地基微波輻射計(jì)與探空數(shù)據(jù)對(duì)比分析

曹 梅，王 斌，楊 珍，張穎梅

(1.西安市氣象局，西安 710016；2.陜西省氣象局，西安 710014)

在我國，傳統(tǒng)的高空氣象觀測采用探空氫氣球攜帶無線電探空儀升空探測各個(gè)高度的氣象要素，可測得不同高度的大氣溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速，通過這些資料計(jì)算出多種氣象參數(shù)。無線電探空儀在升空過程中，由于是感應(yīng)器直接接觸空氣，其所測量的氣象資料精度高，準(zhǔn)確可靠，但它也存在運(yùn)作成本高，觀測次數(shù)有限，探測儀隨風(fēng)會(huì)飄移很遠(yuǎn)等缺點(diǎn)。近年來，地基微波輻射計(jì)作為一種無源的遙感探測設(shè)備[1]，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)連續(xù)、全自動(dòng)、全天候的探測，獲取大氣溫濕探空資料的時(shí)間和空間分辨率高，能夠克服傳統(tǒng)探空觀測的局限性，具有獨(dú)立工作的能力，近年來已被廣泛應(yīng)用到大氣探測中[2-7]，成為大氣探測的重要觀測手段之一。

地基微波輻射計(jì)的硬件研制涉及到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)、標(biāo)定設(shè)計(jì)等，其集成度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此微波輻射計(jì)在測量精度、穩(wěn)定性方面的設(shè)計(jì)難度大，需要不斷提高[1]。地基微波輻射計(jì)基于觀測地所有的歷史探空資料為樣本集，經(jīng)過對(duì)歷史資料的前期處理，進(jìn)而反演出觀測數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的可靠性很大程度上依賴于觀測的探空資料質(zhì)量，因此地基微波輻射計(jì)需要不斷驗(yàn)證和改進(jìn)[8-10],才能滿足各種天氣狀況下的觀測要求。張文剛等[11]利用武漢站探空資料與同址地基微波輻射計(jì)資料，分析了微波輻射計(jì)探測偏差的日變化及時(shí)間序列變化特征，結(jié)果表明溫度的探測偏差大值區(qū)出現(xiàn)在午后，相對(duì)濕度及水汽密度的探測偏差大值區(qū)則在凌晨，溫度及相對(duì)濕度探測誤差的時(shí)間序列表現(xiàn)為起伏較大，而水汽密度則相對(duì)平穩(wěn)，降水對(duì)微波輻射計(jì)的探測準(zhǔn)確度產(chǎn)生較明顯的影響。王旗等[12]利用地基微波輻射計(jì)反演的氣象要素?cái)?shù)據(jù)與長春探空站電子探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為地基微波輻射計(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)天氣下很好地表現(xiàn)出大氣水汽變化趨勢及量值的時(shí)空變化，在霾天氣影響下，相關(guān)度迅速下降。孫雷等[13]應(yīng)用溫江探空站3年的L波段探空數(shù)據(jù)和地基微波輻射計(jì)資料進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)氣溫的相關(guān)性比相對(duì)濕度的相關(guān)性好，冬季的氣溫和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)以及春夏兩季的氣溫?cái)?shù)據(jù)可直接使用，其他季節(jié)的需訂正后使用。在4 km以下，有降水發(fā)生時(shí)，地基微波輻射計(jì)反演的氣溫較探空數(shù)據(jù)偏高3 ℃。2020年全國高空觀測站電子探空儀全面升級(jí)，大大增加了電子探空儀的觀測精度，本文利用西安涇河國家高空氣象觀測站2020年1—9月探空資料與在同址內(nèi)布設(shè)的MWP967KV型地基微波輻射計(jì)資料，分析二者在0～10 km探測高度內(nèi)58個(gè)層次的溫度和水汽密度的差異及相關(guān)性，以評(píng)估微波輻射計(jì)反演氣象要素的準(zhǔn)確性。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 探空資料

西安涇河國家高空氣象觀測站采用傳統(tǒng)氫氣球攜帶探空儀自由升空方式觀測。電子探空儀觀測數(shù)據(jù)每秒一組，包括溫度、相對(duì)濕度、氣壓，每日探測兩次，時(shí)間分別是北京時(shí)07：15和19：15。采樣時(shí)長通常大于60 min，隨著氣球的升空，探測到不同高度氣象要素的時(shí)間都不相同，高度和探測時(shí)間成正比。

1.2 地基微波輻射計(jì)資料

中國兵器工業(yè)第206研究所于2017年9月在涇河國家高空氣象站同址布設(shè)了MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)，地基微波輻射計(jì)每年定期液氮絕對(duì)標(biāo)定一到兩次，其中在2019年7月初和2020年4月初進(jìn)行了液氮標(biāo)定。日常設(shè)備實(shí)時(shí)進(jìn)行熱源標(biāo)定和噪聲源標(biāo)定，定標(biāo)時(shí)間間隔2 min。在晴天每2 min進(jìn)行一次Tipping定標(biāo)，通過多重定標(biāo)方式來確保亮溫觀測精度。MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了距地0～10 km范圍內(nèi)垂直方向上58層的大氣溫度、相對(duì)濕度、水汽密度、液態(tài)水廓線等要素的觀測。地基微波輻射計(jì)的采樣頻率為每2 min一次，采樣的垂直分辨率為0～500 m為50 m，500 m～2 km為100 m，2 km～10 km為250 m。

1.3 樣本分類質(zhì)控說明

對(duì)試驗(yàn)用地基微波輻射計(jì)進(jìn)行嚴(yán)格的一致性檢查，如有缺測時(shí)間過長，或數(shù)據(jù)明顯不連續(xù)的樣本，直接剔除。探空數(shù)據(jù)因在臺(tái)站進(jìn)行隨班質(zhì)控，不再重復(fù)進(jìn)行，共獲得樣本545組。為了減少地基微波輻射計(jì)和探空資料在觀測時(shí)間上的差異，本文在資料選取過程中考慮探空資料空間和時(shí)間尺度變化，選取與探空資料某一高度層最為接近的微波輻射計(jì)觀測數(shù)據(jù)，根據(jù)探空氣球觀測時(shí)間和高度的變化選取與之對(duì)應(yīng)的微波輻射計(jì)探測值。將全部樣本分為晴空(無云或云量小于3成)，云天(云量大于等于3成)，雨天，均以西安涇河國家高空氣象觀測站每日07時(shí)和19時(shí)的云天人工觀測記錄為依據(jù)判斷。經(jīng)過篩選，確定晴空樣本共122組，云天樣本共367組，雨天樣本共56組。

1.4 水汽密度計(jì)算公式

傳統(tǒng)探空觀測中沒有直接的水汽密度值，可利用其它探空要素計(jì)算出水汽密度，采用如下公式計(jì)算[14]。

(1)

式(1)中es為飽和水汽壓(hPa)；T為熱力學(xué)溫度，T=t+273.15，t為氣溫(℃)。

將式(1)的飽和水汽壓es計(jì)算結(jié)果代入式(2)計(jì)算實(shí)際水汽壓

e=esU，

(2)

式(2)中，e為實(shí)際水汽壓(hPa)，U為探空相對(duì)濕度(%)。

將式(2)中的實(shí)際水汽壓計(jì)算結(jié)果代入式(3)計(jì)算水汽密度

ρv=e/RvT。

(3)

式(3)中，Rv是水汽的比氣體常數(shù)，取461.51(J/(K·kg))。

1.5 平均偏差和均方差的計(jì)算方法

為了判斷地基微波輻射計(jì)反演數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)的差異，計(jì)算二者之間的絕對(duì)平均偏差和均方差。絕對(duì)平均偏差(D)是數(shù)列中各項(xiàng)數(shù)值Xi與其真值X的離差絕對(duì)值的算術(shù)平均數(shù)，這里的真值是指傳統(tǒng)的探空觀測數(shù)據(jù)。它是用來測定數(shù)列中各項(xiàng)數(shù)值對(duì)其真值離散程度的量值。其計(jì)算公式為

(4)

均方差(σ)也被稱為標(biāo)準(zhǔn)偏差，能反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度。其計(jì)算公式為

(5)

2 對(duì)比分析

2.1 溫度廓線觀測反演對(duì)比

由圖1可以看出，地基微波輻射計(jì)反演的溫度廓線與探空數(shù)據(jù)的絕對(duì)平均偏差在3.5 km以下小于1.0 ℃，隨著高度的增加絕對(duì)平均偏差逐漸增大，10 km時(shí)絕對(duì)平均偏差為1.45 ℃。均方差在0.4 km以下小于1.0 ℃，隨著高度的增加逐漸增大，9.5 km以下均方差小于2.0 ℃。因此地基微波輻射計(jì)反演的數(shù)據(jù)在低空可靠性較高，隨著高度的增加，其觀測能力逐漸減弱。

圖1 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計(jì)反演溫度與探空溫度的絕對(duì)平均偏差和均方差

將地基微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)在散點(diǎn)圖(圖2)上作對(duì)比分析。地基微波輻射計(jì)反演溫度與探空觀測溫度數(shù)據(jù)之間相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.990，具有良好的線性相關(guān)關(guān)系。在溫度較高時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布較集中；溫度較低時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布相對(duì)分散。地面低層溫度通常高于高層溫度，表明微波輻射計(jì)在低層觀測的溫度精度與探空數(shù)據(jù)較為接近，低層溫度可信度高于高層。

圖2 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計(jì)反演溫度與探空溫度散點(diǎn)圖(直線為擬合線)

2.2 水汽密度廓線觀測反演對(duì)比

圖3為水汽密度廓線的絕對(duì)平均偏差和均方差，從圖中可以看出，水汽密度廓線的絕對(duì)平均偏差和均方差均小于0.8 g/m3，最大誤差不超過1.0 g/m3。在2 km高度以下，兩者誤差隨著高度的增加而增大，但2 km以上，誤差逐漸減小，在8 km以上接近于0 g/m3。雖然近地面水汽含量豐富，但誤差卻較小，說明地基微波輻射計(jì)對(duì)低層的探測精度較高，隨著高度的增加探測精度逐漸減弱。但是在2 km高度以上，水汽含量逐漸減小，到了高空，特別是8 km以上，水汽含量稀薄，水汽變化幅度小，反而使得反演相對(duì)準(zhǔn)確。

圖3 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計(jì)反演水汽密度與探空水汽密度的絕對(duì)平均偏差和均方差

由地基微波輻射計(jì)反演的水汽密度與探空觀測水汽密度的散點(diǎn)圖(圖4)可知，二者之間相關(guān)系數(shù)為0.972，線性相關(guān)關(guān)系較好，且在水汽密度數(shù)值較低時(shí)分布集中，水汽密度較大時(shí)相對(duì)離散。水汽分布較為復(fù)雜，地面低層水汽密度高于高層，水汽密度越大，誤差分布越寬。

圖4 西安涇河站2020年1—9月微波輻射計(jì)反演水汽密度與探空水汽密度散點(diǎn)圖(直線為擬合線)

2.3 不同天氣條件下觀測數(shù)據(jù)對(duì)比

為了進(jìn)一步分析在不同天氣條件下地基微波輻射計(jì)(用ZP表示)與探空資料的差異，將全部樣本資料分為晴天、云天和雨天三類，分別分析它們的平均偏差和均方差。

2.3.1 溫度 從不同天氣條件下溫度的絕對(duì)平均偏差和均方差(圖5)可以看出，不論在什么天氣條件下，溫度的絕對(duì)平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，表明地基微波輻射計(jì)在任何天氣條件下觀測精度都隨高度增加而減小。在0.6 km高度以下，天氣條件對(duì)溫度的偏差無明顯影響；在0.6 km以上，2 km以下，雨天時(shí)的絕對(duì)平均偏差比云天和晴天小，晴天時(shí)絕對(duì)平均偏差最大；在2 km以上，4 km以下，雨天的絕對(duì)平均偏差最小，晴天的絕對(duì)平均偏差小于云天；在6 km以上不同天氣下的絕對(duì)偏差出現(xiàn)明顯差異，雨天下絕對(duì)平均偏差最小，其次是晴天，云天時(shí)絕對(duì)平均偏差最大。以上分析說明MWP967KV型地基微波輻射計(jì)反演的厚云溫度的精度比薄云的高。這與雷連發(fā)等[5]分析的結(jié)論一致。

圖5 西安涇河站2020年1—9月不同天氣條件下微波輻射計(jì)反演溫度與探空溫度的絕對(duì)平均偏差和均方差

為進(jìn)一步分析不同天氣條件下兩種儀器廓線，隨機(jī)選取2020年幾次不同天氣狀況的個(gè)例進(jìn)行分析，選取時(shí)盡量覆蓋不同季節(jié)。圖6至圖8分別為晴天、云天、雨天情況下地基微波輻射計(jì)反演的溫度與探空數(shù)據(jù)廓線對(duì)比個(gè)例圖。從圖6至圖8可見，地基微波輻射計(jì)與探空溫度廓線相關(guān)性都在0.99以上，說明兩條溫度廓線的整體吻合度非常高。對(duì)于垂直高度的對(duì)比，在晴空天氣條件下，2、4、9月探空觀測溫度廓線均出現(xiàn)明顯的貼地逆溫，微波輻射計(jì)未觀測出明顯逆溫層。在云天天氣條件下，低空1 km以下兩條廓線吻合度較高，隨著高度的增加誤差逐漸增大。雨天天氣下，從地面到10 km高度兩條廓線都保持良好的一致性。

圖6 西安涇河站晴天天氣下微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比個(gè)例圖(ZP為地基微波輻射計(jì)廓線，下同)

圖7 西安涇河站云天天氣下微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比個(gè)例圖

圖8 西安涇河站降水天氣下微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比個(gè)例圖

2.3.2 水汽密度 從不同天氣條件下水汽密度的絕對(duì)平均偏差和均方差(圖9)可以看出，在1 km以下，不論在什么天氣條件下，水汽密度的絕對(duì)平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，并且雨天的平均偏差比晴天和云天小，晴天的平均偏差最大。1 km以上，晴天和雨天天氣下絕對(duì)平均偏差和均方差隨著高度的增加逐漸減小。在云天天氣下，2 km以下，水汽密度的絕對(duì)平均偏差和均方差仍隨著高度的增加而增大，2.5 km以上，隨著高空水汽的減少，觀測誤差也逐漸減小。在4 km以上，晴天天氣下絕對(duì)平均偏差和均方差反而比云天和雨天時(shí)小，高空水汽含量迅速減小，特別是晴天時(shí)水汽含量更小，因此相應(yīng)的誤差也減小。

圖9 西安涇河站2020年1—9月不同天氣條件下微波輻射計(jì)反演水汽密度與探空水汽密度的絕對(duì)平均偏差和均方差

圖10至圖12分別為晴天、云天及雨天天氣條件下地基微波輻射計(jì)水汽密度與探空水汽密度廓線對(duì)比個(gè)例圖。從圖中可以看出，地基微波輻射計(jì)水汽廓線與探空數(shù)據(jù)之間成正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.87～0.99之間。在晴空天氣條件下，水汽密度值較小，在低空1 km以下兩者一致性較好，在6 km以下誤差較大，6 km以上高空水汽密度非常小，幾乎接近于零，兩條水汽密度廓線吻合。在云天天氣條件下，低層相關(guān)性較差，6 km以上高空水汽密度非常小時(shí)，兩條廓線重合。在降雨天氣條件下，從低層到高層水汽密度值都較大，兩條廓線從上到下都保持較好的一致性。

圖10 西安涇河站晴天天氣下微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比個(gè)例圖

圖11 西安涇河站云天天氣下微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比個(gè)例圖

圖12 西安涇河站降水天氣下微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比個(gè)例圖

MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)在雨天探測中進(jìn)行了改進(jìn)，在降雨時(shí)段通過加大風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)量減少天線罩表面雨水。利用降雨傳感器識(shí)別降雨，根據(jù)長期觀測經(jīng)驗(yàn)對(duì)降雨期間的亮溫誤差進(jìn)行訂正，反演過程結(jié)合天控掃描觀測數(shù)據(jù)很大程度改善了數(shù)據(jù)反演效果。在降雨期間大氣濕度飽和，反演結(jié)果接近飽和與實(shí)際情況接近，因此與其他天氣狀況誤差相比反而減小。

3 結(jié)論與討論

利用西安涇河國家高空氣象站2020年1—9月電子探空儀在0～10 km探測高度內(nèi)觀測的溫度和水汽密度數(shù)據(jù)，與同址的MWP967KV型地基微波輻射計(jì)反演的同類氣象數(shù)據(jù)對(duì)比分析，以評(píng)估微波輻射計(jì)反演氣象要素的準(zhǔn)確性，得出以下結(jié)論。

(1)西安涇河站2020年MWP967KV型地基微波輻射計(jì)反演的溫度廓線與探空數(shù)據(jù)呈較高的正相關(guān)關(guān)系，平均偏差小于1.5 ℃，均方差小于2.0 ℃，兩者相關(guān)性達(dá)0.990。地基微波輻射計(jì)反演的低空數(shù)據(jù)可靠性較高，隨著高度的增加，觀測能力逐漸減弱。

(2)地基微波輻射計(jì)反演的水汽密度廓線與探空數(shù)據(jù)成正相關(guān)關(guān)系，絕對(duì)平均偏差和均方差均小于1.0 g/m3，相關(guān)系數(shù)為0.972。地基微波輻射計(jì)對(duì)低層的探測精度較高，隨著高度的增加探測精度逐漸減小，但是在2 km高度以上，隨著水汽含量逐漸減小，反演數(shù)據(jù)反而相對(duì)準(zhǔn)確。

(3)在任何天氣條件下，溫度的絕對(duì)平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，從垂直分布看，雨天時(shí)地基微波輻射計(jì)反演廓線與探空數(shù)據(jù)的偏差最小，說明地基微波輻射計(jì)對(duì)厚云的觀測比薄云的精度高。從個(gè)例的相關(guān)性分析可得，在垂直觀測模式固定不變的條件下，地基微波輻射計(jì)對(duì)于逆溫層未能很好地反映出來。

(4)在1 km以下，不論在什么天氣條件下，水汽密度的絕對(duì)平均偏差和均方差都隨著高度的增加而增大，雨天的平均偏差比晴天和云天小，晴天的平均偏差最大。而隨著高度的增加，高空水汽含量迅速減小，相應(yīng)的誤差也減小。在降雨天氣條件下，兩種設(shè)備的水汽密度廓線一致性好于晴天和云天。

(5)MWP967KV型地基微波輻射計(jì)作為一種新型的探測儀器，能夠提供連續(xù)性高時(shí)間密度的探空數(shù)據(jù)。地基微波輻射計(jì)對(duì)低層的探測精度高于高層，2 km以上垂直分辨率明顯減小，且目前觀測高度最高僅到達(dá)10 km，與傳統(tǒng)探空觀測高度相差甚遠(yuǎn)。地基微波輻射計(jì)在垂直分辨率、觀測精度和探測高度等方面還需要進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)，使其獲得高質(zhì)量的探空觀測資料，在氣象預(yù)報(bào)預(yù)警、人工影響天氣、氣象防災(zāi)減災(zāi)等領(lǐng)域發(fā)揮其重要的價(jià)值。