不同天氣條件下微波輻射計和風(fēng)廓線雷達探測數(shù)據(jù)誤差特征分析

陳樹成1 李曉波1 崔明1 王彥

(1.天津市氣象探測中心，天津 300061； 2.天津市人工影響天氣辦公室，天津 300074)

引言

大氣中的溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速作為常規(guī)氣象要素，在各種天氣的發(fā)生、發(fā)展和消亡過程中扮演著重要的角色[1]。微波輻射計作為大氣被動遙感探測的主要設(shè)備，可以提供從近地面到高空大氣溫濕狀態(tài)的觀測，是非常重要的大氣探測手段之一[2-3]。微波輻射計被廣泛應(yīng)用于大氣溫濕廓線、云水含量、水汽通量以及大氣可降水量等重要大氣參數(shù)的測量[4-6]，在較高的精度范圍內(nèi)實現(xiàn)了對大氣溫、濕度垂直變化的自動和連續(xù)觀測，提供了高時間分辨率的大氣狀態(tài)信息,極大地彌補了常規(guī)探空資料的不足[7]。風(fēng)廓線雷達是通過向高空發(fā)射不同方向的電磁波束，接收并處理這些電磁波束因大氣垂直結(jié)構(gòu)不均勻而返回的信息進行高空風(fēng)場探測的一種遙感設(shè)備[8-9]。風(fēng)廓線雷達利用多普勒效應(yīng)能夠探測其上空風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素隨高度的變化情況，具有探測時空分辨率高、自動化程度高等優(yōu)點[10-11]。風(fēng)廓線雷達能夠提供以風(fēng)場為主的多種數(shù)據(jù)產(chǎn)品，其基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括徑向速度、譜寬、信噪比、水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直速度和反映大氣湍流的折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)cn2等的廓線。作為高空探測的重要手段之一，GPS探空系統(tǒng)能夠穩(wěn)定獲取整層大氣的溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)，可作為其他高空探測設(shè)備(如風(fēng)廓線雷達、微波輻射計等)數(shù)據(jù)準確性評估的對比試驗設(shè)備[12-13]。

許多學(xué)者對探空、微波輻射計、風(fēng)廓線雷達及其數(shù)據(jù)對比分析作了大量的研究。魏東等利用微波輻射計探測的溫濕度數(shù)據(jù)和風(fēng)廓線儀探測的水平風(fēng)數(shù)據(jù)構(gòu)造特種探空資料，將其與常規(guī)加密探空進行對比分析，探討了其可靠性[14]，并分析了3種探空資料在各類強對流天氣中的應(yīng)用[15]。許多學(xué)者利用CFL-06型風(fēng)廓線雷達與L波段探測雷達測風(fēng)進行對比分析，探討了風(fēng)廓線雷達資料的準確性和可用性[16-21]。楊程等[22]使用浙江探空數(shù)據(jù)對EC再分析數(shù)據(jù)評估，得出可用EC再分析數(shù)據(jù)取代探空數(shù)據(jù)對風(fēng)廓線數(shù)據(jù)進行評估的結(jié)論。李建強等[23]利用太原常規(guī)探空資料分析了微波輻射計反演的溫度、濕度數(shù)據(jù)準確性并建立了訂正模型。傅新姝和談建國[24]利用上海寶山站歷史探空資料和世博園站MP-3000A型地基微波輻射計溫濕度數(shù)據(jù)，開展了地基微波輻射計探測資料質(zhì)量控制方法研究。李娜等[25]利用甘肅省榆中站逐日的探空資料和蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)的地基微波輻射計反演資料,對榆中所在的半干旱地區(qū)大氣的溫度和相對濕度的垂直分布特征進行了分析。黃治勇等[26]利用風(fēng)廓線雷達和地基微波輻射計觀測資料，對2010年4月12日發(fā)生在湖北咸寧的一次冰雹過程進行了分析，探討這兩種資料在冰雹天氣監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用。郭麗君和郭學(xué)良[27]利用探空、云雷達、系留氣艇數(shù)據(jù)，研究檢驗了華北持續(xù)性大霧天氣微波輻射計反演的氣溫、濕度廓線的準確性。韓玨靖等[28]比較了微波輻射計與探空的差異，分析了微波輻射計的探測特征。張文剛等[29]利用武漢站高時空分辨率探空資料與同址的MP-3000A型地基微波輻射計資料，分析了微波輻射計探測偏差的日變化及時間序列變化特征，表明微波輻射計對大氣要素的探測具有較高的探測準確度。

以往的學(xué)者多致力于對微波輻射計、風(fēng)廓線雷達其中一種設(shè)備探測原理和產(chǎn)品應(yīng)用分析，多選用L波段探空數(shù)據(jù)作為參考，對GPS探空資料研究較少，缺乏利用探空資料同時對微波輻射計、風(fēng)廓線雷達兩種觀測設(shè)備的誤差進行系統(tǒng)分析。本文利用全運會期間天津GPS探空觀測數(shù)據(jù)，分析不同天氣條件下MP-3000A型微波輻射計探測溫度、相對濕度的誤差特征，CFL-06型風(fēng)廓線雷達探測風(fēng)速、風(fēng)向的誤差特征，以期初步為不同天氣條件下兩種探測資料的應(yīng)用質(zhì)量控制提供參考，并且為兩種探測資料的數(shù)據(jù)訂正提供思路，同時為利用微波輻射計與風(fēng)廓線雷達構(gòu)建探空資料打好基礎(chǔ)，彌補天津地區(qū)無常規(guī)探空站的不足。

1 資料與方法

地基微波輻射計能夠生成三級數(shù)據(jù)，分別為Lv0、Lv1、Lv2表示零級數(shù)據(jù)、一級數(shù)據(jù)、二級數(shù)據(jù)。Lv0數(shù)據(jù)為各通道接收的電壓值，是未經(jīng)過處理的粗數(shù)據(jù)。Lv1數(shù)據(jù)為各通道觀測到的亮溫值，來源于同期Lv0數(shù)據(jù)和配置文件中的校準信息。Lv2數(shù)據(jù)主要為同時期輻射亮溫數(shù)據(jù)(Lv1)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法反演得到的大氣溫度、水汽密度、相對濕度和液態(tài)水密度廓線。

風(fēng)廓線雷達能夠生成ROBS、HOBS和OOBS文件，分別表示風(fēng)廓線雷達實時采樣高度上的數(shù)據(jù)文件、半小時平均采樣高度上的數(shù)據(jù)文件和一小時平均采樣高度上的數(shù)據(jù)文件。

GPS探空可以通過探空儀本身攜帶的溫濕度傳感器探頭，獲得相對準確的溫度、相對濕度探測數(shù)據(jù)，并且能夠通過探空儀與衛(wèi)星之間的交互，獲取秒級的風(fēng)速、風(fēng)向探測數(shù)據(jù)。本文利用天津全運會期間在天津市津南國家氣象觀測站獲得的移動GPS探空觀測數(shù)據(jù)，與天津西青國家基本氣象站的MP-3000A型微波輻射計反演的溫度、相對濕度數(shù)據(jù)，CFL-06型風(fēng)廓線雷達測得的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)，分析不同天氣條件下微波輻射計、風(fēng)廓線雷達探測數(shù)據(jù)誤差特征。津南國家氣象觀測站與西青國家基本氣象站直線距離為28.9 km，對于高空探測而言，可以認為兩個氣象站是同址的。

由于天津無常規(guī)探空站，2017年全運會在天津市津南國家氣象觀測站共實施GPS探空44次，獲得有效探空數(shù)據(jù)43條?？紤]數(shù)據(jù)的連續(xù)一致性，本研究僅利用每天都有2次探空的整20 d(2017年8月20日至9月8日)數(shù)據(jù)，共40組。CIMISS下載西青國家基本氣象站平均總云量與降水?dāng)?shù)據(jù)并進行統(tǒng)計歸類，得到晴天、云天和雨天的日數(shù)，其中晴天的判定條件為平均總云量為0—3成，云天的判定條件為平均總云量大于等于4成且無降水發(fā)生。根據(jù)以上判定條件，2017年8月20日至9月8日天津晴天、云天、雨天日數(shù)及獲取探空數(shù)據(jù)組數(shù)具體如表1所示。

表1 2017年8月20日至9月8日天津晴天、云天、雨天日數(shù)及獲取探空數(shù)據(jù)組數(shù)Table 1 The number of sunny,cloudy,and rainy days and the number of obtained sounding data during August 20 of September 8,2017,in Tianjin

風(fēng)廓線雷達起始數(shù)據(jù)高度為150 m，截止高度為9080 m；1950 m以下，資料空間分辨率為120 m，1950 m以上，資料空間分辨率為240 m，共46個高度層。微波輻射計起始數(shù)據(jù)高度為0 m，截止高度為10000 m；1000 m以下，資料空間分辨率為100 m，1000 m以上，資料空間分辨率為250 m，共47個高度層。選擇與風(fēng)廓線雷達、微波輻射計的同數(shù)據(jù)高度的探空數(shù)據(jù)進行處理。

2 結(jié)果分析

2.1 不同天氣條件下微波輻射計反演溫度誤差特征分析

對比晴天、云天和雨天條件下微波輻射計與GPS探空資料獲取溫度數(shù)據(jù)情況，分別計算微波輻射計各探測高度層兩者之間溫度的系統(tǒng)誤差、標(biāo)準偏差和相關(guān)系數(shù)；得出微波輻射計反演溫度的系統(tǒng)誤差、標(biāo)準偏差及相關(guān)系數(shù)如圖1所示。

系統(tǒng)誤差、標(biāo)準偏差及相關(guān)系數(shù)的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式(1) —式(3)中，E為系統(tǒng)誤差；s為標(biāo)準偏差；r為相關(guān)系數(shù)；xi為微波輻射計或風(fēng)廓線雷達探測值；x為微波輻射計或風(fēng)廓線雷達探測平均值；yi為探空值；y為探空平均值；n為晴天、云天或雨天的數(shù)據(jù)個數(shù)(按時間先后排列)。

由圖1可知，微波輻射計反演得到的溫度系統(tǒng)誤差幾乎全大于0，表明無論在晴天、云天還是雨天的條件下，與探空實測值相比，微波輻射計反演的溫度整體數(shù)值偏大；由地面到900 m，3種天氣條件下，溫度廓線的系統(tǒng)誤差介于-1～4之間，表明微波輻射計較好地反演了溫度廓線。900—4500 m之間，系統(tǒng)誤差隨高度的增加而逐漸增大，雨天系統(tǒng)誤差最大，晴天次之，云天最小，這與微波輻射計云天資料質(zhì)量不佳[30]不一致，可能與云天樣本過少有關(guān)；4500 m以上，云天和晴天系統(tǒng)誤差變化較平穩(wěn)，但數(shù)值較大，表明微波輻射計反演的溫度廓線結(jié)果較差，而雨天的系統(tǒng)誤差出現(xiàn)了先減小后增大的趨勢，反演結(jié)果相對云天、晴天要好。微波輻射計反演溫度廓線的標(biāo)準偏差從地面向上至4500 m，3種天氣條件下均呈逐漸增大趨勢，表明探測數(shù)據(jù)越來越不穩(wěn)定，4500 m以上標(biāo)準偏差維持較小的波動變化，但數(shù)值較大，探測數(shù)據(jù)相對不穩(wěn)定。

圖1 2017年8月20日至9月8日天津西青微波輻射計測量溫度系統(tǒng)誤差(a)、標(biāo)準偏差(b)及相關(guān)系數(shù)(c)Fig.1 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of temperature measured by microwave radiometer during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

微波輻射計反演溫度廓線與探空實測值的相關(guān)系數(shù)，在云天介于0.9—1.0之間，表明云天二者之間具有很好的相關(guān)性；近地面至900 m之間，晴天和雨天二者的相關(guān)性也較好，但在900 m以上，二者的相關(guān)系數(shù)較小，甚至出現(xiàn)了負值，相關(guān)性較差。

2.2 不同天氣條件下微波輻射計反演相對濕度誤差特征分析

由圖2可知，微波輻射計反演得到的相對濕度的系統(tǒng)誤差在晴天、云天和雨天均呈現(xiàn)波動的變化趨勢，系統(tǒng)誤差值有正有負，表明微波輻射計反演的相對濕度值在不同的高度層可能偏大或偏?。黄渲性铺煜鄬穸鹊南到y(tǒng)誤差波動幅度較大，說明云天反演的相對濕度結(jié)果最差，晴天反演的相對濕度也較差；雨天3750 m以下及5000—8000 m，系統(tǒng)誤差在-10～10之間波動，表明微波輻射計反演的相對濕度結(jié)果較好。

圖2 2017年8月20日至9月8日天津西青微波輻射計測量相對濕度系統(tǒng)誤差(a)、標(biāo)準偏差(b)及相關(guān)系數(shù)(c)Fig.2 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of humidity measured by microwave radiometer during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

微波輻射計反演得到的相對濕度的標(biāo)準偏差在3種天氣條件下數(shù)值在0—50之間波動，表明反演的數(shù)據(jù)相對不穩(wěn)定，這與反演濕度的系統(tǒng)誤差分析結(jié)果一致。

微波輻射計反演的相對濕度與探空實測值的相關(guān)系數(shù)，在3種天氣條件下均在0.5附近波動，表明微波輻射計反演得到的相對濕度與探空實測值相關(guān)性較差，這也從另一個方面說明了微波輻射計反演的相對濕度結(jié)果均較差。

一般來講，降水干擾會導(dǎo)致微波輻射計測量的亮溫出現(xiàn)偏差，雖然微波輻射計設(shè)備的防水罩和鼓風(fēng)機會減少降水時天線罩的液態(tài)水，但相比晴天條件下，反演的結(jié)果仍會產(chǎn)生較大偏差[24]。本文的分析沒有出現(xiàn)類似結(jié)果，應(yīng)該還是與雨天樣本數(shù)量過少有關(guān)。

2.3 不同天氣條件下風(fēng)廓線雷達測量風(fēng)速誤差特征分析

由圖3可知，風(fēng)廓線雷達測得的風(fēng)速的系統(tǒng)誤差呈波動的變化，3種天氣條件下系統(tǒng)誤差均在0附近波動，其中雨天風(fēng)廓線雷達系統(tǒng)誤差波動幅度較大，表明雨天風(fēng)廓線雷達探測風(fēng)速效果相對較差；云天和晴天風(fēng)速的系統(tǒng)誤差波動明顯小于雨天，說明風(fēng)廓線雷達在云天和晴天測得的風(fēng)速效果較好。

由風(fēng)廓線雷達測得風(fēng)速的標(biāo)準偏差分布圖可以看出，0—1750 m云天和雨天探測數(shù)據(jù)不是很穩(wěn)定，1750 m以上3種天氣條件下測量的風(fēng)速數(shù)據(jù)穩(wěn)定性相對較好，所有高度層中探測數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的是晴天條件下。

圖3 2017年8月20日至9月8日天津西青風(fēng)廓線雷達測量風(fēng)速系統(tǒng)誤差(a)、標(biāo)準偏差(b)及相關(guān)系數(shù)(c)Fig.3 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of wind speed measured by wind-profile radar during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

從風(fēng)廓線雷達測得的風(fēng)速與探空獲得風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)分布圖中可以看出，1750 m以下3種天氣條件下相關(guān)系數(shù)較小且呈波動變化，表明風(fēng)廓線雷達風(fēng)速與探空風(fēng)速值相關(guān)性較?。?750—8000 m，晴天和云天風(fēng)廓線雷達風(fēng)速與探空風(fēng)速相關(guān)系數(shù)介于0.8—1.0之間，表明兩種方式獲得的風(fēng)速的相關(guān)性較好；雨天2000—3000 m之間，兩種方式獲得的風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)急劇增大后急劇減小的趨勢，相關(guān)性較差；雨天3000 m以上，兩種方式獲得的風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)幾乎均為1，表明相關(guān)性非常好。8000 m以上，晴天條件下兩種方式獲得風(fēng)速相關(guān)性較好，云天條件下相關(guān)性很差。

2.4 不同天氣條件下風(fēng)廓線雷達測量風(fēng)向誤差特征分析

由圖4可知，風(fēng)廓線雷達測得的風(fēng)向的系統(tǒng)誤差在云天和晴天條件下，各高度層均在0附近呈現(xiàn)微小的波動變化，表明風(fēng)廓線雷達測得的風(fēng)向效果較好。雨天3750 m以下，風(fēng)廓線雷達測得的風(fēng)向的系統(tǒng)誤差呈現(xiàn)較大的波動變化，說明測得的風(fēng)向效果很差，3750 m以上，系統(tǒng)誤差在0附近呈現(xiàn)微小的波動變化，表明風(fēng)廓線雷達測得風(fēng)向效果很好。

圖4 2017年8月20日至9月8日天津西青風(fēng)廓線雷達測量風(fēng)向系統(tǒng)誤差(a)、標(biāo)準偏差(b)及相關(guān)系數(shù)(c)Fig.4 System error (a),standard deviation (b),and correlation coefficient (c) of wind direction measured by wind-profile radar during August 20 to September 8,2017,at Xiqing,Tianjin

由風(fēng)廓線雷達測得風(fēng)向的標(biāo)準偏差分布圖可以看出，3750 m以下，3種天氣條件下測得的風(fēng)向的標(biāo)準偏差呈波動變化，其中雨天數(shù)據(jù)波動最大，晴天次之，云天最小，表明云天數(shù)據(jù)相對較為穩(wěn)定，雨天數(shù)據(jù)穩(wěn)定性非常差，這與風(fēng)向系統(tǒng)誤差分析結(jié)果相一致；3750 m以上，云天和雨天數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定，5000 m以上，晴天測量數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定。

從風(fēng)廓線雷達測量的風(fēng)向與探空獲得的風(fēng)向的相關(guān)系數(shù)分布圖中可以看出，3750 m以下3種天氣條件下相關(guān)系數(shù)呈較大波動變化，云天和雨天的波動幅度遠大于晴天，表明風(fēng)廓線雷達風(fēng)向與探空風(fēng)向值相關(guān)性較?。?750 m以上，3種天氣條件風(fēng)廓線雷達風(fēng)向與探空風(fēng)向相關(guān)系數(shù)在0.6—1.0之間呈現(xiàn)波動，表明兩種方式獲得風(fēng)向的相關(guān)性較好。

3 結(jié)論與討論

(1)晴天、云天和雨天條件下，微波輻射計反演溫度廓線數(shù)值整體偏大；900 m以下3種天氣條件下反演溫度廓線結(jié)果均較好，900 m以上，反演溫度廓線的誤差均較大；云天條件下，各高度層反演的溫度廓線與探空實測的相關(guān)性最優(yōu)。

(2)晴天、云天和雨天條件下，微波輻射計反演相對濕度誤差均較大，僅雨天條件下近地面至3750 m及5000—8000 m之間，相對濕度誤差在±10%以內(nèi)；與探空實測值的相關(guān)性也較差。

(3)晴天和云天條件下，風(fēng)廓線雷達測量所有高度層風(fēng)速的誤差較小，雨天條件下，誤差相對偏大；1750 m以下風(fēng)廓線雷達測量風(fēng)速與探空獲得風(fēng)速相關(guān)性較小，晴天和云天條件下1750 m以上，雨天3000 m以上，兩種方式獲得風(fēng)速的相關(guān)性較好。

(4)晴天和云天條件下，風(fēng)廓線雷達測量所有高度層風(fēng)向的誤差較小，雨天3750 m以下誤差較大，3750 m以上誤差較?。?750 m以下，3種天氣條件下兩種方式獲得風(fēng)向的相關(guān)性較差，3750 m以上相關(guān)性較好。

本文由于觀測時間短，樣本數(shù)量少等原因，所得微波輻射計、風(fēng)廓線雷達探測數(shù)據(jù)誤差特征有關(guān)結(jié)論與文獻相比有些不同，未來可以通過長時間觀測積累更多數(shù)據(jù)進行進一步分析。此外，本文探測設(shè)備不同址，可能導(dǎo)致低層探測數(shù)據(jù)產(chǎn)生客觀誤差，因此建議在涉及地面及低層探測數(shù)據(jù)誤差分析時，應(yīng)盡可能選用同址的探測數(shù)據(jù)，同時在日后涉及探測設(shè)備規(guī)劃建設(shè)時，在站點的選址方面充分考慮探測設(shè)備的同址，便于后期的數(shù)據(jù)應(yīng)用及對比分析。