輻射傳輸模式對地基微波輻射計觀測亮溫的模擬能力分析

鄒榮士 何文英 ,3 王普才 ,3 茆佳佳 陳洪濱 ,3李軍 南衛(wèi)東 ,2 常越

1 中國科學(xué)院大氣物理研究所中層大氣和全球環(huán)境探測重點(diǎn)實驗室，北京 100029

2 中國科學(xué)院大氣物理研究所華北香河全大氣層野外科學(xué)觀測研究站，香河 065400

3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

4 中國氣象局氣象探測中心，北京 100081

1 引言

微波輻射計是被動接收環(huán)境發(fā)射的微波輻射而進(jìn)行遙感探測的儀器，具有較高靈敏度和高度方向性。由于微波波長較長，能夠穿透一定云層，因此地基微波輻射計能夠24小時全天候工作，尤其廓線型地基微波輻射計利用大氣水汽和氧氣的微波輻射信號能夠反演大氣溫度、濕度廓線以及云雨信息（Westwater, 1993; Ware et al., 2003; 姚志剛和陳洪濱, 2005），能夠彌補(bǔ)每日兩次的常規(guī)探空廓線測量的不足。所以，近年來地基微波輻射計在氣象領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，成為大氣探測的重要技術(shù)手段之一（劉紅燕等, 2009; 趙兵科等, 2009; Cimini et al., 2011,2015; L?hnert and Maier, 2012; 劉思波等, 2015）。

在正常工作環(huán)境中，地基微波輻射計可以在無人看管條件下全天候運(yùn)行，提供秒級的多通道微波亮溫（TB，Brightness Temperature）。基于微波觀測亮溫，采用統(tǒng)計反演方法，如多元線性回歸或非線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，可以反演出高時間分辨率的大氣溫度和濕度廓線。通常氣象臺站或業(yè)務(wù)部門會直接使用地基微波輻射計提供的大氣溫濕廓線，因此反演廓線的數(shù)據(jù)質(zhì)量需要更多關(guān)注。

除了反演方法外，地基微波輻射計反演的大氣廓線質(zhì)量與觀測亮溫的數(shù)據(jù)質(zhì)量緊密相關(guān)。盡管地基微波輻射計研制技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟，但在具體實踐應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)地基微波輻射計的觀測亮溫會在個別通道或整體出現(xiàn)系統(tǒng)性漂移，產(chǎn)生明顯的觀測誤差，往往在液氮絕對定標(biāo)后會恢復(fù)正常（王振會等, 2014; 朱雅毓等, 2015）。地基微波輻射計在外場觀測中通常要求每半年進(jìn)行一次液氮絕對定標(biāo)。而液氮屬于危險化學(xué)品，必須用液氮專用的液氮罐儲存才行；由于溫度過低，皮膚接觸液氮時間超過2秒即可致凍傷，在外場液氮定標(biāo)時，必須佩戴專業(yè)防護(hù)手套。此外，液氮只能在某些化工廠、研究機(jī)構(gòu)等處購買，有些觀測臺站附近無法獲取，因此，一些臺站的地基微波輻射計未必能夠保證每半年一次的液氮絕對定標(biāo)，其觀測溫數(shù)據(jù)質(zhì)量也未必有保障。

為了提高對地基微波輻射計日常觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量的監(jiān)控和檢驗，本文考慮引入輻射傳輸模式。輻射傳輸模式是基于輻射傳輸方程建立的，是連接觀測和模擬輻射信息的橋梁，在大氣遙感領(lǐng)域廣泛使用，如衛(wèi)星觀測的定標(biāo)以及產(chǎn)品的反演算法，衛(wèi)星資料同化等。Clough et al.（2005）較為系統(tǒng)介紹了幾種公開可用的輻射傳輸模式及其改進(jìn)之處，并指出這些模式已經(jīng)能夠較好應(yīng)用于反演算法開發(fā)和歐洲天氣預(yù)報模式中。通過輻射傳輸模式得到的模擬亮溫與觀測亮溫的一致性，可以分析評估衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量（Goldberg et al., 2001; Lu et al., 2011）。Hewison et al.（2006）分析比較四種常用的微波吸收模式對于地基微波輻射計觀測的模擬能力，并指出這些模式對于地基微波輻射計有較高的定標(biāo)準(zhǔn)確性。國內(nèi)學(xué)者利用輻射傳輸模式作為輔助工具（李青等, 2014; 茆佳佳等, 2018），結(jié)合地基微波輻射計觀測時刻的大氣廓線得到模擬亮溫，根據(jù)模擬與觀測亮溫的比對，相對獨(dú)立客觀地評估觀測亮溫的數(shù)據(jù)質(zhì)量。王振會等（2014）利用輻射傳輸模式計算的模擬亮溫發(fā)現(xiàn)所用的地基微波輻射計觀測亮溫在某些微波通道出現(xiàn)顯著的系統(tǒng)性漂移，若繼續(xù)使用這些明顯有誤的觀測亮溫去反演大氣廓線，勢必產(chǎn)生有誤的大氣溫濕廓線信息。

基于輻射傳輸原理建立的輻射傳輸模式具有扎實的理論基礎(chǔ)，并且模式模擬結(jié)果與地基微波輻射計的具體標(biāo)定無關(guān)。因此，本文針對北京國家綜合氣象觀測試驗基地（簡稱觀象臺站）和華北香河全大氣層野外科學(xué)觀測研究站（簡稱香河站）布設(shè)的同類型的地基微波輻射計的觀測亮溫數(shù)據(jù)，采用多個輻射傳輸模式進(jìn)行模擬交叉驗證，不僅比較不同輻射傳輸模式模擬結(jié)果的差異，同時還根據(jù)差異程度分析不同模式的模擬能力以及觀測亮溫的質(zhì)量。

2 觀測數(shù)據(jù)和輻射傳輸模式

自2018年1月，國家重點(diǎn)研發(fā)項目“超大城市垂直綜合氣象觀測技術(shù)研究及試驗”分別在中國科學(xué)院大氣物理研究所的華北香河全大氣層野外科學(xué)觀測研究站（香河站）和北京國家綜合氣象觀測試驗基地（觀象臺站）開展了地基微波輻射計，兩地的微波輻射計都采用德國RPG公司生產(chǎn)的RPGHATPPRO廓線型地基微波輻射計，主要利用微波段的水汽和氧氣吸收波段通道組的輻射特性差異反演大氣濕度和溫度廓線。

RPG-HATPPRO共有14個通道，其中通道1～7（ch1-ch7）的中心頻率依次是：22.24、23.04、23.84、25.44、26.24、27.84、31.40 GHz，處于水汽吸收線中心及其附近，稱為水汽通道，用于反演大氣濕度廓線；通道8～14（ch8至ch14）的中心頻率依次是：51.26、52.28、53.86、54.94、56.66、57.30、58.00 GHz，位于氧氣吸收帶及其附近，稱為氧氣通道，主要用于反演大氣溫度廓線。該儀器按照要求每半年進(jìn)行一次液氮絕對定標(biāo)，以保證觀測亮溫數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通常，RPG-HATPPRO采用垂直對天頂?shù)挠^測模式，每1～2秒接收一組亮溫數(shù)據(jù)，而每隔大約10秒產(chǎn)生反演的大氣溫度和濕度廓線。如此高時間分辨率的大氣廓線信息，可以彌補(bǔ)常規(guī)探空每日2次的觀測廓線，為監(jiān)測和研究大氣溫濕度垂直結(jié)構(gòu)的時空演變提供寶貴的觀測資料。

要驗證兩地微波輻射計觀測亮溫，還需要探空測量的大氣廓線觀測數(shù)據(jù)。北京觀象臺站（39.81°N，116.48°E，簡寫為GXT）和河北香河站（39.95°N，116.96°E，簡寫為XH），兩地相距約50 km。北京探空在觀象臺站施放，也是距離香河觀測站最近的探空，因此本文統(tǒng)一采用北京觀象臺站（即北京站）探空觀測數(shù)據(jù)，為輻射傳輸模式提供所需的大氣廓線輸入信息，選取的時間段是2019年1～3月。本文比較分析的是與探空觀測時段對應(yīng)的地基微波輻射計觀測亮溫和模式模擬亮溫，其中觀測亮溫為探空測量時段內(nèi)高時間分辨率的多組觀測亮溫的平均結(jié)果。

對于輻射傳輸模式，考慮到目前存在多種大氣輻射傳輸模式，為了選取適合地基微波輻射計的輻射模式，有必要對模式的模擬能力進(jìn)行認(rèn)識和評估。本文針對相關(guān)文獻(xiàn)上提到較多的三個模式，即MonoRTM、ARTS和MWRT，進(jìn)行比較和評估。

MonoRTM（ the Monochromatic Radiative Transfer Model）模式是美國大氣環(huán)境研究所（AER，Atmospheric and Environmental Research Inc.）開發(fā)的一款適合于微波段的大氣輻射傳輸模型，物理基礎(chǔ)與逐線積分模式一致，主要針對有限的單色光譜進(jìn)行模擬。該模式在Clough et al.（2005）工作中與其他輻射模式進(jìn)行比對分析，也多次與美國南部大平原（SGP）上的多種觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證，包括地基微波輻射計（Turner et al., 2007）。MonoRTM模式也陸續(xù)被國內(nèi)學(xué)者使用，開展地基微波輻射計反演算法研究（黃興友等, 2013）和觀測亮溫數(shù)據(jù)質(zhì)量的研究（茆佳佳等, 2018）。該模型的輸入數(shù)據(jù)包含多個輸入文件，包括大氣溫度、氣壓、濕度等大氣參數(shù)；微波輻射計的通道數(shù)、天頂角等信息，模式輸出不同情況下的模擬亮溫。

ARTS（the Atmospheric Radiative Transfer Simulator）模式主要由德國漢堡大學(xué)和瑞士查爾姆斯理工大學(xué)開發(fā)，其目的是集合開發(fā)一個高度模塊化、快速精確、普遍適用的輻射傳輸模式，并且專門針對不同星載探測器設(shè)計不同的輻射模塊，如微波垂直探測器（AMSU）、微波濕度探測（MHS）、改進(jìn)型甚高分辨率輻射儀（AVHRR）、高分辨率紅外輻射探測器（HIRS）等（Buehler et al., 2011,2018）。李書磊等（2016）詳細(xì)介紹了ARTS模式組成模塊及其多方面應(yīng)用。

除了上述兩個公開并高度模塊化開發(fā)的輻射傳輸模式，本文還使用了一個簡單快捷的微波輻射傳輸模式MWRT（Liu, 1998）。該模式采用4流離散縱坐標(biāo)方法（DOM：Discrete Ordinate Method）處理輻射傳輸方程。盡管多流DOM方法能準(zhǔn)確和穩(wěn)定地解決輻射傳輸計算問題，但是計算量大影響計算效率，不利于輻射傳輸模式在實際工作中應(yīng)用。為此，Liu（1998）開發(fā)建立快速高效的4流DOM的MWRT模式，跟32流輻射傳輸模式相比，MWRT不僅計算效率高，并且計算準(zhǔn)確性也比較好。此外，MWRT模式含有詳實而豐富的云和降水粒子衰減處理過程，尤其采用離散偶極子近似（Liu, 2004）方法處理雪花、冰雹等大的非球形冰相粒子衰減，對于云雨條件下的大氣微波輻射傳輸計算問題具有較強(qiáng)的處理能力。

3 模式模擬與觀測亮溫的比對分析

上述三個模式運(yùn)行需要的輸入?yún)?shù)，主要包括地基微波輻射計多通道的中心頻率、掃描天頂角信息、還有大氣溫濕度廓線信息。結(jié)合2019年1～3月北京探空站提供的大氣廓線觀測數(shù)據(jù)，三個模式輸出三組RPG地基微波輻射計14個通道的模擬亮溫，然后與GXT和XH兩站的地基微波輻射計觀測亮溫進(jìn)行匹配。通過比較分析觀測和模擬亮溫差異，評估三個模式的模擬能力。需要說明的是，目前模式模擬只是輸入大氣溫濕度廓線信息，沒有云或降水參數(shù)信息，即模式?jīng)]有考慮云或降水過程對于模擬結(jié)果的影響。因此在本文分析的匹配樣本，只選取地基微波輻射計上降雨傳感器顯示無雨的觀測樣本，即包括有云和晴空時的觀測數(shù)據(jù)。

3.1 三種模式模擬結(jié)果與單站觀測的比較

為了定量化描述模擬與觀測亮溫的差異程度，這里引入公式（1～4）定義的幾個統(tǒng)計參數(shù)：平均偏差（Mean）、絕對偏差（Amean）、標(biāo)準(zhǔn)偏差（Stddev）和相關(guān)系數(shù)（Corr）：

其中，x和y分別為地基微波輻射計多通道對應(yīng)的觀測和模擬亮溫，i是匹配樣本數(shù)目。Mean和AMean可以反映出所有匹配樣本總的模擬和觀測差異程度，考慮到Mean存在正負(fù)偏差相互抵消作用，引入AMean能更為直觀體現(xiàn)每個匹配樣本差異程度對總平均結(jié)果的貢獻(xiàn)；標(biāo)準(zhǔn)偏差則可以反映出所有匹配樣本的模擬與觀測差異離散分布程度，若該值越大，表明多個差異樣本相互之間越離散；相關(guān)系數(shù)則反映所有樣本的模擬和觀測結(jié)果的線性一致性，本文后面展示的相關(guān)系數(shù)都是通過了置信度為99%的顯著性檢驗。首先分析香河站地基微波輻射計觀測亮溫與三個模式模擬結(jié)果的差異。先選取三個模式對水汽通道1（Channel 1，簡寫為ch1，22.24 GHz）和ch7（31.40 GHz），溫度通道ch8（51.26 GHz）和ch14（58.0 GHz）的模擬結(jié)果與對應(yīng)觀測亮溫的散點(diǎn)分布圖（圖1），并給出相應(yīng)的統(tǒng)計參數(shù)。圖1中自上而下對應(yīng)水汽通道ch1、ch7和溫度通道ch8、ch14，從左往右對應(yīng)MWRT、MonoRTM和ARTS三個模式?？傮w看來，這四個通道的模擬與觀測一致性整體都較好，其中溫度通道ch14一致性最佳，三個模式模擬與觀測的相關(guān)系數(shù)都在0.99以上，全部樣本的散點(diǎn)圖都集中分布在y=x的藍(lán)色對稱軸線上；其次是水汽通道ch1，模式MonoRTM和MWRT結(jié)果與觀測的相關(guān)系數(shù)很接近，基本都是0.96，相比較而言ARTS模擬與觀測稍有點(diǎn)離散，相關(guān)系數(shù)只有0.90，標(biāo)準(zhǔn)差也高于前兩個模式；而對于水汽通道ch7和溫度通道ch8，三個模式模擬與觀測的整體一致性有所減弱，尤其出現(xiàn)個別偏離明顯的樣本，從而導(dǎo)致兩者的相關(guān)系數(shù)降低到0.80左右，主要原因是這兩個通道對于大氣中水汽變化更為敏感。

圖1 香河站（XH）地基微波輻射計的ch1（ch代表通道)、ch7、ch8、ch14的觀測亮溫（O）與三種模式MWRT、MonoRTM、ARTS模擬亮溫（M）的散點(diǎn)分布圖Fig. 1 Scatter plots of simulated brightness temperature (TB) (M) from the MWRT, MonoRTM, and ARTS models and observed TB (O) at ch1 (ch indicates channel), ch7, ch8, and ch14 by the MWR at the Xianghe site (XH)

類似的，圖2是北京觀象臺（GXT）地基微波輻射計觀測亮溫與三個模式模擬結(jié)果的散點(diǎn)分布圖。這里選取差異較明顯的三個通道：水汽通道ch7和溫度通道ch8和ch9（52.28 GHz）。由于觀象臺地基微波輻射計觀測資料在2019年1～3月有部分缺失，與模式模擬亮溫相匹配的樣本數(shù)明顯少于香河站，不過觀測與模擬亮溫的一致性看上去比香河站比對結(jié)果更好，尤其對于通道ch7，如圖2a-c顯示，三個模式的模擬結(jié)果與觀測亮溫的線性相關(guān)性都高達(dá)0.97，沒有出現(xiàn)明顯離散的樣本，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差只有0.3 K，不過在具體數(shù)值上，模擬亮溫整體都系統(tǒng)性偏低于對應(yīng)觀測亮溫，產(chǎn)生約2.5 K的平均偏差。對于溫度通道ch8和ch9，三個模式與觀測的相關(guān)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差各有點(diǎn)不同，其中ARTS模擬與觀測相關(guān)系數(shù)最高而且標(biāo)準(zhǔn)差最小，其次是MonoRTM，最后是MWRT。但是在具體量值差異上，MonoRTM在ch8出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)性偏差（＞5 K），而另外兩個模式則與觀測較為接近，基本都集中在y=x的藍(lán)色對稱軸線上；而對于ch9，三個模式模擬結(jié)果與對應(yīng)觀測都呈現(xiàn)不同程度的偏離，相比較而言，MWRT和ARTS都系統(tǒng)性偏高與觀測，只是后者更為明顯，而MonoRTM系統(tǒng)性偏低觀測最明顯，超過3 K。

圖2 北京觀象臺（GXT）地基微波輻射計ch7、ch8和ch9通道的觀測亮溫（O）與三種模式MWRT、MonoRTM、ARTS模擬亮溫（M）的散點(diǎn)分布圖Fig. 2 Scatter plots of simulated TBs (M) from the MWRT, MonoRTM, and ARTS models and observed TBs (O) at ch7, ch8, and ch9 by the MWR at the Beijing Observatory (GXT) site

3.2 兩站觀測結(jié)果與模式的比較

除了上述單站個別通道的比對，香河站（XH）和觀象臺（GXT）地基微波輻射計的14通道觀測與模擬亮溫的統(tǒng)計參數(shù)比對一起顯示在圖3中，其中實線為XH站點(diǎn)，虛線為GXT站點(diǎn)。首先，從圖3a中相關(guān)系數(shù)比對，可以看到MonoRTM和MWRT在14個通道上基本重合，而ARTS除了水汽通道ch1和溫度通道ch8和ch9外，其余通道也與前兩個模式基本重合。可以說，單個站點(diǎn)的三個模式模擬與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)在大多數(shù)通道上基本重合，但是兩個站點(diǎn)還是有明顯差異：對于水汽通道（ch1至ch7），南郊觀象臺模擬與觀測的相關(guān)性穩(wěn)定并且高于0.95，而香河站點(diǎn)的水汽通道模擬與觀測的相關(guān)性隨著頻率增加而逐漸降低，如從ch1的0.96減少到ch7的0.83。對于溫度通道ch8和ch9，兩地的模擬與觀測相關(guān)性都明顯較低，尤其香河站的MonoRTM和MWRT與ch8觀測亮溫的相關(guān)性不足0.80，而ARTS接近0.82；而對水汽不敏感的溫度通道ch10～ch14，兩個站點(diǎn)相關(guān)系數(shù)結(jié)果基本一樣，都接近1.0。

模擬與觀測的相關(guān)系數(shù)在兩個站點(diǎn)的差異，主要因為兩地都采用北京觀象臺的氣象探空廓線，對于GXT微波輻射計來說是同地比較，而對于XH站，距離觀象臺探空站約有50 km。通常大氣中水汽時空變化較快，北京站探空提供的大氣濕度廓線與香河站上空的水汽會有一些差異，因此模式模擬的水汽通道與香河站對應(yīng)觀測結(jié)果的一致性降低，相關(guān)系數(shù)也有所降低，并且對于水汽變化敏感的溫度通道ch8～ch9，也有類似的影響。只有對水汽不敏感的溫度通道ch10～ch14，大氣溫度廓線變化相對穩(wěn)定，因此對兩地模擬亮溫影響甚微，在兩地都能達(dá)到接近1.0的相關(guān)系數(shù)。

圖3b顯示河北香河和北京觀象臺兩地的模擬和觀測差異的標(biāo)準(zhǔn)差變化?？傮w看來，兩個站點(diǎn)14個通道的標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢很接近，其中對于通道ch2～ch10，三個模式在單個站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差基本重合；只在水汽通道ch1出現(xiàn)ARTS模式高于另外兩個模式，也在通道ch11～ch14出現(xiàn)MonoRTM小于另外兩個模式的差異趨勢。當(dāng)然，兩個站點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差具體量值有明顯差異：觀象臺站14通道的標(biāo)準(zhǔn)差都低于1.0 K，遠(yuǎn)小于對應(yīng)的香河站結(jié)果，即觀象臺站模擬與觀測的差異離散程度明顯小于香河站。這種離散程度的明顯差異與采用北京觀象臺的探空廓線有關(guān)。

圖3c是量化顯示模式模擬與兩地觀測亮溫的絕對偏差差異程度。總體看來，水汽通道ch1～ch7和溫度通道ch11～ch14的絕對偏差較為穩(wěn)定，尤其后者的三個模式在兩個地點(diǎn)的絕對偏差都非常接近，約為0.7 K，而對于水汽通道，香河站的絕對偏差基本穩(wěn)定在1 K，而對應(yīng)北京觀象臺的絕對偏差基本在3 K。三個模式在溫度通道ch8～ch10的絕對偏差差異較為明顯，其中最為顯著之處是ch8，該通道不僅兩地的觀測與模擬的相關(guān)系數(shù)最低，而且MonoRTM模擬結(jié)果在兩個站點(diǎn)與觀測的絕對偏差最高，約為4～5 K，而對應(yīng)的MWRT和ARTS模擬與觀測的絕對偏差約為1 K；對于絕對偏差也較大的ch9和ch10，還是MWRT和ARTS都低于對應(yīng)的MonoRTM結(jié)果。對于其他溫度通道ch11～ch14，三個模式的絕對偏差基本重合，并且都明顯減小到0.7 K?？傮w來說，對于絕對偏差顯著變化的ch8～ch10，無論香河站或觀象臺站，三個模式中，MWRT的絕對偏差最小，然后是ARTS，而MonoRTM絕對偏差最大。

結(jié)合圖1和圖2中模式模擬和觀測亮溫的散點(diǎn)圖分布，可以看到，對于模式與觀測的相關(guān)系數(shù)接近以及標(biāo)準(zhǔn)差接近的通道，還要看其平均或絕對偏差變化，若存在顯著差異，則表明模擬結(jié)果與觀測亮溫存在系統(tǒng)性偏差。首先，三個模式在北京觀象臺的地基微波輻射計水汽通道ch1～ch7一直存在約3 K的絕對偏差，其對應(yīng)散點(diǎn)圖明顯表明觀測亮溫系統(tǒng)性偏高于模擬結(jié)果，而對應(yīng)香河站水汽通道觀測與模擬總體很接近，只有1 K以內(nèi)的絕對偏差，明顯比觀象臺對應(yīng)的比對結(jié)果小。本文研究中兩地地基微波輻射的模擬亮溫都采用北京觀象臺的探空廓線，理論上模式模擬結(jié)果應(yīng)該與北京觀象臺的微波輻射計的觀測更接近，可是散點(diǎn)圖和圖3c顯示的模擬亮溫與香河站地基微波輻射計水汽通道觀測結(jié)果更為接近，而與觀象臺水汽通道觀測亮溫存在明顯的系統(tǒng)性偏差。在Hewison et al.（2006）分析晴空條件下四種常用微波吸收模式對地基微波輻射計觀測的模擬能力的研究工作中，顯示了多個模式在水汽通道（22～31.5 GHz）普遍存在約0.5 K的模擬偏差。本文分析的香河站地基微波輻射計水汽通道的模擬與觀測結(jié)果偏差基本在1 K以內(nèi)，除了模式自身偏差，還有探空廓線地理位置差異引起的偏差。對于北京觀象臺站，探空與地基微波輻射計位置基本一致，地基微波輻射計水汽通道的模擬結(jié)果與觀測亮溫存在系統(tǒng)性3 K的偏差，除了0.5 K的模式偏差，更多偏差估計是觀測資料本身的問題，這意味著北京觀象臺地基微波輻射計的水汽通道的觀測質(zhì)量有待進(jìn)一步改進(jìn)。其次，使用同一套探空廓線情況下，三個模式的模擬結(jié)果在地基微波輻射計大部分通道上都很接近，也與觀測結(jié)果具有很好一致性，除了個別通道，如溫度通道ch8～ch10，尤其三個模式在溫度通道ch8和ch9，不僅模擬與觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)明顯較低，而且存在明顯的絕對偏差，初步表明模式在這些通道的模擬能力有待提高。三個模式中，MonoRTM模擬結(jié)果與兩地觀測亮溫的相關(guān)系數(shù)普遍很高并且標(biāo)準(zhǔn)差小，只在溫度通道ch8～ch10存在明顯的系統(tǒng)性偏差，尤其在ch8的絕對偏差高達(dá)5 K；而ARTS模式除了對水汽通道ch1模擬能力較弱外，在其他通道和MWRT模式結(jié)果都較接近；相比較而言，MWRT模擬與觀測亮溫在多個通道上相對更為接近和穩(wěn)定，尤其系統(tǒng)性偏差最小。

圖3 香河站（XH）和北京觀象臺站（GXT）地基微波輻射計14個通道觀測亮溫與模擬亮溫的統(tǒng)計參數(shù)變化：（a）相關(guān)系數(shù)；（b）標(biāo)準(zhǔn)偏差；（c）絕對偏差Fig. 3 Variations in the statistical parameters for 14 MWR channels at XH and GXT sites: (a) Correlation coefficient; (b) standard deviation;(c) absolute bias

3.3 云天和晴天觀測與模擬比較

在上述分析的匹配樣本中，包括有云和晴空時的觀測數(shù)據(jù)。由于本文分析的是2019年1～3月數(shù)據(jù)，該時段多以晴天為主，云天較少，降水過程更少，并且大氣中水汽變化相對夏季較弱，因此，這三個月的模擬結(jié)果與觀測在整體上比較接近。為了進(jìn)一步認(rèn)識云天對模式和觀測結(jié)果比對的影響，參考以往研究中識別云天的方法：依據(jù)探空測量的相對濕度（RH）廓線大于85%作為有云存在的識別閾值（車云飛等, 2015; 丁虹鑫等, 2018）。云雨條件下輻射模式計算具有較多不確定性，通常只選取晴天條件下模式結(jié)果檢驗觀測亮溫質(zhì)量（王振會等, 2014; 茆佳佳等, 2018）。

本文同時給出云天和晴天的模擬和觀測亮溫的比對結(jié)果，即對1～3月所有模擬與觀測亮溫的匹配數(shù)據(jù)，依據(jù)RH＞85%的判別條件將樣本劃分為兩類：晴天和云天，對比的散點(diǎn)圖如圖4所示，其中黑色樣本代表晴天、紅色樣本代表云天。這里選取了對水汽敏感的水汽通道ch7和溫度通道ch8，這兩個通道也是模擬與觀測相關(guān)系數(shù)偏低的通道。2019年1～3月的匹配樣本中云天樣本明顯較少，對于匹配樣本較多的香河站，云天樣本不足晴天樣本的1/4，即占全部樣本比例不到1/5。無論是香河站還是觀象臺站，三個模式在云天和晴天條件下模擬結(jié)果與觀測的一致性普遍較好，兩類天氣條件下的散點(diǎn)分布總體區(qū)別不大，尤其在觀象臺臺站。香河站的這兩個水汽敏感通道在晴空和云天條件下都出現(xiàn)個別偏離較大的樣本，這可能還是探空水汽廓線與局地水汽分布存在差異引起的。總體看來，2019年1～3月兩個站點(diǎn)出現(xiàn)的云層對模式模擬結(jié)果的影響相對不顯著。當(dāng)然，復(fù)雜多變的云對輻射傳輸模式的影響，如不同云的高度、厚度以及云中含水量等有關(guān)參數(shù)對多通道地基微波輻射計的定量化影響，還需要在未來研究工作中進(jìn)行更深入的分析，也需要依賴云雷達(dá)提供更多云參數(shù)觀測數(shù)據(jù)的支持。

4 總結(jié)

地基微波輻射計能夠提供全天候24小時的大氣溫濕廓線，為監(jiān)測和研究局地大氣溫濕度廓線垂直結(jié)構(gòu)變化提供重要技術(shù)手段。但是，從地基微波輻射計觀測亮溫反演獲得大氣溫濕度廓線的準(zhǔn)確性尚存在一些不確定性，尤其觀測亮溫數(shù)據(jù)自身質(zhì)量會直接影響反演的大氣廓線。由于輻射傳輸模式跟地基微波輻射計的標(biāo)定和運(yùn)行狀態(tài)無關(guān)，利用模式模擬的多通道微波計輻射亮溫作為參考，可以用來檢驗地基微波輻射計觀測亮溫的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

本文針對三種輻射傳輸模式：MonoRTM、ARTS和MWRT，結(jié)合北京探空資料和兩個站點(diǎn)（北京觀象臺和河北香河站）的地基微波輻射計觀測亮溫資料，比較這三個模式在2019年1～3月的模擬結(jié)果與觀測差異，評估不同輻射傳輸模式的模擬能力。

通過模式模擬與觀測亮溫的統(tǒng)計參數(shù)（包含相關(guān)系數(shù)、平均偏差、絕對偏差和標(biāo)準(zhǔn)偏差）定量化比較表明：（1）三個模式的模擬結(jié)果在地基微波輻射計的大部分通道上都很接近，也與觀測結(jié)果具有較好一致性（相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.99），而在溫度通道ch8和ch9，三個模式模擬與觀測相關(guān)系數(shù)明顯降低，而且存在明顯的絕對偏差，表明模式在這些通道的模擬能力有待提高。（2）MonoRTM模式在溫度通道ch8至ch10存在明顯的系統(tǒng)性偏差，尤其是ch8高達(dá)5 K；ARTS模式對水汽通道ch1的模擬能力較弱；MWRT模擬與觀測亮溫在多個通道上相對更為接近和穩(wěn)定，尤其系統(tǒng)性偏差最小。（3）相距約50 km的北京觀象臺和河北香河站的地基微波輻射計觀測亮溫與模式模擬的差異，表明探空廓線與地基觀測站的空間位置不一致對地基微波輻射計水汽通道的模擬結(jié)果影響較為顯著，而對水汽不敏感的溫度通道影響甚微。（4）觀象臺地基微波輻射水汽通道的觀測亮溫與模擬結(jié)果存在3 K的系統(tǒng)性偏差，明顯高于香河站對應(yīng)的結(jié)果，初步表明觀象臺觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量有待進(jìn)一步改進(jìn)。

圖4 香河站（XH）和北京觀象臺站（GXT）的晴天（黑色）和云天（紅色）觀測亮溫與三個模式模擬亮溫比對散點(diǎn)圖：（a-f）香河站；（g-l）觀象臺Fig. 4 Scatter plots of simulated and observed TBs under clear (in black) and cloudy (in red) conditions at (a-f) XH and (g-l) GXT sites

通過觀測資料對輻射傳輸模式的模擬能力進(jìn)行分析，能夠了解輻射傳輸模式之間的差異性，并對地基微波輻射計觀測質(zhì)量進(jìn)行評估。全面評估仍需要更長時段的觀測資料。本文的比對工作初步表明輻射傳輸模式能夠較好模擬出地基微波輻射計觀測結(jié)果，可以作為地基微波輻射計觀測質(zhì)量的輔助監(jiān)測技術(shù)手段。在不方便開展液氮絕對定標(biāo)的情況下，借助輻射傳輸模式的模擬結(jié)果作為參考，盡早發(fā)現(xiàn)地基微波輻射計觀測亮溫出現(xiàn)的問題并加以訂正，對及時提醒觀測人員進(jìn)行儀器標(biāo)定、了解觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量情況、提高觀測數(shù)據(jù)的利用價值具有重要意義。