机载微波辐射计测云中液态水含量_I_仪器和标定
第22卷 第6期高 原 气 象Vol. 22 No. 6
2003年12月December , 2003PLA
TEAU M ETEOROLO GY 文章编号:100020534(2003) 0620551207
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, 2 2
(1. 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029; 2. , 130062)
摘 要:波辐射计的可行性, , 。本。实验室测试和晴空飞行测试表明, 在一定的条件下, , 并讨论了它们的适用范围; 云液水; 云过冷水; 标定; 灵敏度:P414
文献标识码:A
1 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。研制机载对空微波辐射计, 使它能继承上述地基微波辐射计的一系列特点, 同时又具备可直接进入目标云系非常灵活地进行探测等地基仪器所不及的优点, 已成为气象和遥感工作者的共同愿望。我国北方十多个省市每年都有数月进行飞机播撒催化剂的人工增雨催化作业, 以克服干旱气候对农业生产的不利影响。我们这一特有的国情既对研制测云机载
微波辐射计提出了切实的需求, 也给它的应用提供了广阔的平台。但是, 到目前为止, 除了美国和俄罗斯有用机对空方式探测云液水含量的极少量论文[2～4]以外, 其他有关研究结果尚不多见。鉴于这种情况, 我们从仪器研制、反演方法和观测实验三方面, 较深入地研究了机载对空测云微波辐射计所面临的一系列问题。在此基础上, 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研制了我国首次对空机载微波辐射计, 并于2001年4～7月在吉林省人工增雨作业期间进行初次观测飞行实验, 2002年4～7月进行了第二次观测实验。我们拟从上述三个方面, 分三篇文章系列介绍我们的工作。本文主要介绍与仪器研制和标定有关的内容。 20世纪80年代末和90年代初, 一些作者从数值模拟和实验观测两方面, 对单频地基辐射计测云液水的可行性进行了研究[5, 6]。这些研究为用单频机载微波辐射计测云提供了参考。本文将在此基础上, 对机载单频仪器测云的可行性作进一步的阐述。在研制机载对空微波辐射计时, 首先遇到的问题是特别微弱信号的测量:仪器在几公里的高度上接收到的冷空背景向下的辐射亮温, 要比在地面接
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
) , 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 作者简介:雷恒池(1960—
E 2mail :leihc @mail.iap. ac. cn
高 原 气 象 22卷 收到的更低, 有时可能只有几度。因此, 机载对空探测对仪器测量微弱信号的能力要求特别高, 制造这种仪器至今仍是国内外技术上的难点。以前, 我国还没有制造过能接收这样微弱信号的微波辐射计, 这对我们无疑是一个挑战。有幸的是, 近年来随着技术的发展, 微波器件的水平有了长足的进步, 使我们有可能探寻新方案, 克服这一困难。本文将简单介绍仪器的方案和指标, 以及实验室及野外实验中对仪器灵敏度的考察。第二方面的困难是微波辐射计的标定实用化的问题。本文介绍几种实用的标定方法, 并对它们各自的优点和不足做比较。计的精度影响[7]的附着水有自动清除作用, 分析, , 可以忽略。, 问题就比较复杂。
图1 31. 65GHz 对空测云机载辐射计接收亮温和
云中垂直路径积分云液态含水量的关系
●:地面, +:零度层
实线和虚线表示Tb grd 、Tb 0℃和L tot 、L sup 二次曲线的拟合关系, 每一个符号点代表一个云天大气样本
2 预研究
我国北方人工增雨作业对象多为大面积层状云系, 低云以层积云为主, 中云多是高层云或高积
云, 整层云液水积分含量大约在0～3000g ・m -2之间, 过冷水含量在0～1000g ・m -2之间。作业飞机的水平飞行安全高度在800～6000m 之间, 飞行速度在70m ・s -1左右。针对这些基本情况, 我们选择常用的31. 65GHz 微波测云液水波段, 以吉林省长春的7月份历史探空为背景大气样本, 采用国内外通用的构造云样本的方法[8, 10], 并参考吉林省云中液态水垂直分布的概念模型[9, 10]构成云天大气的统计样本, 对样本进行云天大气辐射传输模式估算。为了突出测整层云液态含水量(L tot ) 和测过冷水积分含量(L sup ) 这两种典型情况, 我们选择地面和零度层这两个高度观测的结果绘制了图1。由图1可见, 在两种情况下, 仪器接收的地面和零度层亮温Tb
grd 、Tb 0℃和云中液态含水量L tot 、L sup 之间各自都有好的相关关系, 其公式如下:
L tot =-400. 89+14. 59・Tb grd
+0. 0674・Tb grd ,
L sup =-90. 66+13. 14・Tb 0℃
+0. 0719・Tb 0℃.
22
Fig. 1 The relationship between column cloud liquid water content and brightness temperature received by an airborne up 2looking microwave radiometer with wavelength of 31. 65GHz. S olid and dashed lines are second curve fitting of Tb grd , Tb 0℃and L tot , L sup
以用亮温的二次关系式表示, 二次式各项系数则是
随高度而变化的。对(1) 和(2) 两关系式两边分别做
ΔL sup 差分可得到最小可分辨的云液水含量ΔL tot 、
ΔTb 0℃之间的关系。和仪器最小可分辨率ΔTb grd 、
图2给出仪器可分辨率ΔTb 的范围在0. 1～1. 0K 之间以间隔0. 1K 变化时, 仪器分辨云液水总量的能力ΔL 随观测信号Tb 而变化的情况。由图可见, 仪器分辨率越高(ΔTb 越小) , 不但分辨云液水含量的能力越强(ΔL 越小) , 而且分辨云液水的能力越稳定, 即外信号强(例如, Tb =200K ) 和弱(例如, Tb =
10K ) 时, 相应的ΔL 值变化不大。这表明研制的仪器灵敏度应越高越好。根据目前国内技术和器件水平, 我们将仪器灵敏度指标定为0. 2K 。另一方面, 我们的目标是仪器既能探测整层云液水含量, 又能探测过冷水含量, 探测的动态范围相当大。由图2可见, 在零度层飞行最低接收亮温可低于10K , 以前我国还没有制造过能准确接收10K 这样微弱信号的微波辐射计。为解决这个技术难点, 我们委托研制单位提出了新方案, 详细内容见本文第3节。由图2中还可见, 在低空或地面观测时亮温可能达200K 或更多。要使仪器在250～10K 这
(1)
(2)
这说明单独用31. 65GHz 一个波长的辐射计, 采用机对空方式测层状云系的垂直积分云液水总量或积分过冷水总量从原理上是可行的, 反演公式可
6期 雷恒池等:机载微波辐射计测云中液态水含量(I ) :仪器和标定 上述预研究结果, 确认了研制测云液态水的单
频机载对空微波辐射计的可行性, 为研究机载辐射计的反演提供了参考; 摸清了研制的技术难点, 为仪器指标提供了依据。
3 仪器方案和指标
针对技术难点, “,
图3为该系。, 根据该变化, 。接收机, 以适应低辐射亮度, 提高辐射计进行大气探测的精度, 并解决低辐射亮度温度定标问题, 耦合噪声温度约为350K 。
利用固态噪声源的耦合支路构成参考基准源, 稳定度优于0. 1K 。 研制的仪器工作频率为31. 65GHz , 中频带宽为400MHz ; 采用角锥喇叭天线口面尺寸58. 2×79. 0mm 2, 其3dB 波束宽度为7. 2°; 积分时间取1s , 灵敏度0. 2K , 资料获取速率为2s 一次, 功耗200W , 接收机重量15kg 。
图2 在不同仪器灵敏度(ΔTb ) 液水含量的能力ΔL , , ΔT 数值
Fig. 2 radiometric 2resolution of cloud liquid water content ΔL and received brightness temperature Tb under different instrumental resolutions
ΔTb. Thin solid lines show surface observation , thick
dashed lines show observation at the zero 2temperature
level. Values in Fig. 4are ΔTb
样大的动态范围内接收机都有高的灵敏度和好的线性度也是对仪器研制的挑战。
4 实用化的标定方法
建立仪器记录值和所测辐射量之间关系的过程, 就是所谓的标定。现有的地基辐射计标定大致
图3 对空测云机载辐射计系统原理框图
Fig. 3 The diagram of principle of the airborne microwave radiometer system
高 原 气 象 22卷 有两类:即绝对标定和气象标定。绝对标定是将已知辐射量的黑体置于辐射计输入端, 使该黑体的辐射量与输出端的记录值建立一一对应关系。气象标定是在晴空条件下, 辐射计以一定方式做观测记录, 这时仪器接收的辐射量是根据实时的气象探空资料, 通过辐射传输方程计算得到的。地基观测时气象标定常用的办法是让辐射计做晴空扫角探测, 仪器记录值与(计算得到的) 对应仰角方向进入仪器的微波辐射亮温建立一一对应关系, 我们称之为晴空扫角标定。一般地说, 绝对标定比较准确, 而气象标定比较方便。 但是, 在进行机载仪器标定时, 都不能完全解决问题:低温介质的液氮, , 背景辐射亮温() 要高。这样, , 标定曲线无法覆。反之, 若采用气象标定, 固定在飞机背部的仪器不能做俯仰扫角, 标定曲线无法覆盖仪器探测信号的高亮温端。在实践中我们将两种标定结合在一起, 接收信号的高亮温端采用绝对标定, 低亮温端采用气象标定, 初步达到可实用程度。高温端标定的具体做法是, 将微波吸波材料做成帽子形状, 套在天线上, 同时记录仪器输出码值Te1和环境温度。由于材料对微波全吸收, 因而具有黑体辐射特性, 在辐射平衡时它的辐射亮温Tb1等于其物理温度, 亦即以K 为单位的环境温度。低温端标定的具体做法是, 在地面停机或空中飞行时, 当天顶方向仪器视野中无云时, 记录仪器输出的码值Te2, 再根据实时探空计算出地面或相应飞行高度上晴空大气下行辐射亮温Tb2。在Te —Tb 的直角坐标系中, 上述测值对应的两点的坐标(Te1, Tb1) 和(Te2, Tb2) 连线作为仪器的标定曲线, 简称为两点标定。图4给出2001年7月8日一次观测飞行过程进行两点标定的实例。在图4a 中实线为仪器原始记录Te , 图4a 横坐标上以CC , NA , DH , J T 等字母标注的依次飞临长春、农
度大约在4km , 根据当日08:00探空的温湿廓线做
‘晴空’的辐射传输计算, 得到该高度处大气垂直向下的辐射亮温为Tb2=7. 8K 。这样根据两点的直线方程, 得到仪器的标定曲线为
Tb =86. 37+0. 1223×Te.
(3)
图4 一次两点标定实例(2001年7月8日)
(a ) 仪器记录码值Te , (b ) 标定后的亮温值Tb , (c ) 反演后的柱状
云液水含量值L 。图中虚线为飞机上GPS 定位仪所测飞行高度
H 值
Fig. 4 A case of two 2points calibration (on 8J uly 2001) . (a ) radiometer 2record Te , (b ) brightness temperature Tb by calibration , (c ) column liquid water content L from Tb by retrieve. Dashed lines are flight levels
from a GPS system on board
安、德惠、九台等城市上空的时刻;
以R1和R2标
注的则是两次雷达PPI 扫描观测的时刻。图4a 中箭头所指A 和C 处为起飞前和降落后对仪器做高温点标定的时段, 这两个时段的仪器记录值没有在图中画出, 具体记录码值为3103和3150, 相应的黑体温度为298K 和293K , 取两次平均则有Te1=3126, Tb1=296。在图中箭头B 所指时刻飞机上空出现蓝天, 当时仪器记录值为Te2=770, 飞行高
图4b 中曲线为标定后的亮温Tb , 图4c 的曲线则是由亮温经反演得到的飞机上空的气柱中积分云液水含量, 具体反演方法见文献[10]。由图4c 可见, 在长春到农安之间和飞临九台后的10min 左右时段中的积分云液水含量数值均明显的升高和剧烈的变化。这些情况与相应时间随机记录到飞机的颠簸以及在九台附近机窗外雨水横流的状况相当一致, 也与两次雷达回波显示的层状云中存在的嵌套
6期 雷恒池等:机载微波辐射计测云中液态水含量(I ) :仪器和标定 的对流性降水区相吻合, 这表明仪器已能客观地反映云中液态水含量的变化。有关资料分析将另文给出。 在条件具备时, 可以根据具体情况用一些方法做气象标定。例如, 只要将仪器安放在能做扫角俯仰的支架上, 就可以做晴空扫角标定。表1给出了2002年4月13日早晨常规气象探空施放时在中国科学院长春地理所楼顶做的标定结果。表中标定曲线斜率是用相应仰角与90°仰角的值作比较, 求(Tb x -Tb 90) /(Te x -Te 90) 而得到的, 其中下标x
行观测, 用辐射传输方程计算对应高度上辐射计的
接收亮温来做标定。在本文第5节介绍仪器灵敏度的野外观测测定时, 表2中‘标定斜率’一栏的值就是利用这种方法给出的, 详细情况见5. 2节内容。
5
5. 1
仪器分辨能力的初步测定
实验室测定 , 记录度在这里介绍一次低温环境。为模拟低温外环境, 将辐射计(包括天线系统) 一起放在电冰柜中。天线垂直向上, 冰柜上盖换成隔热而微波透明的泡沫塑料板, 板的上面盖满吸波材料做的板, 其温度与室温一致。泡沫塑料板的作用在于它既能隔热使冰柜加电后仪器外环境逐渐降温, 又使冰柜中的仪器能接收到泡沫塑料板上面所放的吸波材料的黑体辐射。图5a 为2002年4
月15日在中国科学院长春地理所微波实验室中做的实验记录。11:35左右, 辐射计开机并开始记录, 冰柜加电开始制冷, 13:50停止制冷。在整个过程中, 环境温度由室温15℃左右逐渐降到-7℃, 这与机载仪器由地面到高空的过程中仪器的环境温度变化相似。冰柜开始降温时, 大约有20min 的时间辐射计中器件处于不平衡的
表示20°～60°之中的某个仰角。另外, 根据晴空大气中水汽和氧气分布的水平均一性较好的特点们尝试在大面积晴空区域中, 表1 413,
)
T able 1 A set of by elevation 2scan measurement (on April 2002, at Changchun) 仪器记录值Te (码) 探空计算标定曲线的仰角/第一次扫角第二次扫角平均亮温Tb/K 斜率(K/码)
9060453020
[***********]86
[***********]86
[***********]86
11. 6112. 9615. 2120. 2027. 85
0. 0440. 051
0. 0650. 048
图5 (a ) 2002年4月15日辐射计低温环境考机观测记录曲线(Te 辐射计输出值,
T 2box 环境温度值) , (b ) Te 与T 2box 的相关点聚图
Fig. 5 (a ) temporal variation curves of output Te of the radiometer in an environmental
chamber and the environment temperature T 2box on 15April 2002, (b ) scatter
diagram between Te against T 2box
高 原 气 象 22卷 热量调整阶段。之后, 辐射计输出Te 与环境温度T 2box 呈明显的反相关, 图5b 为两者的点聚图。图
测灵敏度明显好于前半程, 其原因还不能完全确
定, 我们猜测这可能与开始阶段仪器预热时间不够而没有达到最佳状态有关。
中细实线为拟合的二次曲线, 相关系数可达0. 993。该实验表明, 通过对机箱环境温度的监控,
可以对辐射计输出做很好的环境温度订正。在仪器的研制中已采取了该项技术, 有效地保证了辐射计输出的精度, 限于篇幅本文不做详细讨论。这里给出的是图5b 中所有数据点对拟合曲线的均方根偏离为2. 82(码) , 根据表1中4月13日仪器扫角标定给出的斜率范围为0. 044～0. 065K/码, 由此推算出在4月15日这两个多小时的测试中, 仪器的均方根脉动为0. 12～0. 18K 左右, 代表仪器的灵敏度范围。5. 2 野外观测测定
6 总结和讨论
(1) 本文简介研制机载对空测云微波辐射计的预研究, 可行性, 量、。, 由于简便易行, 我们一般采用两点标定处理观测数据, 得到的结果已在合理范围内, 具体实例将在本系列论文的另一篇中给出。晴空扫角标定是地基辐射计常用的方法, 机载辐射计仍可沿用, 本文给出了一次扫角标定的结果。同时, 出于考察仪器灵敏度的目的, 本文还详细介绍了首次晴空飞行标定的过程和结果。然而, 由于受仪器安放条件和飞行条件等因素的限制, 两种晴空标定只在考机时采用。晴空飞行标定只能覆盖低亮温端信号的一个较小的范围, 不能满足实际测云动态范围的需要,
使它的应用受到限制。还应当指出, 我们在实验中发现, 两点标定曲线的斜率和两种晴空标定曲线的斜率相差较大, 这表明辐射计标定还存在一定的不确定性。产生差别的原因可能是多方面的:仪器接收机能否在全量程中保持线性关系, 决定了两点标定的精度; 仪器旁瓣和背瓣的状况, 影响扫角标定的精度; 将仪器天线视为理想情况, 以辐射传输计算的亮温代替实际天线温度, 也会使标定产生误差。就目前的实验条件和认识水平而言, 我们还无法确切判断孰优孰劣。由于标定存在上述不确定性, 给测量仪器分辨能力的工作也带来一定的不确定性。要减少标定的不确定性, 需要更多的工作, 也有待技术的改进。
(3) 实验室测定仪器输出量的均方根脉动, 再根据晴空扫角标定的曲线斜率推算, 仪器灵敏度范围在0. 14～0. 18K; 初次晴空飞行考机实验表明, 仪器灵敏度范围在0. 12～0. 65K 之间变化。经分析表明, 在一定的条件下仪器灵敏度已达到设计指标0. 2K 。参考文献
[1] Robert J Serafin , G erard Szejwach , Byron B Phillips. Applica 2
(吸波板) , 287K 左右, 也就是说, 。在实际野外观测时, 辐射计处于对冷空状态, 背景亮温很低, 可到10K 以下。为考察小信号端仪器灵敏度情况, 我们于2002年6月27日在吉林省某区域上空在晴空条件下做了机载飞行实验。飞机在地面和上限高度4km 之间上升和下降, 在这个过程中, 每间隔1km 高度作5～10min 的水平飞行, 这些飞行时段分别以A , B , C …G 等字母标注。表2中给
表2 2002年6月27日飞行数据
T able 2 R ecorded and derived d ata from the measurements
in the course of flight on 27June 2002
飞行飞行高记录平均值均方差探空计算标定斜率灵敏度时段度/km 次数Te (码)
A B C D E F G
1. 02. 03. 04. 03. 02. 01. 0
1591644. 11341598. 01441584. 31541577. 41151609. 61451643. 774
1678. 5
(码) 4. 313. 784. 593. 803. 705. 474. 82
Tb/K 12. 848. 716. 595. 576. 598. 7112. 84
0. 03170. 04740. 0719
0. 120. 220. 31
(K/码) 0. 1090. 1520. 147
/K 0. 440. 580. 65
出各水平飞行段中辐射计记录值的均值和方差, 以及推算的仪器灵敏度等项内容。表中标定斜率是以
(Tb x -Tb 0) /(Te x -Te 0) 来估算的, 其中下标x 表示A , B , C , E , F , G 中某一时段的值, 而下标0则表示飞机在地面时的值。由表2可见, 晴空飞行所测灵敏度在0. 12～0. 65K 之间, 飞行的后半程中所
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高原气象(待发表)
of Column Cloud Liquid W ater Content by
Upw ard 2Looking Microw ave R adiometer
(I) :Instrument and Its C alibration
L EI Heng 2chi 1, WEI Chong 1, SHEN Zhi 2lai 1, ZHAN G Xiao 2qing 1, J IN De 2zhen 2,
GU Shu 2fang 2, L I Mao 2lun 2, ZHAN G Jing 2hong 2
(1. Instit ute of A t mospheric Physics , Chi nese Academy of Sciences , Beiji ng 100029, Chi na ;
2. Jili n Weather Modif ication Of f ice , Changchun 130062, Chi na )
Abstract :The pre 2scheme , design and performance of an airborne upward 2looking microwave
radiometer to measure column suppercooled cloud liquid water content as well as total column cloud liquid water content are introduced. The pre 2scheme suggests the feasibility of a single frequency radiometer for this purpose and focuses some technical difficulties of making such instrument , that are important references in design and performance of the instrument. The test methods of instrumental sensibility and its results are shown. The tests both in laboratory and on the airplane suggest that under certain conditions the tested sensibility can be less than or equal to 0. 2K. In addition , some feasible methods of instrumental calibration are introduced in detail , and their applicable condition as well as their uncertainty are discussed.
K ey w ords :Airborne microwave radiometer ; Cloud liquid water ; Supercooled cloud water ; Calibration ;
Sensibility