基于FPGA的微波辐射计数控系统设计与实现QFW-6000型微波辐射计可连续监测大气温度和湿度廓线，并实时输出大气水汽含量和液态水含量等信息。本文介绍了海雾的形成条件和观测手段，并详细阐述基于QFW-6000型微波辐射计
基于FPGA的微波辐射计数控系统设计与实现
QFW-6000型微波辐射计可连续监测大气温度和湿度廓线，并实时输出大气水汽含量和液态水含量等信息。本文介绍了海雾的形成条件和观测手段，并详细阐述基于QFW-6000型微波辐射计进行海雾监测的方法，通过海雾生消过程下的观测结果分析，表明该设备具有优良的海雾观测能力。
【关键词】微波辐射计 海雾 逆温 湿度廓线
1 概述
海雾是在特定气象和水文条件下生产，其可使能见度降低到1km以下。海雾种类很多，依据形成特征及海洋环境，可分为平流雾、混合雾、辐射雾、地形雾等四种类型，常见并且范围较大的是暖空气平流到冷海面上而形成的平流冷却雾。
海雾主要观测手段是依靠沿海地区稀疏的地面观测站点，主要包括探空资料、地面气象观测站的能见度等数据。但是由于布站限制，其很难监测大范围海雾的分布状况。非常规监测主要包括激光雷达、云高仪、卫星遥感等，用于进行雾的判识和定量反演方面，但由于这些观测手段难以区分大气粒子的相态，对雾和霾的监测比较难区分。
2 基于微波辐射计进行海雾监测方法
微波辐射计是一种用于测量场景（目标）微波热辐射的高灵敏度接收机，它本身不发射信号，只是被动的接收各种物质发射的自然辐射信号或反射、散射信号。它由于灵敏度高、功耗小、重量轻、寿命长、可靠性好、成本低，还有隐蔽性好的特点，因此获得了广泛的应用。
微波辐射计测量反演对流层大气温度廓线，水汽廓线，大气总水汽含量，云中液态水含量，边界层区域逆温及大气不稳定度、大气不透明度等信息，由其中的边界层温湿度廓线，可判断大气低层的气象状况，这对判断雾的生消都是十分有益的。
基于辐射计的输出量，对海雾的监测可从以下的切入点进行。
2.1 判断当前天气形势是否有利于雾的产生
由地面温湿压数据及廓线数据，实时的大气的稳定性及是否有逆温出现，并可得到高湿区的分布区域，帮助判断是否有利于雾的产生。
2.2 可作为单点监测和预报的输入量
温湿廓线、积分水汽含量可提供单点的阈值，同时可作为模式的输入量，但会受布点的影响存在局限性。
2.3 区分雾与云
利用卫星监测大雾的难点在于大雾和层云的物理特性几乎完全相同，临近地面为雾，抬升到一定高度就是层云。卫星从太空向地面观测时，如果同时存在层云和雾，很难从观测数据中区分层云和大雾，因为它们具有几乎相同的物理特性和形态表现。由辐射计输出的相对湿度廓线及云底高度，可区分雾与云。
2.4 区分雾与霾
雾与霾在能见度上具有相似性，只依靠能见度难以对二者进行区分。二者的主要区别在相对湿度的差异上，辐射计提供的实时湿度廓线及积分水汽和液水含量，均对二者的区别提供有力的参考。
3 基于QFW-6000型微波辐射计对海雾监测案例
QFW-6000型多通道微波辐射计在气象、环保等大气参数遥感监测领域获得广泛使用，为数值预报、人工影响天气、短临天气预报、海洋气象监测、雾霾监测、大气环境立体监测等应用系统提供高精度实时大气参数信息，获得了明显的经济社会效益。
QFW-6000型微波辐射计产品在全国各区域已布设数十套，实践证明，产品技术先进、性能可靠，受到用户肯定。本文选取一套在宁波运行的QFW6000辐射计为例，对QFW-6000型地基多通道并行体制微波辐射计在海雾天气过程下输出产品情况进行说明。
图1是此次海雾天气过程中QFW-6000型微波辐射计的观测数据，分别是大气中水汽含量、云底温度数据、云中液态水含量、大气的相对湿度及温度二维时空分布图。
从相对湿度二维时空分布图上可以看出，雾持续时间段为00：40-8：30；16：30-18：50，共发生两次，雾垂直厚度约700米，雾区的相对湿度大于85%。
如图中所示，在雾发生的第1阶段、第2阶段，伴有云层出现，云高在4000米和1500米左右，云厚2000米左右，云底温度也一直维持在高值区域，这些观测量都很好的表征了雾和云的空间分布，有效区分雾和云。
在雾产生过程中，大气中水汽供应充足，同时大气层结稳定，出现逆温现象，逆温高度在700米左右，有利于雾的产生和维持；到中午时分，大气层结不稳定，逆温层消失，同时近地面相对湿度降低，雾随之消散。这些实时观测量有助于监测海雾的生消，同时可为海雾预报提供重要参考量。
4 结论
本文对国产QFW-6000型微波辐射计在海雾观测的方法进行了详细的论述，同时分析了QFW-6000型微波辐射计在海雾生消过程中的测量数据。结果表明，QFW-6000型微波輻射计可正确描述海雾生消的动态变化，其输出参数可应用于海雾监测，可为海雾监测及预报预警提供必要依据.
参考文献
[1]赵从龙，蔡化庆，宋玉林，等.对流层水汽和液态水的地基微波遥感探测[J].应用气象学报，1991，2（02）：200-207.
[2]郑崇伟，潘静，黄刚.利用WW3模式实现中国海击水概率数值预报[J].北京航空航天大学学报，2014，40（03）：314-320.
[3]郑崇伟，游小宝，潘静，等.钓鱼岛、黄岩岛海域风能及波浪能开发环境分析[J].海洋预报，2014，31（01）：49-57.
[4]王波.地基微波辐射计大气环境遥感研究[D].青岛：中国海洋大学（硕士学位论文），2014，29（04）：547-556.
QFW6000 微波辐射计技术资料
伽太科技提供微波辐射计前端组件及测试子系统等等，产品联系：sales@gamtic.com，021-5197 0121
微波辐射计是一种全天候“绿色”设备，本身不发射信号，通过直接测量大气辐射亮温，实时输出所选路径上大气积分水汽含量和路径积分液态水含量，连续监测地面大气温度、湿度、气压和空中大气中的水汽和路径积分液态水的演变过程，反演大气水汽密度廓线、湿度廓线、温度廓线和折射率廓线。 | ||
特点 | ||
| ||
典型应用 | ||
| ||
| 技术指标 | ||
| 温湿度廓线垂直分辨率30 m (0-500 m)40 m (500-1000 m)60 m (1000-1500 m)90 m (1500-2000 m)120 m (2000-3000 m)160 m (3000-4000 m)200 m (4000-10000 m)精度0.24 K RMS (0-500 m) 0.45 K RMS (500-1200 m) 0.70 K RMS (1200-4000 m)0.90 K RMS (4000-10000 m) 湿度精度0.4g/m3 RMS (abs. humidity) 5% RMS (RHi)液态水廓线垂直分辨率250 m (0-2000 m) 300 m (2000-5000 m)500 m (5000-10000 m)50 m (0-300 m)100 m (300-1000 m) 200 m (1000-3000 m) 400 m (3000-5000 m) 600 m (5000-10000 m) 密度: 0.03 g/m3 RMS 阈值: 50 g/m2 LWP大气剖面探测高至10km, 120层（50m/层，0-2000m；100m/层，2000-10000m） 温度、RH、水汽、液态水液态水路径LWP精度：±20 g/m2； 噪声：2 g/m2 RMS水汽含量IWV精度: ±0.2 kg/m2 RMS； 噪声: 0.05 kg/m2 RMS并行直接滤波器组系统K-波段：24通道（22.24～31.40 GHz）V-波段：24通道（51.26～58.00 GHz）通道带宽200～3000 MHz辐射分辨率K-波段：0.10 K RMS（1秒积分时间）V-波段：0.20 K RMS（1秒积分时间）定标后的绝对亮温精度0.2 K (1秒积分时间)辐射测量范围0～800 K>天线波束分辨率大天线〔天线直径250mm〕、窄波束，旁瓣电平 <-30 dBc3.4 度（湿度探测） 1.5 度（温度探测）积分时间各通道≥0.4秒：用户可选择廓线采样速率0-3600秒，用户可选择雨/雾防护系统微波透射窗带有疏水涂层、大功率风机系统加热模块，防止有雾气形成露水数据接口自适应网口，直接接入局域网通讯仪器控制工业伺服系统, 4×RS232, 2×LAN, 2×USB反演算法神经网络，线性/非线性回归算法测量模式定向观测和扫描观测模式工作温度范围-60°C～60°C相对湿度范围0～100％海拔高度从海拔负500 m到6500 m抗风性8级风正常工作，12级风不损坏功耗平均<120 W，开机最大峰值为350 W（不启动风机加热时）输入电压220 V AC, 50～60 Hz重量< 100 kg |
首页
