不同天氣條件下微波輻射計(jì)溫度探測效果評(píng)估

李成偉，李 偉，夏江峰，姜紅林，雷連發(fā)

(1.陜西省大氣探測技術(shù)保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016;3.北方天穹信息技術(shù)(西安)有限公司，西安 710100)

大氣中的溫度是體現(xiàn)地球大氣輻射和全球熱平衡的重要觀測要素，對(duì)大氣的運(yùn)動(dòng)和變化有著重要的影響[1-2]。微波輻射計(jì)探測能提供高時(shí)空分辨率的溫度、濕度、水汽等氣象參數(shù)的廓線數(shù)據(jù)，在氣象觀測和預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)、科研中正在得到廣泛應(yīng)用[3]。目前已有不少學(xué)者從不同方面對(duì)其進(jìn)行了研究。張文剛等[4]通過對(duì)比武漢站探空和微波輻射計(jì)資料，發(fā)現(xiàn)微波輻射計(jì)測得的數(shù)據(jù)精度較高。鄭颯颯[5]利用平均誤差、相關(guān)分析和回歸分析等統(tǒng)計(jì)方法評(píng)估了微波輻射計(jì)和L波段探空資料在有降水、無降水條件下溫濕度的探測效果的差異，得出降水對(duì)微波輻射計(jì)的探測結(jié)果影響較大。梁谷等[6-7]利用微波輻射計(jì)溫度與濕度、水汽的關(guān)系開展云中水汽估算研究。喬賀等[8]對(duì)比分析了國內(nèi)外不同型號(hào)的地基微波輻射計(jì)探測溫濕度廓線的差異，發(fā)現(xiàn)溫度要素探測的效果整體較佳。從相關(guān)研究結(jié)果來看，天氣條件的變化對(duì)微波輻射計(jì)觀測和數(shù)據(jù)反演結(jié)果都有明顯的影響。為了進(jìn)一步評(píng)估微波輻射計(jì)的探測效果，本文以安裝在西安涇河探空站的國產(chǎn)MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)(以下簡稱微波輻射計(jì))為例，以涇河探空站的無線電探測溫度(以下簡稱探空溫度)資料為參照，按雨天、陰天、晴天和霧天進(jìn)行分類對(duì)微波輻射計(jì)反演的溫度廓線數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估。

1 資料來源及處理

1.1 資料來源

選取2019年4月—2020年3月涇河探空站微波輻射計(jì)和探空站的觀測資料作為分析數(shù)據(jù)。探空觀測每天08、20時(shí)進(jìn)行兩次常規(guī)觀測。微波輻射計(jì)資料為同一時(shí)間段內(nèi)觀測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為2 min，能夠提供10 km以內(nèi)的溫度、相對(duì)濕度、水汽含量和云液態(tài)水廓線等多種大氣參數(shù)。廓線垂直分層為83層，分辨率分別為25 m(0.5 km以下)、50 m(0.5～2 km)、250 m(2～10 km)。統(tǒng)計(jì)過程中取探空觀測時(shí)段內(nèi)，微波輻射計(jì)在各個(gè)高度溫度數(shù)據(jù)的平均值與相應(yīng)的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

1.2 數(shù)據(jù)處理

(1)數(shù)據(jù)時(shí)空一致性處理

為確保探空和輻射計(jì)探測值在時(shí)間和高度上保持一致[9]，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理。為保證時(shí)間一致性，微波輻射計(jì)溫度資料取探空時(shí)段的平均值與探空溫度資料進(jìn)行比對(duì)；為保證空間一致性，將探空資料在10 km高度范圍內(nèi)的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值，與輻射計(jì)每層高度的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。

(2)不同天氣樣本分類

為減小個(gè)例差異對(duì)天氣分類的影響，參考微波輻射計(jì)和探空兩種溫濕資料來對(duì)天氣進(jìn)行分類。雨天通常近地面濕度大且微波輻射計(jì)降水資料指示有降雨；晴天通常在觀測高度范圍內(nèi)相對(duì)濕度都較?。混F天通常表現(xiàn)為上干下濕；陰天微波輻射計(jì)資料顯示無降水產(chǎn)生，相對(duì)濕度較大且有一定厚度的云層。

(3)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

為保證數(shù)據(jù)代表性，剔除異常值，對(duì)下列數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除[10]：①探空資料探測高度不足10 km，無法進(jìn)行插值；②溫度數(shù)據(jù)不符合隨高度遞減規(guī)律，出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤；③樣本分類中微波輻射計(jì)和探空兩種資料未同時(shí)滿足劃分要求。

經(jīng)過時(shí)間比對(duì)和樣本篩選，最后得到分析總樣本、雨天、晴天、陰天和霧天五類樣本。試驗(yàn)總樣本統(tǒng)計(jì)為439個(gè)，降水樣本統(tǒng)計(jì)為42個(gè)，晴天樣本統(tǒng)計(jì)為253個(gè)，陰天樣本統(tǒng)計(jì)為121個(gè)，霧天樣本統(tǒng)計(jì)為23個(gè)。

1.3 評(píng)估方法

為了評(píng)估微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量，將探空溫度數(shù)據(jù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用能夠反映觀測值準(zhǔn)確性的統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行分析[11]，包括偏差、平均偏差、均方根誤差以及相關(guān)系數(shù)等。

2 結(jié)果分析

2.1 總體樣本分析

計(jì)算微波輻射計(jì)和探空溫度總樣本的相關(guān)系數(shù)、平均偏差和均方根誤差值，相關(guān)系數(shù)為0.99，平均偏差為2.17 ℃，均方根誤差為2.75 ℃。可以看出，相關(guān)性較高，溫度平均偏差和均方根誤差都較小。

散點(diǎn)圖可反映兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)情況，兩組數(shù)據(jù)差距越小，相關(guān)性越高，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布也就越集于對(duì)角線附近。將微波輻射計(jì)和探空探測的各個(gè)高度層的所有樣本數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)繪制散點(diǎn)圖(如圖1所示)，可以看出微波輻射計(jì)探測溫度數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)的相關(guān)性較好，集中分布于對(duì)角線兩側(cè)。在低空(高溫區(qū)域)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布更集中，反演誤差最小，一致性也較好。

圖1 微波輻射計(jì)和探空溫度總樣本的散點(diǎn)圖

計(jì)算微波輻射計(jì)全部樣本的溫度偏差的均值。按0.5 ℃的間隔統(tǒng)計(jì)溫度偏差的均值的分布頻數(shù)(圖2)?？梢钥闯?，微波輻射計(jì)溫度偏差的均值分布基本符合正態(tài)分布，主要分布在[-5 ℃,5 ℃]區(qū)間, 其中在[-2 ℃,2 ℃]區(qū)間的樣本量占比超過70%，數(shù)據(jù)分布較為集中，說明微波輻射計(jì)反演的溫度值在多種天氣條件下比較可靠。

圖2 微波輻射計(jì)全部樣本溫度偏差的均值分布圖

2.2 不同天氣類型評(píng)估

按不同天氣類型對(duì)微波輻射計(jì)與探空測得的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)分析(見表1)，二者在雨天、晴天、陰天和霧天下的相關(guān)系數(shù)都大于0.98，微波輻射計(jì)探測溫度的平均偏差和均方根誤差在四種不同天氣下差異不大，都小于3 ℃。反映出微波輻射計(jì)反演的溫度和探空探測的溫度的相關(guān)性很好，且平均偏差和均方根誤差都較為穩(wěn)定。相對(duì)來說，微波輻射計(jì)在晴天探測效果最好，陰天、霧天次之。初步推測原因?yàn)橛晏旌挽F天時(shí)近地面濕地偏大，微波輻射計(jì)的天線罩存在水汽凝結(jié)現(xiàn)象從而影響探測的效果。

表1 四類典型天氣的微波輻射計(jì)與探空溫度數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)、平均偏差和均方根誤差統(tǒng)計(jì)

計(jì)算四類天氣類型下，微波輻射計(jì)與探空在0～10 km垂直高度范圍內(nèi)探測溫度偏差的均值，按0.5 ℃間隔統(tǒng)計(jì)分布頻率(如圖3所示)?？梢钥闯鲫幪臁⑶缣鞙囟绕畹木当容^符合正態(tài)分布，雨天、霧天的分布存在較多的離散樣本。這說明雨天和霧天時(shí)，近地面高濕的條件對(duì)微波輻射計(jì)探測反演溫度結(jié)果的準(zhǔn)確性存在著一定的影響。

圖3 四類天氣類型微波輻射計(jì)與探空溫度平均偏差分布

分別統(tǒng)計(jì)雨天、晴天、陰天和霧天等四類典型天氣下不同高度層的微波輻射計(jì)探測溫度偏差的均值(如圖4a所示)，發(fā)現(xiàn)雨天溫度偏差的均值的分布區(qū)間為[-2.16 ℃,0.35 ℃]，陰天為[-2.10,1.06 ℃]，晴天為[-1.06 ℃,0.48 ℃]，霧天為[-1.25 ℃,0.64 ℃]，四類天氣條件下溫度偏差的均值從低層到高層均發(fā)生了正負(fù)值轉(zhuǎn)換。進(jìn)一步分析四類天氣情況下溫度偏差的均值的變化情況可發(fā)現(xiàn)：在陰天和雨天，微波輻射計(jì)探測溫度偏差的均值隨高度變化的趨勢較為一致，分別在約2.5 km和1.5 km高度平均偏差由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值；在霧天溫度偏差的均值在約100 m高度即由正轉(zhuǎn)負(fù)；晴天情況下溫度偏差的均值在4 km高度以下為負(fù)值，4 km高度以上則轉(zhuǎn)為正值。在四類天氣條件下，微波輻射計(jì)在不同高度上探測溫度的誤差隨高度增加而遞增，如圖4b所示。

圖4 微波輻射計(jì)探測溫度偏差(a)和均方根誤差(b)隨高度變化廓線

3 結(jié)論

(1)國產(chǎn)MWP967KV型地基多通道微波輻射計(jì)反演溫度可靠性較強(qiáng)。在晴天、霧天、雨天和陰天等四類天氣條件下，微波輻射計(jì)與探空雷達(dá)探測的溫度的相關(guān)性都較好，平均絕對(duì)偏差和均方根誤差差異不明顯。

(2)晴天微波輻射計(jì)與探空探測溫度平均偏差在4 km高度以上由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值；雨天、陰天微波輻射計(jì)與探空探測溫度的偏差大約在1.5 km和2.5 km高度以下為正值，以上溫度偏差由正值轉(zhuǎn)為負(fù)值；霧天溫度偏差僅在地面100 m高度內(nèi)為正值，其余高度均為負(fù)值。說明不同天氣條件下，微波輻射計(jì)探測溫度的偏差特性不同，在應(yīng)用微波輻射計(jì)探測數(shù)據(jù)時(shí)是應(yīng)結(jié)合具體天氣條件予以考慮。

(3)在數(shù)據(jù)分析中未考慮探空氣球漂移帶來的影響，同時(shí)微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)反演效果還受到大氣穩(wěn)定度、設(shè)備參數(shù)、反演算法和定標(biāo)等多種因素的影響，這些因素對(duì)觀測數(shù)據(jù)的影響情況還需要進(jìn)一步的研究。