汽含量和液态水含量的测量方面具有重要的应用价值，但它仍然存在许多局限性，因此需要对技术进行改进，以进一步提高其测量精度。
层析法微波辐射计遥感反演云液水含量的二维垂直分布
摘
要
通过机载双天线微波辐射计 的观测数据层析反演 出云液水 的空间分布是一个有 限角度 的图像 重建问题 。
为提高这一反问题的适定性 ， 文对 已有 的正则化方法进 行 了改 进 ： 据云液 水 的分 布特征选 择 ｗ 。 间范 数 本 根 空
的离散形式作为正则项 ； 通过数值模 拟试验确定双天线 仰角 的最 优设 置方案为 （０ ， ０）等。为避免已有方法中 ３。 ９。
第３ ４卷 第 ５ 期
２１ ０ ０年 ９月
大
气
科
学
Ｖｏ ． ４ ＮＯ ５ １３ ．
Ｓｅ ． ２ ０ ｐｔ ０１
Ｃｈｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ ｍｏ ｐ ｅ ｉ Ｓ ｉｎ ｅ ｉｅ ｅ Ｊ ｕ ｎ ｌｏ Ａｔ ｓ ｈ ｒｃ ｃｅ ｃ ｓ
周琚 ， 雷恒池 ，陈洪滨 ， 等．２ １．层析法微波辐射计遥感 反演云液水含量 的二维垂直分布 Ｅ］ ００ Ｊ ．大气科学 ，３ ５ ： ０ １—１２ ． Ｚ ｏ ｕ ， ４（ ） １ １ ０５ ｈ ｕＪ ｎ
２Ｇ ａ ｕ ｔ Ｕ ｉ ｅ ｓ ｙ ｏ ｈ ｎ ｓ ａ ｅ ｙ ｏ ｃｅ ｃ ｓ ｅ ｎ １ ０ ４ ｒ ｄ ａ ｅ ｎ ｖ ｒｉ ｆ Ｃ ｉｅｅＡｃ ｄ ｍ ｆ Ｓ ｉ ｅ ，Ｂ Ｏｉｇ ｔ ｎ ００９
３Ｉｓｉ ｔｏ ｏｏ ｙａ ｄ Ｇ ｏ ｈ ｓｃ，Ｃ ｉｅｅ ａ ｅ ｆＳ ｉｎｅ ，Ｂ ｉｉｇ １ ０２ ｎｔ ｕｅ ｆＧｅｌｇ ｎ ｅｐ ｙ ｉｓ ｈｎｓＡｃ ｄｍｙｏ ｃｅｃｓ ｅ ｎ ０ ０ ９ ｔ ｊ ４Ｂｅ ｉｇＷｅ ｔｅ ｏ ｉｉａｉｎＯｆ ｉｅ Ｂ Ｏｉｇ １０ ８ ｉ ｎ ａｈ ｒ ｄｆ ｃｔ ｆ ｃ ， ｅ ｎ ０ ０ ９ ｊ Ｍ ｏ
的角度分辨率 、 辐射计 观测 噪声 以及侧边 界云液水 分布的不确定 性 ； 云液水含 量 、 受 正则 算子特性 及边界 因素 的 综合 影响 ， 同云型 的反演精度存在差异 。为使微 波辐 射计探测 云液水分布能够独立于其它探测手段 ，本文针对 不 未界模型提出嵌套反演方法 。数值模拟试验表 明， 嵌套 反演 方法 可以为 目标区域的反演提供足够 的侧边界信息 。 关键词
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段 , 有 Rayleigh - Jeans 近似 , 可以以辐射亮温来表
示辐射能量的大小 。由此 , 在平面平行大气条件
下 , 可写出机载对空微波辐射计的遥感方程 :
∫ Tb ( y)
=
Tb (
∞)
∫ -
∞ y ka
(
∞h) dh
·e + ka
(
h)
y
∫ ·T ( h)
·e -
h
y ka
(
h′) d
微波辐射计的高度是不断地变化 , 所以不能简单地应 用地基探测的反演方法 。我们必须解决在任意高度上 反演关系是什么形式 , 能否用简捷的函数形式表达出 任意高度上的反演公式 , 以及反演的精度是什么等等 一系列问题 。本文集中讨论反演方法的问题 。 在文献 [ 1 ]中 , 我们已介绍了单频微波辐射计 测云的可行性 , 并且给出了选用的测云波段频率为 31. 65 GHz (对应波长为 9. 5 mm) , 本文进一步讨论 单频机载仪器测量值的反演问题 。简单回顾已有的 地基反演方法 , 有利于建立机载遥感的反演方法 。 实用的地基微波辐射计的反演方法是统计反演 , 即 根据大量观测样本建立待测量和仪器观测记录之间 的统计回归关系 , 此关系作为反演公式 。但遥感云 液水时遇到缺少实测的积分云液水含量样本的困 难 。通常采用数值模拟的办法克服这一困难 , 以气 象探空的温 、湿 、压垂直廓线为基础 , 按照一定的 方式产生模拟的云液水的垂直廓线 , 实际的探空廓 线和模拟的云液水廓线组合在一起构成云天大气的 样本 。对云天大气样本进行微波辐射传输模式计 算 , 可得到模拟的下行辐射亮温 (观测量) 和积分云 液水含量 (待求量) , 大量样本统计回归得到反演公
L ( h) = a1 ( h) + a2 ( h) ·Tb ( h)
+ a3 ( h) ·Tb ( h) 2 ,
(7)
式中 a1 ( h) 、a2 ( h) 、a3 ( h) 是二次曲线的系数 , 即 我们要求的统计反演系数 (注 : 在这里和以下的各 表达式中 , 为了与使用习惯相一致 , 表示飞行高度 的符号都采用 h 代替第二节中的符号 y) 。 结果表明 , 统计反演系数随高度和季节而变 化 。图 1a～c 分别给出了 3 个反演系数随高度而变 化的月平均曲线 , 图中反演系数的值随高度的分布 表现出明显的按月变化的特征 。将反演系数随高度 变化拟合成多项式 , 函数关系如下 :
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34 高 原 气 象 23 卷
收稿日期 : 2003201220 ; 改回日期 : 2003204230 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (40275002) ; 吉林省人工影响天气开放实验室部分基金共同资助 作者简介 : 江芳 (1977 —) , 女 , 江苏人 , 在读博士 , 主要从事大气遥感研究. E2mail :fangj0724 @sina. com. cn
h′·d
h
,
(1)
其中 y 为飞机所在高度 , Tb ( y) 为辐射计接收到的 云天大气向下辐射的亮度温度 , Tb ( ∞) 表示宇宙背 景辐射亮度温度 , 为常数 (2. 7 K) , T ( h) 是 h 高度 处的温度 。ka 是水汽吸收系数 kav 、氧气吸收系数 kaO和云的吸收系数 kac之和 :
1 引言
大气中的水在各种时空尺度的大气过程中扮演 着重要的角色 。云中液态水含量在多种学科和业务 中一直是极其重要的量 。在人工影响天气领域 , 云 中云水含量及过冷水条件是决定可播性的先决条 件 。然而目前由于测量手段并不多 , 且已有的手段 又各有其局限性 , 因而造成云液水和过冷水含量定 量资料十分缺乏 。鉴于这种情况 , 中国科学院大气 物理研究所与吉林省人工影响天气办公室合作 , 委 托中国科学院长春分院地理所在我国首次研制了对 空机载微波辐射计[1 ] 。机载对空微波辐射计继承 了地基微波辐射计的高时空分辨率 , 可从混合相态 的云中探测出过冷水等系列特点 。同时 , 由于飞机 可直接进入目标云系探测 , 非常灵活 , 是云雾物理 和人工影响天气研究领域一种有发展前景的探测手 段 。有了新的探测仪器 , 就应该有新的反演方法适 用于它 。然而到目前为止 , 除了美国和俄国用机对 空双向观测方式探测云液水含量的极少量论 文[2～4 ]以外 , 其他有关科研结果尚不多见。所以 , 在反演方法的建立方面是一新的尝试 。由于机载对空
更多层云 , 这已比较符合实际大气的状况 。在有云 处云液水含量数值的大小是根据一般层状云中的液
态水含量垂直分布的特征来确定的 。具体而言 , 将 云中液态含水量垂直分布的峰值高度 hp 定在云底 之上高度为云厚的四分之一处 , 峰值处云液水含量 的值 M max (g·m - 3) 与云厚和云底处的相对湿度成 正比例 , 即 :
kac = 10[0. 01124·(291- T) - 0. 9418 ] ·M ( h) / λ1. 968 , (3)
式中 , kac的单位为 ( k·m - 1) , T 是 云 滴 温 度 ( K) , M ( h) 是高度在 h 处的云中含水量 (g·m - 3) , λ为 波长 (cm) 。根据探空资料可得到大气温 、湿 、压随
k a = k av + k aO + kac ,
(2)
式中右边各项都是波长的函数 , 除此之外 , 它们还 以不同的形式与大气中一些气象变量有着相关关
系 。为简便起见 , 上式中没有一一写出有关的气象 变量 , 我们在此做简单叙述 : 氧气吸收系数是大气 温度和压力的函数 , 水汽吸收系数则是大气压 、温 度和湿度的函数 , 具体函数关系见文献 [ 7 ] 。云液 水的吸收系数是云液水含量和云温的函数 , 采用改 进的 Staelin 公式[7 ] :
4 反演公式及其各项的系数
黄润恒等[6 ] 研究地基微波遥感云的液态含水 量的工作表明 , 整层积分云液水含量与地面接收的 大气辐射亮温之间的统计关系可用一条二次曲线来 表示 。根据上节所述 , 长春云天大气样本用 (1) 和 (4) 式计算的结果进行回归 , 结果表明 , 在对流层 中下部的各个飞行高度上 , 其上空的气柱中液态含 水总量 L ( h) 与模拟的亮温 Tb ( h) 也有较好的二次 关系 , 其回归方程可写为
L ( y) = ξ( Tb ( y) ) ,
(5)
求取ξ的具体的函数形式 , 并得到相应实用的有气 候代气样本
(3) 和 (4) 式中的云液水含量 M ( h) 的大小和垂 直分布 , 从常规的探空资料中无法得到 , 必须按照 一定规则产生云液水含量的廓线 , 该规则即所谓的 云模型 。地基研究中通常采用诊断方法产生液水廓
1 期 江 芳等 : 机载微波辐射计测云液态水含量 ( II) : 反演方法 35
度处认为无液态过冷水存在 , 液水含量为零 。 本文选用长春站 4～7 月份历史探空资料每月 100 份左右 , 作为产生云天大气样本集合的基础资料 , 详 细情况见表 2 中回归样本一栏。根据本节的云模型产 生云天大气的样本 , 而后根据 (1) 和 (4) 式 , 得到相应 各高度上的亮度温度和云液水垂直积分含量 。
高度变化的廓线 , 若 云 液 水 的 垂 直 分 布 廓 线 M ( h) 已知 , 则根据 (1) 和 (2) 式可得到在飞行高度 y 处辐射计接收的辐射亮温 。
在飞行高度之上的垂直气柱中云中液态水积分
总量 L ( y) 可表示成 :
∫∞
L ( y) = M ( h) d h ,
(4)
y
这样 , 用一个例云天大气样本 , 根据 (1) 和 (4) 式计 算 , 就可以得到 Tb ( y) 和 L ( y) 组成的一个数据对。 大量的有气候代表性的云天大气样本 , 可计算出 Tb ( y) 和 L ( y) 数据对的集合。在此基础上 , 做统计回 归即可得到两者之间的统计关系 , 即反演公式 :
M max = 0. 1 ·f 0 ·Hc ,
(6)
其中 Hc 是以公里为单位的云厚 , f 0 是云底处的相 对湿度 ; 云顶和云底处云液水含量为零 , 在峰值高 度和云底 (或云顶) 之间的液水含量值在 M max和零 之间随高度呈线性变化 ; 温度低于 - 20 ℃的那些高
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( Ⅱ) : 反演方法
江 芳1 , 魏 重1 , 雷恒池1 , 金德镇2 , 张景红2 , 谷淑芳2
(1. 中国科学院 大气物理研究所 , 北京 100029 ; 2. 吉林省人工影响天气办公室 , 吉林 长春 130062)
摘 要 : 介绍了机载对空微波辐射计探测云中路径积分液态水含量 (L ) 的辐射传输原理和反演方法 ; 根据吉林省长春市的历史探空资料和典型的层状云液水垂直分布模式 , 得到该地区 4～7 月各月随高 度而变化的反演公式系数的表达式 , 并给出了反演误差的数值模拟检验结果 : 在地面反演值对“真值” 的统计相对偏差是 15 %～25 % , 在 6 km 高度处为 5 %～10 % , 表明该方法已具有实用可接受的精度 。 此外 , 为减少由于回归样本中云液水廓线的“失真”给反演造成的误差 , 本文在对探空廓线作诊断建立 云液水廓线时 , 引入了实际目测最低云底高的信息 。数值模拟比较表明 , 该措施行之有效 , 使对流层 中下层几乎所有高度上 L 反演值的精度提高了 5 %～20 % , 观测高度越低 , 精度提高的越多 。 关键词 : 机载微波辐射计 ; 云液态水含量 ; 反演方法 ; 云模型 中图分类号 : P414. 2 文献标识码 : A