星载降水测量雷达是风云三号02批卫星观测星座中的重要仪器，该仪器的两个原理样机(Ka波段(3 mm)和Ku(8 mm)波段雷达)已经研制成功。中国国家卫星气象中心、航天科工集团第二研究院、中国气象科学研究院、兰州大学与天津气象局5家单位合作，于2010年6—7月在天津渤海湾开展了中国首次星载降水雷达校飞试验，获取了机载Ka波段雷达、车载Ka波段多普勒雷达(刘黎平等，2009)和地面S波段多普勒雷达观测数据，地基多通道微波辐射计数据和GPS高空探空数据。此次雷达机-地同步降水观测试验的主要目的是验证机载Ka波段雷达性能指标和探测降水的能力。

在降水雷达的反演算法中，衰减订正至关重要(Fujita et al，1997; Bringi et al，2001；胡志群等，2008)。目前比较常用的衰减订正方法是结合使用HB(Hitschfeld-Bordan)和SRT(Surface Reference Technique)(Amayenc et al，1996; Iguchi et al，2000; TRMM Precipitation Radar Team et al，2005)。而本次校飞试验，由于观测时间和空间受限，难以利用SRT计算路径积分衰减(path-integrated attenuation，PIA)。为此，提出一种基于GPS探空和地基微波辐射计估算路径积分衰减的方法。将GPS探空所得到的温湿度廓线作为微波辐射传输模式的输入，利用绝热液态水含量分析方法计算出云中液态水含量，通过对比云分析前后模式模拟得到的下行辐射亮温与地基多通道微波辐射计的观测亮温，验证云分析结果对亮温模拟精度的影响，进而通过微波辐射传输模式进行气体吸收和云衰减计算，最终得到雷达路径积分衰减，为分析星载雷达降水探测能力奠定基础。 2 数据和方法 2.1 GPS高空探空数据

GPS探空系统利用GPS接收模块将空间位置信息融合到探空数据流中，利用探空仪上的温度、湿度和气压传感器，获取高空气象数据。GPS探空每2 s有一组数据，包括气压、温度、相对湿度、位势高度、风速、风向和露点。本文所用GPS探空资料时间为2010年7月10日，位势高度从3.0 m(1006.5 hPa)到32099.5 m(9.2 hPa)，共计2466层探空数据。温度和相对湿度的探空廓线如图 1所示。

图 1 GPS高空探空廓线(a.温度廓线，b.相对湿度廓线)Fig. 1 Profiles of the GPS radiosonde(a. temperature profile，and b. relative humidity profile)

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所用的观测亮温数据是由地基多通道微波辐射计TP/WVP-3000垂直观测得到的12个通道亮温。TP/WVP-3000由美国Radiometrics公司研制，是一种新型的12 通道微波辐射计，该辐射计在水汽敏感的K波段(20—30 GHz)设置了5个通道(22.235、23.035、23.835、26.235、30 GHz)，在温度敏感的V波段(50—60 GHz)设置了7个通道(51.25、52.28、53.85、54.94、56.66、57.29、58.8 GHz)，能够直接测量这12个通道的微波辐射亮温，其规格详见表 1(Radiometrics Corporation，2005)。该辐射计还带有测量地面温度、湿度和气压的气象传感器，并且，使用了对准天顶的红外温度计测量云底温度。利用辐射计自带的反演软件可以连续得到从地面到1 km间隔100 m、1 km到高空10 km间隔250 m的温度、水汽密度以及液态水的垂直廓线。

地基多通道微波辐射计观测的是大气的下行辐射亮温，模拟下行辐射亮温所用的微波辐射传输模式为MWMOD(microwave model)。该模式由各独立模块组成，海洋下垫面上的大气辐射传输模拟由德国基尔大学海洋科学研究所开发，模拟海冰的微波辐射部分由华盛顿大学的Thomas开发。各模块被集成到模型中来考虑海冰、开阔洋面和大气极化时的微波辐射(Rolf Fuhrhop，1998)。

MWMOD采用多次散射方法求解极化辐射传输方程(Rolf Fuhrhop，1998)，能够模拟1—1000 GHz内的微波辐射。模式根据Liebe提供的有关毫米波传输模型的相关代码计算水汽和氧气的吸收，用米散射理论计算云的吸收和散射系数，用Tsang等的微波传输理论计算极化相函数，用菲涅耳方程模拟洋面反射特性，采用Hollinger和Stogryn的经验关系模拟洋面风速的影响。 2.4 云水廓线分析

在降水观测试验中，常规探测方法无法对云中液态水含量进行直接测量，而液态水对雷达波的衰减又是计算路径积分衰减所必需考虑的，因此，有必要考虑用参数化方法计算液态水含量。本文利用MWMOD自带的绝热液态水含量分析方法，从GPS探空资料计算液态水廓线。

绝热液态水含量分析液态水廓线的方法需要先设定一个相对湿度的阈值，探空资料中相对湿度大于这一阈值的层有云出现。每层云中绝热液态水含量为(Karstens et al，1994)

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设置相对湿度阈值为91%，根据2010年7月10日的GPS高空探空数据，MWMOD分析出的液态水廓线如图 2所示，图中虚线为用式(1)分析出的液态水廓线，实线为修正后的液态水廓线。可见大气夹卷、降水以及凝结作用使云中液态水含量明显降低。

图 2 MWMOD分析出的云水廓线结构Fig. 2 Profiles of CLW_ad and CLW analyzed from the MWMOD

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利用GPS探空廓线，分两种情况用MWMOD模拟地基多通道微波辐射计观测频点的下行辐射亮温：(1)云分析前的情况；(2)云分析后的情况。云分析前模拟得到的辐射亮温如图 3中虚线所示。设置相对湿度阈值为91%，利用模式分析出的云水廓线进行亮温模拟计算，所得亮温曲线如图 3中实线。由图 2可见，云出现的高度在1.5—2.6 km，根据探空记录的时间，辐射计在此时段内观测亮温的平均值由图 3中星号标出。由于当天的天气实况为多云，在没有考虑云中液态水吸收及发射作用的情况下，和辐射计观测相比，模拟亮温明显偏低；分析出液态水廓线后的模拟亮温则与辐射计实测亮温非常接近。

图 3 云分析前后模拟亮温与辐射计观测亮温对比Fig. 3 Comparison of the brightness temperatures simulated from the MWMOD(with and without cloud analysis)with those observed by radiometer

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对模拟亮温和辐射计观测亮温进行误差标准差分析，得到云分析前误差标准差为6.1649，云分析以后误差标准差为2.1754，可见进行云水廓线分析以后模式模拟结果的准确性明显提高。

地基多通道微波辐射计12个通道云分析前后模拟亮温和辐射计测量亮温的值如表 2所示。可见，进行云分析以后，亮温的模拟结果更接近于实测值，特别是在51.25和52.28 GHz这两个探测通道，云分析后的亮温改进更为明显。这是因为这两个通道的探测高度较低，低层云的出现对它们的影响更大。

由3.1节分析表明，通过MWMOD分析得到云水廓线，进而模拟出的亮温结果与辐射计的观测值吻合较好。因此，对于降水雷达衰减订正而言，可以通过辐射传输模式和地基微波辐射计从探空廓线中分析出液态水廓线，计算出大气整层透过率，进而得到路径积分衰减(P_IA)。

以dB为单位的双程路径积分衰减可以用透过率来表示

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Ka波段雷达扫描角度范围±18°，步长0.9°。计算云分析前后的P_IA如图 4所示，可见进行云分析后，衰减量约增加了0.5 dB。计算星下点观测时，每个高度层上的路径衰减如图 5。云分析后的衰减量随高度升高而明显增加。

图 4 Ka波段雷达双程路径积分衰减量随扫描角度的变化Fig. 4 Variation of the Ka-b and radar path-integrated attenuation PIA with scan angle

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图 5 Ka波段星下点观测时路径衰减随高度的变化Fig. 5 Variation of the Ka-b and radar path-integrated attenuation PIA at nadir with height

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利用GPS探空数据，结合微波辐射传输模式MWMOD，通过绝热液态水含量分析方法构造出云水廓线并进行辐射亮温模拟。模式模拟亮温和地基多通道微波辐射计观测亮温的对比结果表明，进行云水廓线分析以后，模式模拟亮温与辐射计实测亮温非常 接近。由此计算出大气整层透过率，进而得到Ka波 段雷达双程路径积分衰减量，为雷达反射率因子衰减订正中估计P_IA提供了一种有效手段。

大气整层透过率计算的精度与模式模拟亮温的准确性密切相关，而云中液态水含量的估算对模拟亮温的影响很大。文中对云水廓线的分析主要依赖于设定合适的相对湿度阈值，它受天气实况以及云层实际厚度的影响设定存在一定的局限性。

致谢： 地基辐射计数据由兰州大学张北斗老师提供，在此深表感谢。