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多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

茆佳佳 张雪芬 王志诚 杨荣康 潘旭光 季承荔 郭然

茆佳佳, 张雪芬, 王志诚, 等. 多型号地基微波辐射计亮温准确性比对. 应用气象学报, 2018, 29(6): 724-736. DOI: 10.11898/1001-7313.20180608..
引用本文: 茆佳佳, 张雪芬, 王志诚, 等. 多型号地基微波辐射计亮温准确性比对. 应用气象学报, 2018, 29(6): 724-736. DOI: 10.11898/1001-7313.20180608.
Mao Jiajia, Zhang Xuefen, Wang Zhicheng, et al. Comparison of brightness temperature of multi-type ground-based microwave radiometers. J Appl Meteor Sci, 2018, 29(6): 724-736. DOI:  10.11898/1001-7313.20180608.
Citation: Mao Jiajia, Zhang Xuefen, Wang Zhicheng, et al. Comparison of brightness temperature of multi-type ground-based microwave radiometers. J Appl Meteor Sci, 2018, 29(6): 724-736. DOI:  10.11898/1001-7313.20180608.

多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

DOI: 10.11898/1001-7313.20180608
资助项目: 

中国气象局气象探测中心自设项目 TCZS201707

国家重点研究发展计划 2017YFC1501700

中国气象局气象探测中心青年科技课题 TCQN201708

中国气象局大气探测重点开放实验室开放课题 KLAS201701

详细信息
    通信作者:

    张雪芬, 邮箱: sophyzxf@163.com

Comparison of Brightness Temperature of Multi-type Ground-based Microwave Radiometers

  • 摘要: 目前,国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察,其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献,不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能,试验将评估对象前移,直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据,以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考,考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明:国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好,相关系数基本超过0.9,均达到0.001显著性水平。晴空条件下,实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K;德国辐射计亮温偏差最小,各通道平均偏差为1.08 K,均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小,夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性,谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。
  • 图  1  温湿廓线输入参数

    Fig. 1  Input parameters of temperature and humidity profiles

    图  2  逆温层高度、厚度及增温幅度变化对模拟亮温的影响

    (a)增温幅度5 K,逆温层厚度2 km,(b)逆温层底高度0,逆温层厚度2 km,(c)增温幅度5 K,逆温层底高度0.5 km

    Fig. 2  Effects of height and thickness of inversion layer with temperature increasing range on simulated brightness temperature

    (a)increasing range is 5 K, inversion layer thickness is 2 km, (b)inversion layer bottom height is 0, inversion layer thickness is 2 km, (c)temperature increasing range is 5 K, inversion layer bottom height is 0.5 km

    图  3  云厚、云高、液态水含量变化对模拟亮温结果的影响

    (a)云高2 km,液态水含量0.3 g·m-3,(b)云厚1 km,液态水含量0.3 g·m-3,(c)云厚1 km,云底高度2 km

    Fig. 3  Effects of cloud thickness, cloud height and liquid water content on simulated brightness temperature

    (a)cloud height is 2 km, liquid water content is 0.3 g·m-3, (b)cloud thickness is 1 km, liquid water content is 0.3 g·m-3, (c)cloud thickness is 1 km, cloud bottom height is 2 km

    图  4  不同季节辐射计亮温偏差

    (a)MWR-G,(b)MWR-A,(c)MWR-C1,(d)MWR-C2

    Fig. 4  Brightness temperature error of radiometers in different seasons

    (a)MWR-G, (b)MWR-A, (c)MWR-C1, (d)MWR-C2

    图  5  MWR-C1辐射计亮温与探空温度廓线相关系数

    (a)非降水条件,(b)降水条件

    Fig. 5  Correlation between brightness temperature of MWR-C1 and sounding temperature profile

    (a)non-precipitation, (b)precipitation

    图  6  MWR-C1辐射计亮温与探空水汽密度廓线相关系数

    (a)非降水条件,(b)降水条件

    Fig. 6  Correlation between brightness temperature of MWR-C1 and sounding water vapor density profile

    (a)non-precipitation, (b)precipitation

    表  1  参试辐射计的主要性能

    Table  1  The main performance of microwave radiometers involved in the test

    设备编号 产地 通道数 测量高度/km 接收机技术体制 测量周期
    MWR-G 德国 14 0~10 多路直接检波 秒级
    MWR-A 美国 22 0~10 超外差本振跳频 分钟级
    MWR-C1 中国 22 0~10 超外差本振跳频 分钟级
    MWR-C2 中国 16 0~10 多路直接检波 秒级
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    表  2  模拟亮温通道中心频率

    Table  2  The central frequency of the simulated bright channel

    水汽通道序号 中心频率/GHz 氧气通道序号 中心频率/GHz
    1 22.24 8 51.26
    2 23.04 9 52.28
    3 23.84 10 53.86
    4 25.44 11 54.94
    5 26.24 12 56.66
    6 27.84 13 57.30
    7 31.40 14 58.00
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    表  3  亮温数据异常值剔除情况

    Table  3  Abnormity elimination of brightness temperature data

    通道序号 MWR-G MWR-A MWR-C1 MWR-C2
    剔除样本量 剔除率/% 剔除样本量 剔除率/% 剔除样本量 剔除率/% 剔除样本量 剔除率/%
    1 6922 7.24 17637 29.70 11812 15.86 4620 10.48
    2 6805 7.12 5072 8.54 9745 13.09 5608 12.73
    3 7591 7.94 5009 8.43 10577 14.21 4375 9.93
    4 8139 8.51 5679 9.56 8872 11.92 5440 12.35
    5 8702 9.10 8287 13.95 5185 6.96 4098 9.30
    6 8579 8.97 3993 6.72 6085 8.17 3609 8.19
    7 11159 11.67 9417 15.86 5847 7.85 5126 11.63
    8 7227 7.56 3760 6.33 7610 10.22 79 0.18
    9 6634 6.94 3204 5.40 5334 7.16 113 0.26
    10 3680 3.85 1584 2.67 2808 3.77 124 0.28
    11 508 0.53 396 0.67 7447 10.00 302 0.69
    12 251 0.26 150 0.25 665 0.89 185 0.42
    13 275 0.29 635 1.07 511 0.69 70 0.16
    14 251 0.26 1037 1.75 450 0.60 41 0.09
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    表  4  晴空样本实测亮温与模拟亮温偏差情况(单位:K)

    Table  4  Deviation of observed and simulated brightness temperature in clear sky(unit:K)

    中心频率/GHz MWR-G MWR-A MWR-C1 MWR-C2
    平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差
    22.24 1.16 3.12 -1.92 4.74 3.63 5.19 2.77 5.24
    23.04 1.35 3.04 -0.87 4.82 0.79 2.95 2.30 5.19
    23.84 1.05 2.69 -1.61 4.34 1.60 3.32 1.97 4.24
    25.44 0.74 1.91 -0.08 2.90 2.82 3.84 1.96 4.26
    26.24 0.65 1.76 -1.93 4.15 1.30 1.91 1.83 3.70
    27.84 0.49 1.63 -2.21 4.89 1.10 1.64 1.58 3.42
    31.40 0.50 1.40 -1.47 3.61 0.70 1.52 1.60 3.18
    51.26 4.09 4.36 4.66 4.87 2.89 5.39 4.01 5.13
    52.28 2.99 3.38 4.02 4.17 4.90 5.64 3.87 4.68
    53.86 3.38 3.50 1.48 1.71 4.48 4.60 2.81 3.73
    54.94 0.10 0.44 -0.35 0.70 1.61 2.31 -0.27 2.43
    56.66 -0.48 0.66 -0.89 1.07 1.14 1.54 -1.33 2.47
    57.30 -0.46 0.67 -0.96 1.24 1.16 1.58 -1.42 2.44
    58.00 -0.42 0.64 -1.02 1.27 1.15 1.59 -1.55 2.43
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    表  5  有云样本实测亮温与模拟亮温偏差情况(单位:K)

    Table  5  Deviation of observed and simulated brightness temperature in cloud samples(unit:K)

    中心频率/GHz MWR-G MWR-A MWR-C1 MWR-C2
    平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差
    22.24 0.56 3.43 -1.85 4.59 3.07 5.01 3.17 5.75
    23.04 0.72 3.40 -0.03 4.06 0.42 3.53 2.25 5.38
    23.84 0.30 3.26 -1.16 3.54 1.14 3.74 1.72 4.43
    25.44 -0.18 3.09 -0.03 3.28 2.25 4.06 1.55 4.39
    26.24 -0.35 3.17 -1.81 3.99 0.51 3.39 1.27 4.04
    27.84 -0.69 3.48 -2.04 4.57 0.22 3.57 0.94 3.87
    31.40 -0.93 4.08 -1.89 4.54 -0.46 4.17 0.86 4.16
    51.26 2.27 5.85 3.02 5.98 -0.02 6.18 2.23 5.92
    52.28 1.56 4.57 2.86 4.98 2.71 5.37 2.50 4.89
    53.86 3.06 3.35 1.33 1.86 3.88 4.12 2.58 3.49
    54.94 0.14 0.45 -0.31 0.67 2.04 2.65 -0.16 2.24
    56.66 -0.43 0.57 -0.72 0.93 1.12 1.45 -1.21 2.26
    57.30 -0.42 0.59 -0.74 0.92 1.16 1.48 -1.31 2.23
    58.00 -0.38 0.55 -0.99 1.23 1.27 1.63 -1.49 2.21
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    表  6  有云样本实测亮温与模拟亮温偏差情况(单位:K)

    Table  6  Deviation of observed and simulated brightness temperature in cloud samples(unit:K)

    中心频率/GHz MWR-G MWR-A MWR-C1 MWR-C2
    平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差 平均偏差 均方根误差
    22.24 -35.68 70.45 -62.92 76.12 -19.72 51.28 -38.66 58.00
    23.04 -39.56 73.98 -66.91 80.20 -25.85 55.73 -41.13 60.97
    23.84 -45.00 80.25 -74.45 88.00 -29.19 59.55 -49.26 69.02
    25.44 -55.83 91.23 -84.45 98.81 -39.39 66.81 -59.42 80.78
    26.24 -60.28 95.69 -92.33 107.09 -44.63 71.42 -66.89 87.45
    27.84 -67.74 103.12 -101.39 116.55 -53.34 78.35 -73.29 94.98
    31.40 -81.37 115.12 -116.45 131.08 -69.85 91.08 -85.66 107.72
    51.26 -71.06 91.68 -90.02 101.08 -63.13 76.34 -154.44 155.22
    52.28 -53.67 69.76 -68.09 76.72 -46.22 56.42 -117.24 117.81
    53.86 -10.62 16.10 -17.04 19.54 -8.96 12.20 -27.17 27.35
    54.94 -0.19 3.37 -2.41 3.26 0.53 2.16 -2.56 3.43
    56.66 0.70 2.22 -0.90 1.50 1.06 1.37 0.07 2.05
    57.30 0.73 2.18 -0.89 1.60 1.28 1.60 -0.10 1.89
    58.00 0.79 2.14 -1.03 1.52 1.15 1.45 -0.11 2.02
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-07-21
  • 修回日期:  2018-08-31
  • 刊出日期:  2018-11-30

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