MP-3000 型地基微波輻射計(jì)探測(cè)性能分析

周晨，張軍，喬賀

（1.江蘇省氣象局，江蘇 南京 210008；2.南京市氣象探測(cè)中心；3.江蘇省氣象探測(cè)中心，江蘇 南京 210008）

探空是測(cè)量大氣溫度、氣壓、風(fēng)和水汽等廓線的最基本方法，但在測(cè)量精度、費(fèi)用以及時(shí)間連續(xù)性等方面存在諸多局限性。隨著氣象服務(wù)領(lǐng)域的擴(kuò)展，氣象業(yè)務(wù)越來越需要時(shí)空密度更大、實(shí)時(shí)性更強(qiáng)的探空資料，但是目前我國(guó)氣象探空站仍然以傳統(tǒng)的定時(shí)、定點(diǎn)的氫氣球探空為主，這種觀測(cè)方式所獲得的探空資料具有較高的代表性和可信度，但是由于氣球漂移存在誤差，同時(shí)，因?yàn)榇嬖趩未翁娇粘杀鞠鄬?duì)較高和單次探測(cè)時(shí)間持續(xù)較長(zhǎng)等不足，無法24h 連續(xù)獲得探空數(shù)據(jù)。地基微波輻射計(jì)是一種新型被動(dòng)遙感探測(cè)設(shè)備，具有高時(shí)間、空間分辨率、高靈敏度特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候?qū)崟r(shí)測(cè)量和無人值守工作。Ware 等對(duì)微波輻射計(jì)和探空資料進(jìn)行了對(duì)比，指出在數(shù)值預(yù)報(bào)中微波輻射計(jì)與探空資料具有同等的準(zhǔn)確性。劉紅燕等分析討論了微波輻射計(jì)、無線電探空和GPSMET 三種測(cè)量水汽技術(shù)間的差異，得出各個(gè)小時(shí)水汽與溫度的相關(guān)系數(shù)都按照秋、春、冬、夏的順序遞減的結(jié)論。為此，本文利用2016 年南京微波輻射計(jì)和同址探空站探測(cè)資料，開展了MP-3000 型地基微波輻射計(jì)探測(cè)資料與該站探空站資料的對(duì)比分析研究。

1 儀器與資料

探空觀測(cè)采用L 波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)。每日探測(cè)2 次，探測(cè)時(shí)間為07 時(shí)和19 時(shí)(北京時(shí))，采集0 ～30000m 資料，獲得連續(xù)各個(gè)高度的氣壓、溫度、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度等。

MP-3000A 型地基微波輻射計(jì)是由美國(guó)Radiometrics公司研發(fā)的一種35 通道微波輻射計(jì)，該輻射計(jì)具有51 ～59GHz（K 波段）和22 ～30GHz（V 波段）兩種波段，通過測(cè)量大氣輻射來反演0 ～10000m 的大氣溫度、相對(duì)濕度、水汽和液態(tài)水含量。

研究使用的布設(shè)在南京探空站的MP-3000A 型地基微波輻射計(jì)。探空時(shí)間為每天07:15 開始，球炸結(jié)束；19:15 開始，球炸結(jié)束。利用微波輻射計(jì)在該時(shí)間段內(nèi)每1min 值的平均來代表08 時(shí)和20 時(shí)的溫度、濕度、水汽密度的探測(cè)值，因MP-3000A 型微波輻射計(jì)只在58 個(gè)固定高度層上有數(shù)據(jù)，從探空數(shù)據(jù)中選取與之最為接近的高度上的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。2016 年，全年除去設(shè)備故障及維護(hù)時(shí)間外，逐日08 時(shí)和20 時(shí)58 層高度兩者觀測(cè)溫度、濕度數(shù)據(jù)樣本均為39788 組。

2 結(jié)果分析

2.1 溫度

58 層高度39788 組溫度具有很好的相關(guān)性。微波輻射計(jì)與探空測(cè)量溫度年相關(guān)系數(shù)為0.98，年線性擬合率為0.99，四季的相關(guān)系數(shù)分別為：0.98、0.98、0.99 和0.96，四季的線性擬合率分別為0.99、1.00、0.99 和0.99，年和四季均達(dá)到0.01 顯著性水平，表明微波輻射計(jì)探測(cè)的溫度垂直分布穩(wěn)定而準(zhǔn)確。圖1 為微波輻射計(jì)與探空探測(cè)四季溫度垂直分布廓線，四季兩種方法得到的溫度都表現(xiàn)為隨高度的增加一致遞減變化。

春季，地面～2250 米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～2.6 ℃；2500 ～10000 米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為負(fù)偏差，偏差為-0.1～-7.0℃。

夏季，地面～600 米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～2.4℃；700 ～10000 米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為負(fù)偏差，偏差為-0.1 ～-5.9℃。

秋季，地面～2500 米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～2.7℃；2750 ～10000 米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為負(fù)偏差，偏差為-0.4 ～-9.5℃。

冬季，地面～2500 米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為正偏差，偏差為0.0 ～3.0 ℃；2750 ～10000米微波輻射計(jì)與探空測(cè)得的溫度偏差為負(fù)偏差，偏差為-0.1 ～-6.9℃。夏季的微波輻射計(jì)測(cè)量的溫度值與探空偏差最小。

圖1 四季微波輻射計(jì)(實(shí)線)和探空(點(diǎn)線)探測(cè)溫度廓線及微波輻射計(jì)與探空溫度之差(虛線)

2.2 相對(duì)濕度

微波輻射計(jì)與探空測(cè)量的相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)為0.60；四季的線性擬合率分別為0.90、0.63、0.22 和0.68，均達(dá)到0.01 顯著性水平。圖2 為微波輻射計(jì)與探空測(cè)量的四季相對(duì)濕度垂直分布廓線。

春季，微波輻射計(jì)測(cè)量相對(duì)濕度最大值為66.1%，出現(xiàn)在3000 米附近，8500 ～9500 米相對(duì)濕度偏差較大約為15%～19%。

夏季，微波輻射計(jì)測(cè)量相對(duì)濕度最大值為91.4%，出現(xiàn)在3250 米附近，2750 ～4750 米相對(duì)濕度偏差較大約為21%～36.6%。

秋季，3250 ～6750 米相對(duì)濕度偏差較大約為14.4%～30.6%。

冬季，3500 ～6500 米相對(duì)濕度偏差較大約為10.7%～14.3%。

圖2 四季微波輻射計(jì)(實(shí)線)和探空(點(diǎn)線)探測(cè)的相對(duì)濕度廓線及微波輻射計(jì)與探空相對(duì)濕度之差(虛線)

5 結(jié)語

（1）微波輻射計(jì)及探空兩者測(cè)量的溫度及其隨高度的變化趨勢(shì)較一致，均表現(xiàn)為隨高度的增加而遞減，且四季差異不大，兩者溫度年相關(guān)系數(shù)為0.98，年線性擬合率為0.99。

（2）微波輻射計(jì)測(cè)量相對(duì)濕度，除春季外，基本在3000 ～7000m 與探空的偏差較大，約在15.8%～36.6%間浮動(dòng)。

（3）微波輻射計(jì)能夠提供定點(diǎn)、連續(xù)、高時(shí)間密度的探空數(shù)據(jù)，同時(shí)能提供較為直觀的物理量廓線圖，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法需要用長(zhǎng)時(shí)間序列的當(dāng)?shù)氐奶娇諗?shù)據(jù)資料進(jìn)行訂正，不斷修正和完善，以提高其探測(cè)的準(zhǔn)確性。