MWP967KV型地基微波輻射計(jì)與探空觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

王旗++王周翔++于翠紅

摘要 利用MWP967KV型地基微波輻射計(jì)反演的氣象要素?cái)?shù)據(jù)與吉林省長(zhǎng)春探空站電子探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過相關(guān)系數(shù)，對(duì)比分析了距地高度在0～10 km的58個(gè)高度層的溫度、相對(duì)濕度、水汽的誤差情況，分析了誤差產(chǎn)生的原因，認(rèn)為MWP967KV型地基微波輻射計(jì)的反演廓線與探空數(shù)據(jù)在天氣良好的情況下，一致性較高；在雪（雨）天氣下，也能夠很好地表現(xiàn)大氣水汽變化趨勢(shì)及量值的時(shí)空分布變化；在霾天氣影響下，相關(guān)度迅速下降，地基微波輻射計(jì)的探測(cè)準(zhǔn)確性還有待進(jìn)一步優(yōu)化與提高。地基微波輻射計(jì)的使用還需要在實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善，在指導(dǎo)人工影響天氣作業(yè)領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 微波輻射計(jì)；探空數(shù)據(jù)；相關(guān)性；對(duì)比

中圖分類號(hào) P414.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）07-0211-03

監(jiān)測(cè)云中積分液態(tài)水含量及其變化情況，對(duì)于人工影響天氣的研究和作業(yè)具有十分重要的意義[1-2]。目前，測(cè)量云中積分液態(tài)水含量的方法主要有探空觀測(cè)和微波輻射計(jì)。地基微波輻射計(jì)接收到大氣中氣體、云粒子所發(fā)射和散射的微波信號(hào)，結(jié)合云底溫度、高度信息以及天線附近的溫度、濕度和氣壓，使用不同反演算法可以獲得大氣中總水汽量、總液態(tài)水量以及溫度、濕度、水汽和液態(tài)水的廓線，能夠全天候、全天時(shí)工作，彌補(bǔ)常規(guī)探測(cè)手段的不足，是常規(guī)手段的有效補(bǔ)充[3-4]。

目前，東北區(qū)域人影中心新裝備的MWP967KV型地基微波多通道微波輻射計(jì)于幾個(gè)月前剛剛布設(shè)完成，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、設(shè)備的可靠性需要結(jié)合大量遙感觀測(cè)資料進(jìn)一步評(píng)估驗(yàn)證。本文利用長(zhǎng)春探空站探空資料以及長(zhǎng)春觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)布設(shè)的MWP967KV型微波輻射計(jì)反演熱力學(xué)廓線進(jìn)行對(duì)比分析，通過相關(guān)系數(shù)等指標(biāo)評(píng)估微波輻射計(jì)反演氣象要素的準(zhǔn)確性，并對(duì)相關(guān)誤差、干擾因子進(jìn)行分析。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 MWP967KV型地基微波輻射計(jì)資料

吉林省氣象局在長(zhǎng)春市氣象局觀測(cè)站于2015年9月布設(shè)了中國(guó)兵器工業(yè)二○六研究所生產(chǎn)的MWP967KV型地基微波輻射計(jì)，其基于歷史探空數(shù)據(jù)獲得的大氣輻射傳輸模型，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)距地高度為0～10 km范圍內(nèi)大氣溫濕廓線反演，輸出廓線在垂直方向劃分為58層，地表到0.5 km之間的分辨率為50 m，0.5～2.0 km的分辨率為100 m，2～10 km之間的分辨率為250 m。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法由Stuttgart神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬器和歷史無(wú)線電探空廓線資料推導(dǎo)得到，采集時(shí)間間隔為每3 min一組數(shù)據(jù)[5-6]。

1.2 探空資料

長(zhǎng)春站（54161）探空儀資料采集時(shí)間間隔為2 s，即每2 s采集1組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括溫度、相對(duì)濕度、氣壓等數(shù)據(jù)。電子探空采用傳統(tǒng)的氫氣球攜帶探空儀探測(cè)方式，每日探測(cè)2次，探測(cè)時(shí)間分別為北京時(shí)間7：15和19：15。

1.3 水汽計(jì)算公式

利用探空資料計(jì)算水汽密度時(shí)，采用如下公式計(jì)算[7-8]：

a=0.8×■（1）

式（1）中：ea是實(shí)際水汽壓（hPa）；t是氣溫（℃）；α=1/273.15。

由式（1）可推導(dǎo)出公式：

ea=■（2）

2 結(jié)果與分析

對(duì)比分析了9—12月的微波輻射計(jì)與探空資料。根據(jù)天氣情況，選取有降雪過程、霧霾以及晴天的12月1日20：00至12月6日20：00這一段時(shí)間的數(shù)據(jù)作為代表，對(duì)比溫度、濕度以及水汽的相關(guān)性以及平均偏差。長(zhǎng)春站12月1—6日的天氣情況如表1所示。

2.1 溫度對(duì)比與分析

從12月1—6日的微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比圖（圖1）可以看到，微波輻射計(jì)的溫度廓線和探空數(shù)據(jù)結(jié)果的相關(guān)性都在0.94以上，2條廓線的吻合度較高，且2種設(shè)備在晴朗的天氣下，相關(guān)性可達(dá)到0.99以上，在有降雪的2—3日中，相關(guān)性略有下降，在8～10 km的高空誤差較大。

2.2 相對(duì)濕度對(duì)比與分析

從12月1—6日的微波輻射計(jì)與探空相對(duì)濕度廓線對(duì)比圖（圖2）可以看到，微波輻射計(jì)的相對(duì)濕度廓線和探空數(shù)據(jù)結(jié)果的相關(guān)性在0.4～0.9之間變化，成正相關(guān)，變化范圍大。在有降雪及霧霾的天氣情況下，相關(guān)系數(shù)低于晴天，相關(guān)系數(shù)的大小受天氣影響劇烈，總體上來說，兩者的偏差值隨著高度的增加而不斷增大。

2.3 水汽對(duì)比與分析

從12月1—6日微波輻射計(jì)與探空的水汽廓線對(duì)比結(jié)果（圖3）可以看到，微波輻射計(jì)的水汽廓線和探空數(shù)據(jù)之間成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.70～0.99之間，天氣晴好時(shí)，相關(guān)系數(shù)都在0.96以上，在12月5日20：00開始到6日20：00這段有霾的時(shí)間段內(nèi)，相關(guān)性迅速下降。

2.4 誤差分析

探空氣球探測(cè)開始時(shí)間為北京時(shí)間7：15及19：15，采樣時(shí)間超過30 min，而微波輻射計(jì)的采樣時(shí)間<3 min。因此，采用了微波輻射計(jì)在7：15—7：45之間以及19：15—19：45之間反演結(jié)果的平均值與探空氣球數(shù)據(jù)作比較，這樣的處理方式會(huì)對(duì)溫度、相對(duì)濕度以及水汽產(chǎn)生不同程度的影響。尤其對(duì)于相對(duì)濕度來說，在晴雪轉(zhuǎn)折的天氣，垂直方向的濕度變化比較復(fù)雜，兩者的相關(guān)性會(huì)嚴(yán)重下降[9]。

在嚴(yán)重霧霾天氣條件下，輻射計(jì)觀測(cè)反演精度會(huì)降低。由于霧霾的存在對(duì)輻射計(jì)觀測(cè)反演產(chǎn)生了一定影響，在這種極端天氣條件下輻射計(jì)觀測(cè)反演誤差也相應(yīng)偏大。尤其有嚴(yán)重霧霾時(shí)伴隨著邊界層強(qiáng)烈的逆溫現(xiàn)象，與正常大氣狀態(tài)存在明顯差異，輻射計(jì)未能很好地反映出這一極端變化。

3 結(jié)論與討論

通過本文的分析結(jié)果顯示，微波輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)的溫度、水汽廓線具有很好的正相關(guān)關(guān)系，在晴天空氣良好條件下兩者一致性較好、誤差?。辉诮笛┗蛘哧幪爝^程也能夠很好地表現(xiàn)大氣水汽變化趨勢(shì)及量值的時(shí)空分布變化，溫度廓線誤差也相對(duì)較小。由于大氣溫度垂直變化相對(duì)不復(fù)雜，探空與輻射計(jì)一致性較高，而濕度垂直變化較復(fù)雜，同時(shí)常規(guī)探空自身也存在很多不確定性，所以在濕度變化對(duì)比中兩者一致性較差。

在精度方面，MWP967KV型地基微波輻射計(jì)還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)；在應(yīng)用方面，微波輻射計(jì)能夠提供同一地點(diǎn)，連續(xù)性高時(shí)間密度的探空數(shù)據(jù)，在監(jiān)測(cè)分析天氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的發(fā)展變化方面具有很顯著的優(yōu)勢(shì)。未來通過連續(xù)監(jiān)控其垂直廓線的變化情況，能夠及時(shí)指揮人工增雨作業(yè)，在人工影響天氣領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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