留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

王振会 李青 楚艳丽 朱雅毓

王振会, 李青, 楚艳丽, 等. 地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响. 应用气象学报, 2014, 25(6): 711-721..
引用本文: 王振会, 李青, 楚艳丽, 等. 地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响. 应用气象学报, 2014, 25(6): 711-721.
Wang Zhenhui, Li Qing, Chu Yanli, et al. Environmental thermal radiation interference on atmospheric brightness temperature measurement with ground-based K-band microwave radiometer. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(6): 711-721.
Citation: Wang Zhenhui, Li Qing, Chu Yanli, et al. Environmental thermal radiation interference on atmospheric brightness temperature measurement with ground-based K-band microwave radiometer. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(6): 711-721.

地基微波辐射计工作环境对K波段亮温观测影响

资助项目: 

城市气象科学研究基金项目 IUMKY&UMRF201101

国家自然科学基金项目 41275043

国家自然科学基金项目 41005005

江苏省研究生创新项目 CXLX12-0499

详细信息
    通信作者:

    王振会, email: eiap@nuist.edu.cn

Environmental Thermal Radiation Interference on Atmospheric Brightness Temperature Measurement with Ground-based K-band Microwave Radiometer

  • 摘要: 该文研究地基微波辐射计天线性能及其工作环境对K波段20~30 GHz亮温观测数据的影响,根据辐射传输理论和天线性能参数分析建立模型,通过模拟计算给出辐射计20~30 GHz波段亮温观测对天线性能及其工作环境的响应,提出针对工作环境温度变化影响的订正方案,并结合观测资料进行分析验证。结果表明:如果辐射计天线增益和3 dB波束宽度决定的等效主波束效率ηe较低,则即使在能够经常进行辐射计系统液氮定标的情况下也必须考虑天线工作环境 (环境温度与辐射计定标时的情景差异) 对K波段亮温观测的影响。对某一辐射计液氮定标后1年多观测资料的订正验证表明:订正效果明显,尤其是在28.0 GHz和30.0 GHz两通道。
  • 图  1  辐射计天线方向性函数等效示意图

    Fig. 1  Schematic of radiometer antenna directivity function

    图  2  2010年12月22日—2011年12月31日每日08:00和20:00晴空时辐射计环境温度变化ΔTg及K波段4个代表性通道亮温观测值TBM、订正值TBO和模拟值TBC的时间序列

    Fig. 2  Time series of clear sky environment temperature change Tg and the observed brightness temperature TBM, the corrected brightness temperature TBO and the simulated TBC for 4 typical channels in K-band at 0800 BT and 2000 BT from 22 Dec 2010 to 31 Dec 2011

    表  1  两类典型辐射计的K波段天线性能与分析

    Table  1  Antenna performance and analysis for two typical types of K-band radiometers

    行号 条件 参数 A类辐射计 B类辐射计
    22~31 GHz 22 GHz 30 GHz
    1 厂家提供 G/dB 33.2 30 32
    2 X/dB < -30 < -23 < -24
    3 WHPB/(°) 3.3~3.5 6.3 4.9
    4 α= 0.5WHPB α/(°) 1.7 3.1 2.5
    5 γ=Xmax γ/dB -30.0 -23.0 -24.0
    6 ηe /% 18.04 13.13 10.64
    7 γ由Gα决定 γ/dB -35.9 -35.7 -38.1
    8 ηe /% 45.98 73.17 75.42
    9 由需求ηe=90%决定 γ/dB -46.2 -40.8 -42.8
    10 α/(°) 2.38 3.44 2.73
    下载: 导出CSV

    表  2  B类辐射计K波段下行亮温和天线温度在天空不同状况下对比以及环境亮温变化影响 (TB计算中,假设TS=238 K,ΔTS=22.5 K,其余条件同文献[31])

    Table  2  Comparison of the K-band downward brightness temperature and antenna temperature for type-B radiometer and analysis on the influence of environment under different sky conditions (let TS=238 K, ΔTS=22.5 K and other parameters for TB calculation are the same as Reference [31])

    行号 条件 计算参数 22.2 GHz (ηe=73.17%) 25.0 GHz (ηe=73.98%) 28.0 GHz (ηe=74.84%) 30.0 GHz (ηe=75.42%)
    1 晴空TB/K 31 28 17 16
    2 云天TB/K 42 33 29 30
    3 雨天TB /K 61 53 51 54
    4 β=1 晴空TA/K 59 55 45 43
    5 云天TA /K 68 60 55 56
    6 雨天TA /K 85 77 75 77
    7 δTB/K 3.5 3.4 3.2 3.2
    8 晴空TB/δTB 8.9 8.3 5.3 5.1
    9 云天TB/δTB 12.0 9.8 9.0 9.5
    10 雨天TB/δTB 17.5 15.8 15.8 17.1
    11 β=0 晴空TA/K 87 83 73 71
    12 云天TA /K 95 86 82 81
    13 雨天TA /K 108 101 98 99
    14 δTB/K 8.3 7.9 7.6 7.3
    15 晴空TB/δTB 3.8 3.5 2.2 2.2
    16 云天TB/δTB 5.1 4.2 3.8 4.1
    17 雨天TB/δTB 7.4 6.7 6.7 7.4
    下载: 导出CSV

    表  3  B类辐射计K波段亮温的环境温度变化订正系数及订正效果统计量

    Table  3  Coefficient c for calibrating the environment temperature influence on K-band brightness temperature measured by type-B radiometer and the statistics to show the efficiency of calibration

    通道 频率/GHz 订正系数c 订正前拟合直线
    TBM=aTBC+b
    拟合度
    RMC2
    订正后拟合直线
    TBO=aTBC+b
    拟合度
    ROC2
    1 22.23 0.215088 y=1.1112x-2.4141 0.9537 y=0.9862x-0.2928 0.9763
    2 22.50 0.224503 y=1.1119x-1.1412 0.9571 y=0.9792x+0.9970 0.9763
    3 23.03 0.352293 y=1.1879x-0.9221 0.9194 y=0.9700x+2.1907 0.9680
    4 23.83 0.354430 y=1.2161x-0.7508 0.8861 y=0.9634x+2.4390 0.9563
    5 25.00 0.329222 y=1.2402x-0.9890 0.8174 y=0.9577x+2.0860 0.9395
    6 26.23 0.265974 y=1.2885x-2.6649 0.8019 y=0.9890x+0.6199 0.9431
    7 28.00 0.350330 y=1.0714x+0.3436 0.3846 y=1.0091x+0.0591 0.9138
    8 30.00 0.457644 y=0.1129x+12.659 0.0049 y=0.9314x+2.2196 0.7931
    下载: 导出CSV
  • [1] 赵柏林.大气物理与大气探测的一些进展.北京大学学报, 1995, 31(3):323-337. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJDZ503.008.htm
    [2] Westwater E, Crewell S, Matzler C.A review of surface-based microwave and millimeter-wave radiometric remote sensing of the troposphere.Radio Science Bulletin, 2004, 310:59-80.
    [3] 赵从龙, 蔡化庆, 宋玉林, 等.对流层水汽和液态水的地基微波遥感探测.应用气象学报, 1991, 2(2):200-207. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=19910226&flag=1
    [4] 段英, 吴志会.利用地基遥感方法监测大气中汽态、液态水含量分布特征的分析.应用气象学报, 1999, 10(1):34-40. http://qikan.camscma.cn/jams/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=19990133&flag=1
    [5] 雷恒池, 魏重, 沈志来, 等.微波辐射计探测降雨前水汽和云液水.应用气象学报, 2001, 12(增刊Ⅰ):73-79. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYQX2001S1009.htm
    [6] Güldner J, Spänkuch D.Remote sensing of the thermodynamic state of the atmospheric boundary layer by ground-based microwave radiometry.Atmos Oceanic Technol, 2001, 18:925-933. doi:  10.1175/1520-0426(2001)018<0925:RSOTTS>2.0.CO;2
    [7] Ware R, Carpenter R, Güldner J, et al.A multi-channel radiometric profiler of temperature, humidity and cloud liquid.Rad Sci, 2003, 38, doi: 10.1029/2002rs002856.
    [8] Cimini D, Westwater E R, Gasiewaki A J, et al.Ground-based millimeter-and submillimiter-wave observations of low vapor and liquid water contents.IEEE Trans Geosci Remote Sensing, 2007, 45(7):2169-2180. doi:  10.1109/TGRS.2007.897450
    [9] Ware R, Cimini D, Campos E, et al.Thermodynamic and liquid profiling during the 2010 Winter Olympics.Atmos Res, 2013, 132:278-290. http://adsabs.harvard.edu/abs/2013AtmRe.132..278W
    [10] 黄治勇, 徐桂荣, 王晓芳, 等.地基微波辐射资料在短时暴雨潜势预报中的应用.应用气象学报, 2013, 24(5):576-584. doi:  10.11898/1001-7313.20130507
    [11] Wang Zhenhui, Li Qing, Hu Fangchao, et al.Remote sensing of lightning by a ground-based microwave radiometer.Atmos Res, 2014, 150:143-150. doi:  10.1016/j.atmosres.2014.07.009
    [12] Westwater E R, Wang Zhenhui, Grody N C, et al.Remote sensing of temperature profiles from a combination of observations from the satellite-based microwave sounding unit and the ground-based profiler.J Atmos Oceanic Tech, 1985, 2:97-109. doi:  10.1175/1520-0426(1985)002<0097:RSOTPF>2.0.CO;2
    [13] 张培昌, 王振会.大气微波遥感基础.北京:气象出版社, 1995.
    [14] Solheim F, Godwin J, Westwater E R, et al.Radiometric profiling of temperature, water vapor, and cloud liquid water using various inversion methods.Rad Sci, 1998, 33(2):393-404. doi:  10.1029/97RS03656
    [15] 刘亚亚, 毛节泰, 刘钧, 等.地基微波辐射计遥感大气廓线的BP神经网络反演方法研究.高原气象, 2010, 29(6):1514-1523. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGQX201111009017.htm
    [16] 郭伟, 王振会, 孙安平, 等.地基微波辐射计网络资料处理系统设计及实现.气象, 2010, 36(4):120-125. doi:  10.7519/j.issn.1000-0526.2010.04.022
    [17] Lu Qifeng, Bell W, Bauer P, et al.An Initial E-valuation of FY-3A Satellite Data.ECMWF Technical Memoran-dum 631, European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, 2010:58.
    [18] Goldberg M D, David S C, Zhou L H.The limb adjustment of AMSU-A observations:Methodology and validation.Appl Meteor, 2001, 40:70-83. doi:  10.1175/1520-0450(2001)040<0070:TLAOAA>2.0.CO;2
    [19] Weng F, Zhao L, Ferraro R R, et al.Advanced microwave sounding unit cloud and precipitation algorithms.Radio Sci, 2003, 38(4):8068-8096. https://www.researchgate.net/publication/245268225_Advanced_Microwave_Sounding_Unit_AMSU_cloud_and_precipitation_algorithms
    [20] Weng F, Yang H, Zou X.On convertibility from antenna to sensor brightness temperature for ATMS.IEEE Geoscience and Remote Sensingletters, 2013, 10(4):771-775. doi:  10.1109/LGRS.2012.2223193
    [21] 王振会, 曹雪芬, 黄建松, 等.基于气象资料变化特征和辐射传输模式的微波辐射计工作状态分析.大气科学学报, 2014, 37(1):1-8. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJQX201401001.htm
    [22] 敖雪, 王振会, 徐桂荣, 等.微波辐射计亮温观测质量控制研究.气象科学, 2013, 33(2):130-137. doi:  10.3969/2012jms.0082
    [23] 陈向东, 张祖荫, 林士杰, 等.八毫米微波天空温度.华中科技大学学报:自然科学版, 1985, 13(4):105-110. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HZLG198504016.htm
    [24] Ulaby F T, Moore R K, Fung A K.Microwave Remote Sensing:Active and Passive.New York:Addison-Wesley Publishing Company, 1981:1-2162.
    [25] Rose T H, Czekala H.RPG's Atmospheric Remote Sensing Profilers Operating Manual.Version 8, 2009.
    [26] Radiometrics Corporation.Profiler Operator's Manual.http://radiometrics.com, 2007.
    [27] 张培昌, 杜秉玉, 汤达章.雷达气象学.北京:气象出版社, 2001:1-511.
    [28] Rahmat-Sammi Y, A Hoferer R, Mosallaei H.Beam efficiency of reflector antennas:The simple formula.IEEE Trans Ant Prog Mag, 1998, 40(5):82-87. doi:  10.1109/74.735967
    [29] 叶云裳."神舟四号"飞船微波辐射计天线的主波束效率.空间科学学报, 2003, 23(6):459-466. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KJKB200306007.htm
    [30] 何文英, 陈洪滨, 宣越健, 等.几种地表微波比辐射率变化特征的地面观测.地球物理学进展, 2010, 25(6):1983-1993. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQWJ201006016.htm
    [31] Waters J W.Absorption and Emission of Microwave Radiation by Atmospheric Gases//Methods of Experimental Physics, 1976.
  • 加载中
图(2) / 表(3)
计量
  • 摘要浏览量:  3442
  • HTML全文浏览量:  1089
  • PDF下载量:  946
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2014-04-06
  • 修回日期:  2014-09-10
  • 刊出日期:  2014-11-30

目录

    /

    返回文章
    返回