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微波辐射计在唐山地区观测和预报中的应用
摘 要：随着气象业务的发展,观测业务向着高精度、高自动化发展,主观预报也向着短时临近预报方向发展.微波辐射计作为新型观测仪器,保密性好、体积功耗小、具备全天候全天时工作能力等优点.唐山市气象站安装的QFW-6000型微波辐射计,具备实时内部定标、不定期绝对定标等优点.通过实际观测,微波辐射计作为常规观测强有力的补充,在短时临近预报中具有良好的指导意义.
关键词：微波辐射计；观测；预报
0 引言
随着气象业务的不断发展,自动化观测代替了人工观测,目前全国已经实现了自动气象站的逐小时、5 min的高精度观测,未来将实现对基本气象要素的分钟级全空间覆盖.预报业务也将逐渐转为数值模式直接进行短中期预报,预报员负责短时临近预报预警.稳定持续的观测能够保障业务的正常运转,高精度的观测能够为短时临近预报提供有力的预报依据.中国气象局也在《综合气象观测业务发展规划（2016—2020年）》中提出,加快推进全国风廓线雷达布局建设,推进微波辐射计等新型探测装备的试点和布局,挖掘气象雷达的高空观测能力,形成直接观测与遥感相结合的综合大气廓线连续观测能力.
1 微波辐射计
1.1 微博辐射计工作原理
近代量子理论表示：宇宙中的一切物质,只要处在绝对温度零度以上,任何时刻都在向外辐射电磁波.表示绝对温度为T的黑体辐射谱谱密度的黑体公示为：
微波辐射计根据大气对于不同频率微波频段辐射吸收的差异,选择不同微波通道探测大气的亮温的变化.通常使用微波遥感反演是对大气在22 GHz至200 GHz的频率带中的微波辐射进行测量.22.2 GHz附近特征表现为一个水汽谐振带,即根据水汽分布的气压高度表现的压力加宽；60 GHz附近的特征表现为大气氧气谐振带,此波段云液态水的发射光谱无谐振,并近似与频率的二次方成正比.通过测量氧气在60 GHz附近的辐射强度或亮温得出温度廓线,通过观测来自于水汽线压力增宽的辐射的强度和形状的信息,可以得到水汽廓线.
1.2 微波辐射计的特点
微波辐射计作为被动式遥感仪器,具有诸多优点：由于是被动接收,所以不容易被发现从而具有良好的保密性,同时辐射计的体积、功耗都很小；由于微波具有穿透云层、小雨、雾的特征和抗太阳辐射的影响,所以具有较强的全天候、全天时的工作能力,此优点强于可见光和红外；微波具有一定的穿透被测物体的能力；微波遥感具有一定的定量测量能力.
目前,唐山市国家基本气象观测站装有中国电子科技集团公司第二十二研究所自主研发的QFW-6000型微波辐射计一台,QFW-6000微波辐射计还具有实时内部定标,不定期绝对定标,采用模块化结构设计可根据实际需要进行功能扩展,设备运行状态远程监控等特点.
1.3 QFW-6000微波辐射计的使用
唐山气象站的QFW-6000微波辐射计安装在观测场的西北角,与业务值班室内装有微波辐射计控制管理软件的专用计算机相联.微波辐射计通过实时测量大气微波辐射信号,检测大气积分水汽含量、路径液态水含量的连续变化,反演输出大气温度、湿度和水汽密度廓线等数据,并在QFW-6000型微波辐射计系统软件中实时显示.
2 基于QFW-6000型微波辐射计对降水过程监测案例
2.1 降水实况
受冷暖空气共同影响,7日夜间到到8日白天,唐山地区出现强降水天气,全市大雨到暴雨,其中大暴雨站36个,暴雨站15个唐山国家基本气象站降水量达到50.1 mm.唐山国家基本气象站自动观测小时数据,唐山站降水出现在9～15时,强降水时段出现在11～13时,两小时累积降水达37.5 mm（表1）.
2.2 微波辐射计观测资料分析
选取2018年8月8日微波辐射计观测资料,利用第二十二研究所研发的微波辐射计数据处理软件,将微波辐射计观测的资料以图形显示.
根据微波辐射计地面温度显示,受冷空气影响,9时16分地面气温开始下降,至10时06分气温稳定,10时31分气温回升中伴有小幅波动,对应9～11时的两段弱降水；11时06分至12时31分,地面气温从25.5℃降至24.1℃,气温下降明显,对应11～13时的强降水；13时11分至14时01分,气温继续下降0.9℃,对应13～15时的弱降水.降水过后,气温开始回升.水汽供应是降水的必要条件,根据微波辐射计路径积分水汽含量显示,降水开始之前,整层水汽含量维持在35 mm以上,水汽条件充足.受降水影响,9～15时,水汽含量下降至33 mm水平.12时01分至12时31分,水汽含量从34.98 mm快速下降至33.86 mm,反映出该时段降水强度较大.13时至14时,小时内水汽含量又下降1.4 mm之后,开始呈现回升趋势,降水结束.
根据微波辐射计唐山站上空整层温度时间剖面显示,各层温度较为稳定,降水开始前近地面温度有小幅波动.选取3.5 km以下高度分析,可以看出,降水前,等温线相对平稳.9时过后,受冷空气影响,等温线开始呈下降趋势,对应降水开始.11时开始,等温线小幅上升后又呈明显下降趋势,此时段冷空气形势较强,降水强度较大.至14时,冷空气过境,等温线呈上升趋势,降水结束.在相对湿度时间剖面图上,高层湿度相对较低.在5 km以下高度,在12时之前呈现明显的上干下湿的层结分布,有利于强对流天气的形成.12时至15时,暖湿空气汇聚,相对湿度明显增大,近地面接近饱和,而12时至13时1 h降水达31.8 mm,正是降水最强、对流能量释放的时段.从水汽密度时间剖面图可以看出,降水开始之前,水汽密度的大值区主要分布于对流层的低层,10 g/m3等水汽密度线位于2 km高度,近地面出现了22 g/m3的大值区.9时16分,伴随降水的开始,水汽密度开始降低16时过后,降水结束后,水汽开始积累,水汽密度开始增大.
3 结语
1）微波辐射计观测要素多,观测时间精度高,能作为气象观测站地面观测和高空观测强有力的补充.
2）唐山国家基本气象站的QFW-6000型微博辐射计能够详细观测到降水前后温度、水汽含量、相对湿度、水汽密度等气象要素的变化,对天气过程发生、发展、结束的预报,特别是短时临近预报具有很好的指导意义.
参考文献
[1]海阿静,于永杰,张志国,等.QFW-6000型地基多通道微波辐射计及典型天气过程观测结果分析[J].火控雷达技术,2016,（4）：6-11.
[2]肖志辉,张祖荫,郭伟.地基、空基、星基微波辐射计定标技术概览[J].遥感技术与应用,2000,（2）：113-120.
辐射论文范文结:
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