地基微波辐射计工作原理和产品初分析

徐延欣

摘要：微波辐射计是一种被动式微波遥感设备，主要用于中小尺度天气现象。主要介绍TP—WVP3000型、RPG-HATPRO型两种地基微波辐射计工作原理和产品分析。TP—WVP3000型地基微波辐射计可以连续得到从地面到10km高度的温度、水汽和液态水的垂直廓线。德国RPG-HATPRO地基微波辐射计采用多通道并行测量核心技术，通过无线电高空探测器测得的温度、气压和湿度廓线，得到相应的数据组，进而得到大气温湿廓线。

关键词：地基微波辐射计 ;TP—WVP3000;RPG-HATPRO

中图分类号：TN911   文献标志码：A

1.引言

微波辐射计是一种被动式微波遥感设备。目前中尺度天气现象监测中，探空气球和天气雷达是常用的手段。探空气球会受到时间和空间的限制;雷达资料局限于降雨过程无降水时的欠缺。地基微波辐射计的出现，填补了上述各监测手段的空白，是其有效的补充手段。

微波辐射具有独立工作能力，几乎能在各种环境条件工作，适用于自动天气观测，用于反演完整的大气廓线。

目前，国际上新成熟的技术为并行多检测器、多通道直接测量技术。采用K波段和V波段的水汽和氧气通道观测反演大气的水汽和温度信息。并行技术微波辐射计的各通道带宽相互独立，在积分时间充足的条件下，可采用边界层多角度扫描，从而捕捉到边界层1K的微小亮温变化，明显提高了边界层温度垂直分辨率。并行多通道也使得快速全天空扫描及方位-时间扫描得以实现，有助于监测天空快速水汽变化和云天变化。

本文着重介绍TP—WVP3000型、RPG-HATPRO型[1-2]（温度和湿度廓线仪）两种地基微波辐射计，以及工作原理和产品分析[3-6]。

2.仪器工作原理

2.1TP—WVP3000型地基微波辐射计

TP—WVP3000型地基微波辐射计（图1），是一种新型12通道微波辐射计，它可以连续得到从地面到10km高度的温度、水汽和液态水的垂直廓线。其中，TP-WVP3000生成温度、水汽以及低溶解度液体的廓线图。

溫度廓线可以通过测量在60GHz氧的特征放射强度或亮度温度而得到。通过从线的中心向下到线的两侧进行扫描，设备可以得到高度信息。水汽廓线可以通过观测压力扩大水汽线的放射强度和形状得到。水汽的辐射在高处是一条窄的线，而在低处压力扩大。

2.2德国RPG-HATPRO型地基微波辐射计

德国RPG-HATPRO是世界上最先进、最具代表性的新一代微波辐射计（图2）。RPG-HATPRO采用多通道并行测量核心技术，引领着全球微波辐射计的发展方向和未来。

通过无线电高空探测器测得的温度、气压和湿度廓线可以得到相应的数据组。选取95%的相对湿度接线作为云层存在界限，可以得到隔热的云层液态水廓线，并且利用MWMOD对无线电探测数据进行转换，并通过随机产生的干扰排除实际的干扰，从而得到实际的亮温度。进而得到大气温湿廓线。

3. 探测产品分析

图3—6是1TP—WVP3000型地基微波辐射计、RPG-HATPRO型地基微波辐射计的大气廓线产品，反演地面至不同高度的垂直方向上大气温度、相对湿度和液态水廓线等要素。

图3是RPG-HATPRO型地基微波辐射计测得，从地面到10km高度垂直方向上的大气温度、相对湿度和液态水廓线、24小时内的降雨情况。根据温度廓线，大气温度随高度的增加而降低。8km以下，从0时到6时温度有下降趋势，在6时有气温明显升高到6时30分左右出现峰值，此后下降到7时温度与之前相差不大，之后温度趋于稳定，并有略微的上升趋势，地面最高温出现在0时。在9km高度处，除在6时30分左右出现峰值外，其它时次也有明显的波动。据液态水廓线可知，在2km高度以上，大气中基本上不存在以液态形式存在的水。

图4是TP—WVP3000型地基微波辐射计测得，2008年5月13日12-16时从地面到1.0km高度垂直方向上的温度廓线。由图，大气温度随高度的增加而降低。图中0.2-0.6km高度上，温度随高度增加而升高，说明出现了逆温现象。

图5是TP—WVP3000型地基微波辐射计测得，2008年5月13日12-16时从地面到1.0km高度垂直方向上的水汽密度廓线[2]。由图，水汽密度随高度增加而降低。其中，0.2-0.4km高度上，水汽密度出现剧烈变化，达到2.0g/m，在13时20分左右出现极大值。

图6是RPG-HATPRO型地基微波辐射计测得，2008年5月13日12-16时从地面到1.0km高度垂直方向上液态水廓线。由图，液态水含量随高度升高而下降。其中，在0.1km以上，液态水含量有剧烈变化，在13时及15时20分左右达到极大值。

4. 结语

微波辐射计是一种被动式微波遥感设备，主要用于中小尺度天气现象。地基微波辐射计的出现，填补了探空气球和天气雷达等各监测手段的空白，是其有效的补充手段。

常用的TP—WVP3000型地基微波辐射计，可以连续得到从地面到10km高度的温度、水汽和液态水的垂直廓线，具体可以探测到垂直方向不同高度上大气温度的变化，以及探测垂直方向水汽密度随高度的变化。德国RPG-HATPRO微波辐射计通过无线电高空探测器测得的温度、气压和湿度廓线可以得到相应的数据组，判断大气温度随高度的变化，同时根据据液态水廓线，可以得到在某一高度上，判断大气中是否存在液态形式存在的水。

目前，国际上运用先进的并行多检测器、多通道直接测量技术，通过微波辐射等自动天气观测，反演完整的大气廓线，这对于现代气象观测工作具有实用意义。

参考文献：

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