(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111650403.7 (22)申请日 2021.12.2 9 (71)申请人 天津市人工 影响天气办公室 地址 300000 天津市河西区气象台路9 2号 (72)发明人 王婉　聂皓浩　 (74)专利代理 机构 天津知远君 正专利代理事务 所(特殊普通 合伙) 12236 专利代理师 何君 (51)Int.Cl. G01N 22/04(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种机载微波辐射计通道最优化组合反演 方法 (57)摘要 本发明属于云中液态水探测技术领域， 尤其 是一种机载微波辐射计通道最优化组合反演方 法， 包括分析机载微波辐射计GVR四个通道的云 中液态水探测能力， 定义液态水探测灵敏度、 探 测阈值及探测精度， 从几个方面 分析该辐射计四 个不同通道的云中液态水探测能力。 该机载微波 辐射计通道 最优化组合反演方法， 提出通过定量 计算微波辐射计四个通道液态水探测灵敏度、 阈 值和精度， 分析其垂直累积液态水探测能力， 明 确其适用范围， 据此解决现有反演方法中存在的 问题。 权利要求书3页 说明书7页 附图1页 CN 114486942 A 2022.05.13 CN 114486942 A 1.一种机载微波辐射计通道最优化组合反演方法， 其特 征在于： 包括如下步骤： 步骤一： 分析机载微波辐射计GVR四个通道的云中液态水探测能力， 定义液态水探测灵 敏度、 探测阈值及探测精度， 从以下几个方面分析该辐 射计四个不同通道的云中液态水探 测能力； S1， 将每个时次的探空数据最低高度取不同数值， 建立云天样本数据集； S2， 通过亮温与液态水含量变化定性分析不同通道液态水探测能力； S3， 在定性分析基础上， 定义并定量计算液态水探测灵敏度表征值、 探测阈值和探测精 度， 从探测灵敏度、 阈值及精度多方面定量分析 该辐射计不同通道的液态水探测能力； 步骤二， 基于机载微波辐射计液态水探测能力分析， 根据探测通道数目对液态水探测 区间进行分类； 再在 任一分类区间内， 对多个有效探测通道按照灵敏度进 行组合， 建立不同 的液态水反演方程； 步骤三， 开展外场观测试验， 利用其它机载独立观测仪器的探测结果进行对比分析， 验 证不同探测区间内通道最优化组合反演方法的垂 直累积液态水反演结果， 并进一步分析和 明确其适用范围。 2.根据权利要求1所述的一种机载微波辐射计通道最优化组合反演方法， 其特征在于： 所述S1建立云天样本数据集的步骤为： 先收集探空站10年探空数据， 剔除数据缺失资料和 雨天资料， 以观测资料相对湿度作为阈值诊断云天样本， 其次， 将 每个时次的探空数据最低 高度取不同数值， 完成建立。 3.根据权利要求2所述的一种机载微波辐射计通道最优化组合反演方法， 其特征在于： 所述S2计算液态水含量的步骤为： 建立液态水垂直分布廓线， 计算垂直累积液态水： 在 Decker模 型基础上， 根据云层厚度确定 云水密度， 考虑温度对云水相态影响， 利用云水总量 与云液态水、 云固态水的函数关系计算云中液态水密度， 建立液态水垂 直分布廓线； 沿 高度 积分计算垂直累积液态水。 4.根据权利要求3所述的一种机载微波辐射计通道最优化组合反演方法， 其特征在于： 所述S2计算亮温值步骤为： GVR在飞机飞行高度进行观测， 接收来 自其上方的微波辐射， 观 测方式为扫频法， 采用机载对空微波辐射传输方程： 公式中： T0表示宇宙背景亮温， 单位： K， 一般取常数2.7K， Z0表示飞机飞行高度， 单位： m， f表示辐射计工作频率， 单位： Ghz， α(单位： K ·m‑1)表示183GHz对应的水汽、 氧气和云液水 吸收系数之和， 单位： K ·m‑1， 通过上述微波辐射传输方程计算出模拟飞机飞行高度处微波 辐射计接收到的四个通道天空亮温值； 根据上述计算获取的亮温及相应的垂直累积液态水建立不同探测通道亮温 ‑垂直累积 液态水关系， 定性分析 各通道探测液态水灵敏度变化。 5.根据权利要求4所述的一种机载微波辐射计通道最优化组合反演方法， 其特征在于： 所述S3定义液态水探测 灵敏度表征值： ΔT/ΔW值为探测灵敏度表征值， 其中ΔT表示辐射 计某一通道的亮温变化值， ΔW表 示单位垂 直累积液态水变化值， ΔW取值一样的情况下， Δ T/ΔW值越高则探测灵敏度越高；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114486942 A 2定义液态水探测阈值： 由于微波辐射计GVR亮温探测变化最小值为1K， 因此以亮温变化 值为1K时对应的垂 直累积液态水值作为各通道液态水探测阈值， 即当ΔW值一定， 理论计算 的ΔT值小于1K时， 该通道达 到饱和， 失去液态水探测能力； 定义液态水探测精度： 单位垂直累积液态水变化量ΔW为探测精度， ΔW值越大， 精度越 小， ΔW值越小， 精度越大； 液态水探测灵敏度、 探测阈值大小都与探测精度ΔW有关， ΔW越大， 探测灵敏度越高， 探测范围越宽广， 但探测到的垂直累积液态水精度却随之降低， 因此需要权衡这三个量值 来综合分析机载微波辐射计GVR四个通道云中液态水探测能力； 根据上述定义分别定量计算辐射计不同通道在不同探测精度下的探测灵敏度及阈值， 综合定量分析其液态水探测能力。 6.根据权利要求5所述的一种机载微波辐射计通道最优化组合反演方法， 其特征在于： 所述步骤二中根据探测通道数目对液态水探测区间进行分类： 区间1有4个通道， 区间2有3 个通道， 区间3有2个通道， 区间4有1个通道； 在区间1、 区间2和区间3， 分别对所有探测通道按照灵敏度进行组合， 建立不同的液态 水反演方程： 在云天样本数据集中挑选液态水含量在反演区间内的样本， 采用机载对空微 波辐射传输方程计算不同通道亮温值， 针对每个区间将亮温进 行不同方式组合， 以区间1为 例， 按照灵敏度 大小分别表示成1、 2、 3、 4， 选择四种组合方式， 即1， 1、 2， 1、 2、 3， 1、 2、 3、 4， 反 演方法采用斯图加特神经网络算法， 以不同的组合亮温及云天样本最低高度、 最低高度对 应温度几个变量作为输入， 以垂 直累积液态水作为输出变量， 建立液态水反演方程； 在区间 4选择唯一有效探测通道、 云天样本最低高度、 最低高度对应温度几个变量作为输入， 以垂 直累积液态水作为输出变量， 建立液态水反演方程； 利用收集的探空资料， 通过数值模拟检验方法计算上述同一区间内不同反演方程的反 演精度并进行比较， 以获取探测通道最优化组合反演方法， 具体为： 选取探空站10年探空数据， 剔除数据缺失资料， 建立云天样本数据集， 即检验样本； 对所有云天样本建立液态水垂直廓线， 计算垂直累积液态水， 根据上述四个不同区间 范围进行分类， 在某区间范围内， 利用机载对空微波辐射传输方程计算每个检验样本的4个 通道亮温值作为模拟观测值， 选择不同反演方法对应的亮温通道及高度、 高度对应温度作 为输入变量， 通过相应反演方程计算垂 直累积液态水， 该值作为反演值， 利用探空资料计算 的对应垂直累积液态水作为真值； 计算垂直累积液态水真值和反演值的统计均方根绝对偏差和相对偏差， 具体为： 垂直 累积液态水反演值记作LR， 真值记作LZ， 假定某类反演方 法对应的检验样本数是n， 则每个垂 直累积液态水反演值记为： LRi， i＝1， 2， ……， n， 真值记为： LZi， i＝1， 2， ……， n， 令EL表示反 演值与真值的统计均方根绝对偏差， SL表示反演值与真值的统计均方根相对偏差， 则垂直 累积液态水的统计均方根 绝对偏差及统计均方根相对偏差分别为： 权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114486942 A 3