MP-3000A微波輻射計(jì)冬季數(shù)據(jù)精度分析

王銀鋼 劉 杰* 蔣士龍 張智凱 蔣文軒 趙春雷 劉 泊

（1.張家口市氣象局，河北 張家口 075000；2.河北省人工影響天氣辦公室，河北 石家莊 050000）

前言

探空是測(cè)量大氣中各種氣象要素廓線的基本方法，目前全國(guó)氣象探空站仍然以傳統(tǒng)定點(diǎn)、定時(shí)的氫氣球探空為主，這種探測(cè)方式因探空儀能夠進(jìn)入真實(shí)的大氣當(dāng)中，所獲得的探空資料具有較高的代表性和可信度，然而有限的站點(diǎn)分布和無法連續(xù)觀測(cè)，使得探空的時(shí)空密度達(dá)不到氣象事業(yè)發(fā)展的要求。微波輻射計(jì)作為被動(dòng)微波遙感的唯一傳感器，可以連續(xù)進(jìn)行氣象觀測(cè)，包括溫度、相對(duì)濕度、水汽密度等氣象要素的廓線以及環(huán)境溫度等，時(shí)間分辨率精確到分鐘，其無人值守和連續(xù)探測(cè)的特點(diǎn)，彌補(bǔ)了常規(guī)探空觀測(cè)時(shí)間分辨力不足的缺點(diǎn),已經(jīng)成為常規(guī)探空的重要補(bǔ)充。雖然是被動(dòng)遙感，但是在水汽密度場(chǎng)的研究上有著重要意義，對(duì)天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警及人工影響天氣的作業(yè)指揮有著指導(dǎo)作用，有助于提高人工增雨作業(yè)的效率和效益。

MP-3000A微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精確性影響著天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警及人工影響天氣作業(yè)等的有效指導(dǎo)，用代表性和可信度較高的探空資料來檢驗(yàn)MP-3000A微波輻射計(jì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精確性有著重要的意義。為此，利用冬季（2020年12月-2021年2月）相同觀測(cè)時(shí)間內(nèi)的兩種觀測(cè)資料開展對(duì)比分析研究。由于MP-3000A 型地基微波輻射計(jì)的實(shí)際安裝地點(diǎn)與張家口探空站探空氣球施放點(diǎn)水平距離為60 m ，因此從理論上可以認(rèn)為 MP-3000A 型地基微波輻射計(jì)與張家口探空站在同一個(gè)地點(diǎn)。

1 ．?dāng)?shù)據(jù)與方法

1.1 MP-3000A 型地基微波輻射計(jì)資料

為了積累人工增雨的云物理數(shù)據(jù)，冀西北人工增雨基地于2020年9月在張家口氣象站院內(nèi)布設(shè)了Radiometrics公司所生產(chǎn)的MP-3000A型地基微波輻射計(jì)。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)大氣溫度、相對(duì)濕度、水汽密度等廓線反演，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)用 Stuttgart Neural Network Simulator（斯圖加特神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬器）和探空廓線的歷史資料得出的。廓線從0到500m 高度上每50m輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，500m到2km高度上每100m輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，2km到10km每250m輸出一個(gè)數(shù)據(jù)，共58個(gè)反演層，每層數(shù)據(jù)中包括溫度、相對(duì)濕度、水汽密度等氣象探測(cè)數(shù)據(jù)；采集時(shí)間間隔為每?jī)煞昼娨唤M數(shù)據(jù)。

1.2 探空資料

張家口探空站（54401）位于北緯40o46'10'，東經(jīng)114o55'10'，海拔高度774m，使用GTS13型數(shù)字探空儀進(jìn)行高空廓線觀測(cè)，探空儀資料采集時(shí)間間隔為1.2s，0.2s為探空狀態(tài)，1s為測(cè)距狀態(tài)，每組數(shù)據(jù)包括溫度、相對(duì)濕度、氣壓、仰角、方位、斜距等數(shù)據(jù);氣球升速約為400m/min,氣壓有效探測(cè)范圍為5～1060hPa，分辨力為0.1hPa；溫度有效探測(cè)范圍為－90℃～50℃，分辨力為0.1℃；相對(duì)濕度有效探測(cè)范圍為0～100%RH，分辨力為1%RH；操作終端使用的是中國(guó)氣象局探測(cè)中心研發(fā)的Ver7.0.0.20210501L波段（1型）高空氣象探測(cè)系統(tǒng)軟件，可以輕易計(jì)算出所需要各個(gè)高度上的氣象數(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 水汽密度計(jì)算公式

探空資料給出的是相對(duì)濕度，為了得到水汽密度，采用公式（1），將溫度、相對(duì)濕度轉(zhuǎn)換為水汽密度。

1.4 研究方法

本研究共選取了MP-3000A型地基微波輻射計(jì)和新型電子探空在2020年12月至2021年2月共3個(gè)月的探測(cè)資料。為便于對(duì)比分析，研究只選擇兩種探測(cè)方式都有的物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，即選擇溫度、相對(duì)濕度和水汽密度三個(gè)物理量進(jìn)行研究。

由于MP-3000A型地基微波輻射計(jì)（以下簡(jiǎn)稱微波輻射計(jì)）只在58個(gè)固定高度層面上有數(shù)據(jù)，因此本研究在垂直方向上，只選擇58個(gè)高度層上的三種探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比研究。這樣，就需要從新型電子探空數(shù)據(jù)中，挑選出同等58個(gè)高度上的數(shù)據(jù)作為研究數(shù)據(jù)，由于本站的海拔高度為774m，所以58個(gè)高度層的高度都需要加上海拔高度，比如選取50m高度層的數(shù)據(jù)在高空數(shù)據(jù)中實(shí)際上是選取高度是824m的數(shù)據(jù)。由于微波輻射計(jì)探測(cè)的是0～10 km的范圍，探空數(shù)據(jù)一般在30分鐘時(shí)達(dá)到10km的探測(cè)高度，因此選取早上7:15-7:45之間，晚上19:15-19:45之間兩個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)，并且為了更加精準(zhǔn)，不同高度上要選擇相近時(shí)間的數(shù)據(jù)，取平均值，分別進(jìn)行晴天、陰天（總云量為10-或10）、多云天（總云量為1～9）、霧霾天的07時(shí)、19時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較及相關(guān)性分析，相關(guān)性系數(shù)通過EXCEL表格的統(tǒng)計(jì)函數(shù)CORREL計(jì)算得出。除去3個(gè)時(shí)次高度沒有達(dá)到10km外，共177組樣本數(shù)據(jù)。

2.結(jié)果與分析

對(duì)比分析了冬季（2020年12月-2021年2月）微波輻射計(jì)與探空資料。根據(jù)天氣情況，以晴天、多云天、陰天和霧霾天四種情況分別對(duì)比溫度、相對(duì)濕度和水汽密度的相關(guān)性，以此來分析微波輻射計(jì)探測(cè)數(shù)據(jù)的精度。張家口探空站冬季探測(cè)時(shí)次天氣情況如表1所示。

表1 冬季（2020年12月-2021年2月）探空資料天氣情況統(tǒng)計(jì)晴天 07時(shí) 46 98 19時(shí) 52多云天 07時(shí) 27 47 19時(shí) 20陰天 07時(shí) 7 17 19時(shí) 10霧霾天 07時(shí) 8 15 19時(shí) 7天氣情況 時(shí)次 天數(shù) 總天數(shù)

2.1 晴天天氣情況分析

從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比圖（圖1a、圖1d）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0.99以上，2條廓線的吻合度較高，差值在0～4K之間；在4～5km以下，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)都偏小于探空溫度數(shù)據(jù)，而在4～5km以上，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)等于或偏大于探空溫度數(shù)據(jù)。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空相對(duì)濕度廓線對(duì)比圖（圖1b、圖1e）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)之間成正相關(guān)，變化范圍較大，相關(guān)系數(shù)在0.85～0.87之間。2km以下相對(duì)濕度都大于0%,差值在1.3%～34.2%之間，越接近地面差值越小，2km以上微波輻射計(jì)的相對(duì)濕度無限接近于0%，而探空相對(duì)濕度都在10%以上變化，微波輻射計(jì)2km以上的相對(duì)濕度反演結(jié)果偏小，不符合實(shí)際。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比圖（圖1c、圖1f）可以看到，微波輻射計(jì)的水汽密度廓線和探空數(shù)據(jù)之間成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.889～0.894之間。8km以上兩種數(shù)據(jù)無限接近，8km以下兩種數(shù)據(jù)總體變化趨勢(shì)一樣，地面差值較小，高度升后差值越來越大，2km后差值逐漸變小直至無限接近。

圖1 a 07時(shí)溫度對(duì)比 圖1b 07時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖1c 07時(shí)水汽密度對(duì)比

圖1 d 19時(shí)溫度對(duì)比 圖1e 19時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖1f 19時(shí)水汽密度對(duì)比

2.2 多云天天氣情況分析

從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比圖（圖2a、圖2d）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0.99左右，2條廓線的吻合度較高，差值在0～6K之間；在5km左右以下，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)都偏小于探空溫度數(shù)據(jù)，而在5km左右以上，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)絕大部分偏大于探空溫度數(shù)據(jù)，只有07時(shí)8.25～9.75km處微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)偏小于探空溫度數(shù)據(jù)。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空相對(duì)濕度廓線對(duì)比圖（圖2b、圖2e）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)變化范圍大，差值在3.8%～70.7%之間，相關(guān)系數(shù)在0.31～0.43之間；探空相對(duì)濕度數(shù)據(jù)都要比微波輻射計(jì)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)大，變化幅度也大；相對(duì)濕度數(shù)據(jù)從地面到1km有同時(shí)增大的趨勢(shì)，表明存在低云；5～8km之間相對(duì)濕度有明顯增大趨勢(shì)，探空相對(duì)濕度在5.5km后也相應(yīng)增大，表明有高云存在。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比圖（圖2c、圖2f）可以看到，微波輻射計(jì)的水汽密度廓線和探空數(shù)據(jù)之間成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.871～0.913之間。8km以上兩種數(shù)據(jù)無限接近，8km以下兩種數(shù)據(jù)總體變化趨勢(shì)一樣，但在1～2km微波輻射計(jì)水汽密度卻是增大的，和有低云關(guān)；兩種數(shù)據(jù)地面差值較小，高度升后差值越來越大，2km后差值逐漸變小直至無限接近。

圖2 a 07時(shí)溫度對(duì)比圖 2b 07時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖2c07時(shí)水汽密度對(duì)比

圖2 d 19時(shí)溫度對(duì)比 圖2e 19時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖2f 19時(shí)水汽密度對(duì)比

2.3 陰天天氣情況分析

從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比圖（圖3a、圖3d）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0.99左右，2條廓線的吻合度較高，差值在0～9K之間；在5km左右以下，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)都偏小于探空溫度數(shù)據(jù)，而在5km左右以上，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)都偏大于探空溫度數(shù)據(jù)，9km以后兩種溫度數(shù)據(jù)差值越來越大。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空相對(duì)濕度廓線對(duì)比圖（圖3b、圖3e）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)變化范圍很大，差值在2.9%～68.4%之間，相關(guān)系數(shù)在0.20～0.23之間；探空相對(duì)濕度數(shù)據(jù)都要比微波輻射計(jì)相對(duì)濕度數(shù)據(jù)大；相對(duì)濕度數(shù)據(jù)從地面到1.3km同時(shí)增大，表明主要存在低云；1.3～3.2km探空相對(duì)濕度數(shù)據(jù)持續(xù)增大，微波輻射計(jì)卻在減小，是由于探空數(shù)據(jù)并非測(cè)站上空垂直氣象數(shù)據(jù)，觀測(cè)中存在空間差異影響所致；后面的總體趨勢(shì)都是在減小。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比圖（圖3c、圖3f）可以看到，微波輻射計(jì)的水汽密度廓線和探空數(shù)據(jù)之間成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.913～0.920之間。8.5km以上兩種數(shù)據(jù)無限接近，8.5km以下總體變化趨勢(shì)一樣，但在1～2km微波輻射計(jì)水汽密度卻是增大的，比多云天氣的增大幅度大；兩種數(shù)據(jù)地面差值較小，高度升后差值越來越大，2km后差值逐漸變小直至無限接近。

圖3 a 07時(shí)溫度對(duì)比 圖3b 07時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖3c 07時(shí)水汽密度對(duì)比

圖3 d 19時(shí)溫度對(duì)比 圖3e 19時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖3f 19時(shí)水汽密度對(duì)比

2.4 霧霾天氣情況分析

從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比圖（圖4a、圖4d）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0.98左右，較前三種天氣情況的相關(guān)系數(shù)少了0.01，是由于霧霾的影響出現(xiàn)了較厚的逆溫層，但是2條廓線的吻合度還是較高的，差值在0～14K之間；在6km左右以下，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)都偏小于探空溫度數(shù)據(jù)，而在6km左右以上，微波輻射計(jì)的溫度數(shù)據(jù)都偏大于探空溫度數(shù)據(jù)，7km以后兩種溫度數(shù)據(jù)差值越來越大。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空相對(duì)濕度廓線對(duì)比圖（圖4b、圖4e）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)變化范圍較大，差值在2.4%～49.8%之間，相關(guān)系數(shù)在0.64～0.67之間；探空相對(duì)濕度都要比微波輻射計(jì)相對(duì)濕度大；相對(duì)濕度數(shù)據(jù)從地面到2km變化趨勢(shì)一樣，表明了霧霾的垂直高度；2～5km07時(shí)探空相對(duì)濕度數(shù)和微波輻射計(jì)相對(duì)濕度變化趨勢(shì)是相反的，而19時(shí)變化趨勢(shì)卻是相同的，后面的總體趨勢(shì)都是在減小。從07時(shí)、19時(shí)的微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比圖（圖4c、圖4f）可以看到，微波輻射計(jì)的水汽密度廓線和探空數(shù)據(jù)之間成正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)在0.934～0.937之間。8km以上兩種數(shù)據(jù)無限接近，8km以下總體變化趨勢(shì)一樣，但在1～1.5km微波輻射計(jì)水汽密度卻是增大的，但是增幅不大，和晴天天氣的相近，小于多云天氣和陰天天氣的增幅；兩種數(shù)據(jù)差值較小，與晴天天氣相近，但是差值變化和前三種天氣都不同，地面差值較小，高度升后差值越來越大，1km后差值逐漸變小，2km后差值不變或增大，4km后差值逐漸變小直至無限接近，很顯然是霧霾天氣造成的這種差值變化。

圖4 a 07時(shí)溫度對(duì)比 圖4b 07時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖4c 07時(shí)水汽密度對(duì)比

圖4 d 19時(shí)溫度對(duì)比 圖4e 19時(shí)相對(duì)濕度對(duì)比 圖4f 19時(shí)水汽密度對(duì)比

3.結(jié)論與討論

（1）晴天、多云天、陰天和霧霾天的天氣條件下,微波輻射計(jì)與探空儀的溫度和水汽密度相關(guān)系數(shù)分別在0.99，0.99,0.99,0.98和0.889～0.894，0.871～0.913，0.913～0.920，0.934～0.937，均達(dá)到0.01顯著性水平。晴天和霧霾天的天氣條件下，相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)分別在0.85～0.87和0.64～0.67，達(dá)到0.01顯著性水平；而多云天和陰天的天氣條件下,相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)分別為0.31～0.43和0.20～0.23，未達(dá)到0.01顯著性水平。三種數(shù)據(jù)的相關(guān)性中,溫度最高,水汽密度次之,相對(duì)濕度最低。溫度廓線整體吻合，相對(duì)濕度廓線越接近地面相關(guān)性越大，水汽密度廓線總體上在8km后相關(guān)性最大。

（2）溫度廓線擬合度最高,水汽密度廓線次之,相對(duì)濕度廓線最差。溫度在232～243K段擬合度最高，高溫區(qū)擬合度高于低溫區(qū),在7km以后擬合度迅速降低；水汽密度在低值區(qū)擬合度高于高值區(qū)；相對(duì)濕度在高濕區(qū)擬合度高于低濕區(qū)。晴天、霧霾天樣本,相對(duì)濕度廓線的精度更高；而多云天、陰天樣本，相對(duì)濕度廓線的精度偏低，相差偏大。需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)微波輻射計(jì)針對(duì)多云天、陰天的相對(duì)濕度反演。

（3）晴天、多云天、陰天和霧霾天的天氣條件下,本研究將無線電探空數(shù)據(jù)作為參考,評(píng)估分析了微波輻射計(jì)溫度廓線、相對(duì)濕度廓線及水汽密度廓線的精度。由于大氣溫度垂直變化相對(duì)不復(fù)雜，探空與微波輻射計(jì)一致性較高；相對(duì)濕度垂直變化較復(fù)雜，同時(shí)探空數(shù)據(jù)并非測(cè)站上空垂直氣象數(shù)據(jù)，觀測(cè)中存在空間差異影響，所以在相對(duì)濕度變化對(duì)比中兩者一致性較差；水汽密度垂直變化一致性也較高。雖然與探空數(shù)據(jù)對(duì)比,微波輻射計(jì)觀測(cè)的氣溫、水汽密度分布存在不同程度的差異,但是兩者的變化傾向具有較好的一致性。

（4）短期臨近預(yù)報(bào)或定量降水預(yù)報(bào)需要高空850hpa、700hpa和500hpa形勢(shì)分析圖，三個(gè)等壓面所對(duì)應(yīng)的高度為1.5km、3km和5.5km，人工增雨作業(yè)高度也是在5.5km以下，此高度下微波輻射計(jì)和探空的溫度、水汽密度廓線一致性很高，驗(yàn)證了微波輻射計(jì)的探測(cè)精度很高，探測(cè)的數(shù)據(jù)可以代替探空數(shù)據(jù)，為相關(guān)業(yè)務(wù)提供支撐，在探空的非探測(cè)時(shí)段，微波輻射計(jì)可以是有益的補(bǔ)充。另外，相對(duì)濕度廓線在多云天、陰天的相關(guān)性較差，而人工增雨作業(yè)是在這種天氣條件下進(jìn)行的，所以需要對(duì)微波輻射計(jì)相對(duì)濕度反演進(jìn)一步優(yōu)化，為指揮人工增雨作業(yè)增加一項(xiàng)重要的參數(shù)。使得通過連續(xù)監(jiān)控其垂直廓線的變化情況，能夠及時(shí)對(duì)天氣預(yù)報(bào)、預(yù)警及人工影響天氣的作業(yè)指揮有著指導(dǎo)作用。