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地基微波辐射计拓展应用的理论与观测实验研究

雷连发  
【摘要】:地基多通道微波辐射计是一种被动大气遥感探测设备,能够获取高时空分辨率的大气温湿度廓线等参数。目前,已经被广泛应用在大气遥感探测中。然而,现有微波辐射计仅仅被用来观测反演大气温湿度廓线,它的应用价值并未得到充分发挥。为此,本文在常规大气遥感观测的基础上,针对微波辐射计高灵敏度的特点和遥感应用潜力,从观测平台、观测方式和观测目标等方面,开展了系统的拓展应用理论和观测方法研究,主要研究总结如下:(1)设计了地基微波辐射计走航观测模型,提出了走航观测实验的仪器技术性能与平台条件等参数之间的约束条件,进而研究了基于再分析资料的移动走航观测数据反演方法。最终开展了地基微波辐射计在城市、青藏高原复杂地形等环境下的车载平台走航观测实验。结果显示,走航观测反演的大气温度和水汽密度廓线反演结果与ERA5资料相关性大于0.97,温度平均偏差小于2℃,水汽密度偏差约为0.5g/m~3,相对湿度平均偏差约为10%~18%。该成果为开展地基微波辐射计走航观测、进一步发挥地基微波辐射计在天气系统跟踪观测实验中的应用价值积累了理论支撑和实践经验。(2)提出利用地基微波辐射计周期性(如2分钟/次)对地斜向向下观测,研究在土壤温湿度观测中的应用,从而保持地基微波辐射计向上观测大气层结功能的基础上,实现“一机两用”。针对这一目标,改进和优化了辐射计系统工作流程,实现了斜向向下观测模式,评估了微波辐射计在土壤温湿度反演中的应用潜力和反演原理。结果显示,地基微波辐射计可以同时实现大气层结与土壤温湿度反演。该成果对此后地基微波辐射计针对土壤温湿度观测的功能拓展有科技支撑作用。(3)探索利用地基微波辐射计进行太阳微波辐射观测的可行性,完善了微波辐射计观测太阳辐射亮温和日食过程等相关理论和方法,系统分析了微波辐射计对太阳辐射的响应情况。一方面研究利用太阳作为辐射源进行天线方向图测试、天线指向监测和辐射计系统稳定性评估等,为微波辐射计状态自动监测提供了方法。另一方面利用微波辐射计观测了太阳平均辐射亮温和日食过程等。结果显示,微波辐射计在22.235、26.235和30.0 GHz观测的太阳平均绝对辐射亮温分别为950±334、10351±370和9217±375 K,与已有观测结果对比,误差分别为9.1%、5.3%和4.5%。此外,利用微波辐射计观测了两次日食过程。结果显示,微波辐射计能够准确响应日食过程中太阳辐射的变化。该成果为进一步利用微波辐射计开展太阳辐射观测与应用研究提供了理论和技术基础。(4)基于地基微波辐射计对太阳辐射的长期观测,提出了一种利用微波辐射计被动观测估计地球公转轨道偏心率的新方法。实验结果表明,利用微波辐射计估计的地球轨道偏心率为0.016783,与理论参考值0.01672很接近;并计算出全年日地距离变化约为3.413%,由此变化而引起地表接收的太阳辐射能量变化约为6.493%。该成果表明地基微波辐射计在观测太阳辐射的过程中能够准确响应日地距离的变化,实现对地球轨道偏心率的观测计算。本论文的开展,为微波辐射计在传统大气探测、地表环境和太阳辐射观测等领域的综合应用奠定了基础并提供了新的思路。


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