微波辐射计和激光雷达在人工影响天气中的应用1216

报告内容
基本工作原理
云雾物理和人影的需求
应用个例
问题&处理 一些讨论
MP-3000A Radiometer（35通道）
MPL(Micro Pulse Lidar)微脉冲激光雷达
微波辐射计 ：是利用被动的接收，各个高 度传来的温度辐射的微波信号来判断温度、 湿度曲线。(3055和3069) 只收不发
应用个例分析：降水个例
2009年5月14日弱降水
12时（UTC）前后，降水云体主要位于零度层以下，本次降水主要为暖云降水。随 着夜间温度逐渐降低，近地面相对湿度仍然很高，近地面凌晨前后相继有雾出现。
2009年8月24日降水个例
微波辐射计反演温度 与相对湿度廓线与探空观测对比（0-2km）
两公里以下温度、 相对湿度、液态水时空分布
2018/9/13
数据分析
图
2018/9/13
10月8日 12:00~10月9日 24:00 纵坐标 2km
数据分析
“干-湿-干-湿”
“低湿-高干”
图7 20141001个例中10月1日00 :00时至24:00微波辐射计观测特征 Fig.7 Liquid profile observations during Oct．1st，00:00-24:00， 2014
人影试验和作业中的应用
了解和判断作业高度的温度； 云中液态含水率的多少及分布； 与卫星资料对比（云的光学厚度）； 云底高度和云顶高度； 作业效果评估；
……
注意：作业区和微波辐射计的相对位置； 天气系统的移动方向和速度
２０１４１００１研究个例
数据分析
图3
2018/9/13
2014年10月2日早晨07：00时北京市北部地区（昌平天通苑）雾
收集辐射能量（皮瓦/1015瓦）
8 km
Ground Met, IRT, Climatology, Atmospheric Model
oxygen 118.75 GHz
Sensitive Receivers (many “channels”)
0
50
Apply equations
Atmospheric Profiles 150 200 up to 10 kilometers Frequency, GHz
数据分析
PM2.0(1H-Avg)
Intensity (mm/h)(1min)
Precipitation(mm)
12
90 10
80
8
PM值(ug/m3)
60
6
50 4 40 2 30
20 10/1 2:24 10/1 7:12 10/1 12:00 10/1 16:48 10/1 21:36 10/2 2:24 时间（date time）
微波能量
Planck定律 温度亮温
表面温度、相对湿度、 压力、云底温度
神经网络算法 （历史探空+ 辐射传输方程）
温度湿度液水含量廓线
What is a lidar? 激光雷达
MPL应用 （监测内容）：
大气气溶胶（飘尘）垂直分布和时空演变特征 云（云底、多层云）垂 直分布和时空演变特征/ 大气边界层的结构和时空演变特征/ 大气能见 度测量。 水平气溶胶分布探测（需增加扫描装置） /卷云的形态特征（区分水云 与冰晶云）。 识别沙尘、烟尘等非球形粒子（扬沙、沙尘暴监测） 雾、霾其时空演 变特征/ 粒子谱垂直分布和时空演变特征。 MPL(Micro Pulse Lidar)微脉冲激光雷达
湖北-万蓉 （ 31th年会）
结论(I)
1.微波辐射计与探空探测的水汽密度及大气可降水量相关性较 好，两者之间偏差较小。 2.大气可降水量在降水时有明显的日变化特征，整体表现为 “一谷一峰”；液态水总量在白天变化与大气可降水量类似，
但夜间变化多波动。
3.水汽密度整体随高度递减，在低层（2km以下）降水时的水 汽密度明显小于阴无雨时；液态水含量随高度先增后减，阴无 雨时大值区出现在3km左右，降水时大值区出现在4km左右。
0 10/2 7:12
图4 20141001个例实测降水及颗粒物演变特征 Fig.4 Variation of precipitation and particulate matter concentration of 20141001
降水(mm)(mm/h)
70
数据分析
图6 20141001过程中1日08：00时至2日12:00时（激光雷达）（纵坐标5km）： Fig.6 Variation characteristics of aerosol height of MPL during Oct．1st-2nd，2014
sea level total
100
10
cloud liquid water
sea level
1
sea level 8 km
water vapor 183 GHz
0.1
8 km
oxygen 60 GHz
sea level
0.01 Collect (Passive) the radiation water vapor (Pico watts) 22.2 GHz 0.001
☆降水过程的深入分析，湿清除效率与降水的粒子谱和强度有很大关系，进一步分 析不同类型降水或不同降水阶段的清除效率； ☆增加气溶胶及其转化的观测，如CCN，PACASP，TSI3936…等，关注降水湿清除过程 中，气溶胶的转化方式，推断转化和清除详细的机理机制。
2018/9/13
结 论
微波辐射计与探空比较结果：微波辐射计基本可以反演出 温度和相对湿度的趋势，但低层的逆温微波辐射计没有明 显的表现；从0-2km比较可以基本估计该时刻相对湿度和 温度反演的误差，近地面温度误差约1度左右，相对湿度 0.5km以上出现较大偏差。总的来看，温度比相对湿度的 吻合程度要好很多。 微波辐射计对雾-霾有良好的监测能力。 由于受降水粒子下落在仪器天线罩上的影响，微波辐射计 在降水天的观测将受到一定影响。但是当降水量较小时， 仍具有较好的监测能力。 （观测方法改进，斜路径？）
算得到大气可降水量及液态水总量。其数据具有较高的时间分辨力，采样周
期为3min左右，其中，大气廓线还具有较高的垂直分辨力，0.5km以下为50m， 0.5~2km为100m，2~10km为250m。
①
①：降水感应器 ②：纳米天线罩和鼓风机 ③：红外测温仪（IRT）
②
③
水汽
氧气
液态水
空气中的微波和红外辐射 转化为温度、湿度和液水廓线
人工影响天气作业效果的分析；
要做什么？ 仪器能做什么？
****
能否解决我们的问题？
云雾物理特种观测平台
SEM CCN PCASP 2nm～ 0.75～10μ 0.1～3.0μ FSSP FM-100 CIP
根据业务需求规划设计\逐步建设：2007 重点实验室设备购置；2007重点实验室 检测设备购置项目；2012云雾地基观测 购置项目。
探空特点：定时、定点，消耗大； 直接观测
探空曲线 温 压 湿 风 随 高 10/20km 度 的 垂 直 变 化 特 征 探空仪上常用的温度传感器是扭成环状 或螺旋状的双金属片，另一种用得较多 的是珠状或棒状热敏电阻温度传感器。 探空仪上测压主要用空盒传感器，为了 增加探测的灵敏度，常常将多个空盒串 联在一起使用。 测量高空湿度是一个较为困难的问题， 过去多采用毛发或肠衣，也有用电阻式、 电容式测湿元件。 通常探空仪测风与测风气球测风是一样 的。 但在夜间、阴天或气球入云的情况下就 得求助于无线电方法，通常用测风雷达。
激光雷达：是用激光器作为发射光源，采用 光电探测技术手段的主动遥感设备。 一发一收
微波辐射计工作原理示意图
How Does the Radiometer Work?
大气的微波辐射和吸收 Atmosphere (microwave Radiation & absorption)
Absorption, dB/km
2018/9/13
数据分析
“上干-下湿”
“干-湿-干”
图8 20141001个例中10月2日00:00时至24:00微波辐射计观测特征 Fig. 8 Liquid profile observations during Oct．2nd，00:00-24:00， 2014
2018/9/13
数据分析
图 20141001个例全过程（1日00:00时至10月2日24:00）微波辐射计观测特征（5km） Fig. Liquid profile observations during Oct．1st00:00-2nd24:00， 2014
2018/9/13
数据分析
“干-湿-干-湿”
“干-湿-干”
图 20141001个例全过程（1日00:00时至10月2日24:00）微波辐射计观测特征（2km） Fig. Liquid profile observations during Oct．1st00:00-2nd24:00， 2014
☆该过程降水发生前，湿度垂直分布表现自下而上“干-湿-干-湿”结构， 随降水发生，干湿结构被打破，5km以下均表现为饱和区。降水停止后约4小 时湿度开始减小。 ☆该过程颗粒物浓度变化有一定的日变化特征，过程最大PM2.5浓度值为 83.5µg/m3，降水开始阶段对霾颗粒物有显著的清除作用。降水后地面颗粒 物浓度先减后增，可能与降水增加近地面湿度至饱和，从而促进气-粒转化 过程有关，此内容今后应针对性深入研究。
高度0-6000m， 0,109 to 6 mm。
气溶胶粒子 （大气冰核、云凝结核）
云滴
降水粒子
……
纳米
微米
毫米
应用个例分析：雾日个例
2009年7月6日轻雾
10km
微波辐射计反演温度与相对湿度廓线与探空观测对比
2km
两 公 里 以 下 温 度 、 相 对 湿 度 、 液 态 水 时 空 分 布
二 〇 〇 九 年 五 月 — 八 月 观 测 部 分 典 型 的 雾 个 例
2018/9/13
Ｃ１＼Ｈ１
Ｃ２＼Ｈ２
（北京--张蔷，2014）
雾霾的形成机制
>10km 3-5km 1-4km 0.5-2km 能见度
边界层 过程
边 界 层 高 度
气溶胶 吸湿增长
二次 气溶胶
影响机制
个例小结
该过程为霾污染天气过程:弱冷空气入侵产生降水，霾颗粒物粒子浓度迅 速减小然后又有所增加并维持，同时降水增加近地面空气的相对湿度达到饱 和并较长时间维持，后颗粒物浓度减小转为低能见度的雾，次日随辐射渐 强、雾消散转晴。
2018/9/13
数据分析
若定义：
清除率=(C1*H1-C2*H2)/C1*H1/Δt；
其中: C1为降水开始前颗粒物浓度；（PM2.5，PM10） C2为降水后颗粒物浓度；（PM2.5，PM10） H1为降水开始前边界层高度； H2为降水后边界层高度; Δ t为时间间隔。 清除率PM25=6.63%/min； 清除率PM10=6.62%/min。 在降水开始时，降水对颗粒物的清除相当可观。
MPS
冰晶显微
1～100μ 2～50μ 25μm～1.55mm
50μ～3.1mm 10μ～ 20 nm～3.5μ
DMA
八级采样
云雷达
0.4～10μ
斜距30km 云、雾、沙尘
TSI3936
激光雷达
2.5～1000nm
150-25000m(532) 气溶胶监测
Thies Clima 雨滴谱仪
雨雷达
0.16 ～ 8 mm
微波辐射计在人工影响天气的应用
苏正军 中国气象科学研究院 中国气象局云雾物理环境重点实验室 2016.12.16. 河南南阳
MP-3000A Radiometer & Micro Pulse Lidar Research and Application Workshop, 2016.04.19-21, Beijing
100
距地高度10公里的廓线
4
地面气象要素，红外温度，气候天气模式 （多通道）敏感的接收器
微波辐射计为美国Radiometrics公司生产的MP-3000A型35通道地基微波辐
射计，能够利用自带的神经网络算法将得到的亮温数据反演得到0~10km高度 范围内58层的温度、相对湿度、水汽密度及液态水含量廓线，同时还能够计
风
原理：探空仪升空中，热敏电阻、硅压敏电桥、湿敏电阻分别随大气的T、P、U变化而改变阻值大小 或输出电压大小，这些变化值通过智能转换器转变成不同的二进制数据。0—30Km垂直高度的温、压、 湿、风向和风速的综合探测。
云降水自然规律的监测、分析和记录; 云和降水的预警；
需求
作业潜力的预报（过冷水区域，冰雹增长区…）；