MP-3000A型微波輻射計(jì)氣溫、濕度的適用性評(píng)估

趙美艷 余君 蔣鎮(zhèn)

（1 重慶市氣象信息與技術(shù)保障中心，重慶 401147；2 重慶市豐都縣氣象局，豐都 408200；3 重慶市云陽(yáng)縣氣象局，云陽(yáng) 404500）

0 引言

隨著氣象現(xiàn)代化的快速推進(jìn)，天氣和氣候相關(guān)的業(yè)務(wù)、科研對(duì)高質(zhì)量和高時(shí)、空分辨率的氣象探空觀測(cè)資料的需求越來(lái)越迫切。無(wú)線電探空可以提供秒級(jí)時(shí)間分辨率的大氣氣溫、濕度等要素資料，尤其是我國(guó)2000年起在全國(guó)推廣使用的新一代L波段探空系統(tǒng)，較之前的59型探空儀的精度顯著提高。然而，由于探空站需要選擇合適的地理位置以及花費(fèi)較高的操作和維護(hù)費(fèi)用，且觀測(cè)時(shí)次有限（一般一天觀測(cè)2次），因此探空儀探空覆蓋范圍有限、時(shí)空分辨率較低，遠(yuǎn)不能滿足氣象業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

近年來(lái)，無(wú)人看守的被動(dòng)式地基微波輻射計(jì)得到廣泛應(yīng)用。它是利用氧氣在特定頻率帶的輻射強(qiáng)度測(cè)量大氣中的氣溫分布，并通過(guò)觀測(cè)來(lái)自于22.2 GHz和183 GHz處水汽諧振帶水汽線壓力加寬的輻射強(qiáng)度和形狀信息得到大氣中的水汽廓線信息，通過(guò)反演得到10 km以下共58層的氣溫、相對(duì)濕度、水汽密度和液態(tài)水等垂直廓線，時(shí)間分辨率達(dá)到分鐘級(jí)別（步長(zhǎng)＜3 min），從而獲得高時(shí)空分辨率的氣象探測(cè)資料，有效彌補(bǔ)了常規(guī)探空因探測(cè)次數(shù)較少而獲取測(cè)量信息不足等缺點(diǎn)。然而其資料的可信度和準(zhǔn)確性是值得關(guān)注的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外已有眾多專家學(xué)者對(duì)微波輻射計(jì)資料的準(zhǔn)確性開(kāi)展了研究。姚作新等、趙玲等對(duì)比分析烏魯木齊微波輻射計(jì)與探空觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示微波輻射計(jì)溫濕度觀測(cè)數(shù)據(jù)偏大，且誤差隨高度呈增大趨勢(shì)。劉建忠等在對(duì)北京近郊微波輻射計(jì)反演產(chǎn)品進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，微波輻射計(jì)溫濕度觀測(cè)在中低層和高層的誤差隨高度變化是不同的，且不同的季節(jié)及每日早晚誤差也存在明顯差異。高金輝等發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雨強(qiáng)超過(guò)一定范圍時(shí)，微波輻射計(jì)測(cè)量出現(xiàn)飽和，致使其測(cè)量的降雨量偏差較大。周嵬等在用微波輻射計(jì)分析一次雷暴冰雹天氣對(duì)流降雨云內(nèi)與環(huán)境溫差時(shí)發(fā)現(xiàn)，降雨時(shí)段的溫度在底層遠(yuǎn)低于無(wú)降雨的云外溫度。

重慶境內(nèi)山高谷深，地形復(fù)雜，夏季高溫少雨，冬季陰冷潮濕，是有名的霧都，在如此特殊的氣候環(huán)境下，微波輻射計(jì)的探測(cè)精度如何？為探究重慶地區(qū)微波輻射計(jì)的探測(cè)能力，本文利用2017—2019年沙坪壩站L波段探空對(duì)同址微波輻射計(jì)反演氣溫和水汽數(shù)據(jù)，按照不同時(shí)次、不同天氣（晴空、陰雨等）等條件進(jìn)行分類對(duì)比分析，力圖尋找L波段探空資料與微波輻射計(jì)資料的差異和一致性，以期為氣象科研及業(yè)務(wù)使用提供依據(jù)，為指導(dǎo)人工影響天氣確定有效作業(yè)空域等提供參考。

1 資料和方法

1.1 資料

本文所用探空資料為重慶沙坪壩站2017年1月—2019年12月期間每日08時(shí)和20時(shí)兩個(gè)時(shí)次的L波段探空秒數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)比對(duì)前，對(duì)氣溫和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行異常值檢查，剔除了缺失和明顯不合理的數(shù)據(jù)。

輻射計(jì)數(shù)據(jù)為與L波段探空同址同時(shí)期觀測(cè)的沙坪壩地基微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)，所用設(shè)備為美國(guó)生產(chǎn)的MP-3000A，它是一種新型35通道地基微波輻射計(jì)，3 min之內(nèi)完成一次掃描觀測(cè)，生成0～2級(jí)數(shù)據(jù)，其中第0級(jí)數(shù)據(jù)為各通道電壓值，第1級(jí)數(shù)據(jù)為各通道的亮溫值，而第2級(jí)數(shù)據(jù)便是業(yè)務(wù)使用的數(shù)據(jù)，即通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，反演輸出的天頂方向、北斜20°、南斜20°及南北平均等四個(gè)方向的氣溫、相對(duì)濕度、水汽等廓線數(shù)據(jù)（本文分析的為天頂方向），廓線的垂直分辨率為：0～500 m間隔為50 m，500～2000 m間隔為100 m，2000～10000 m為250 m，包括地面到10 km高度共58層。

1.2 資料預(yù)處理

由于L波段探空的采樣頻率、垂直分辨率與微波輻射計(jì)不同，因此在對(duì)二者進(jìn)行對(duì)比分析時(shí)，先將探空資料的氣溫和濕度數(shù)據(jù)在高度上進(jìn)行重采樣至微波輻射計(jì)的58層探測(cè)高度（因沙坪壩探空站海拔高度是541 m，因此500 m以下不對(duì)比）。在時(shí)間上，由于探空釋放的時(shí)間一般為08時(shí)和20時(shí)，且一次過(guò)程大概持續(xù)正點(diǎn)前后的1 h左右，因此微波輻射計(jì)資料選取探空采樣時(shí)間段內(nèi)探測(cè)數(shù)據(jù)的平均值，代表08時(shí)和20時(shí)的值，與對(duì)應(yīng)的探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1.3 方法

本文擬按不同時(shí)次（08時(shí)和20時(shí)）、不同氣象條件分別對(duì)比L波段探空資料與微波輻射計(jì)資料氣溫、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)之間的差異，全面評(píng)估他們的偏差情況。將全部樣本分為有云（對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)總云量1～10成，且無(wú)降雨）、晴空（對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)總云量0成，且無(wú)降雨）和降雨（對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)任意分鐘降雨量大于0）三種不同天氣，分別計(jì)算L波段探空與微波輻射計(jì)資料之間氣溫與相對(duì)濕度的差值平均值、差值標(biāo)準(zhǔn)差和相關(guān)系數(shù)，并分析二者差異原因，其中，差值為“L波段探空值”減“微波輻射計(jì)值”。研究中所計(jì)算的相關(guān)系數(shù)均通過(guò)0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溫

2.1.1 氣溫偏差

圖1 分別為探空與微波輻射計(jì)溫度廓線的相關(guān)系數(shù)、差值平均值和差值標(biāo)準(zhǔn)差。從圖1a可以看到，在所有層次上，L波段探空與微波輻射計(jì)氣溫之間的相關(guān)系數(shù)都很大，尤其是2 km以下，相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，之后隨著高度的上升，相關(guān)系數(shù)減少，5 km處最小，隨后又逐漸增大。

L波段探空與微波輻射計(jì)的氣溫差異在不同高度表現(xiàn)出不同的特征。由圖1b看出，1 km以下的近地面偏差最小，1～4 km，以負(fù)偏差為主，即微波輻射計(jì)氣溫大于探空，且在2.5 km的高度層，負(fù)值達(dá)到最大為3.1 ℃。3.5 km以上，探空氣溫開(kāi)始大于微波輻射計(jì)氣溫，尤其在4.5 km以上，隨著高度的上升，氣溫正偏差逐漸增大。同樣，在整個(gè)對(duì)比高度層，L波段探空與微波輻射計(jì)氣溫之間的偏差標(biāo)準(zhǔn)差在中低層較小，即二者氣溫偏差在中低層表現(xiàn)出較為穩(wěn)定的特征，隨著高度的上升，二者的氣溫差異波動(dòng)較大。偏差的這種分布主要是因?yàn)槲⒉ㄝ椛溆?jì)在低層的廓線信息來(lái)自于直接探測(cè)，而相對(duì)高層的溫度廓線信息是來(lái)自于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的反演所得，從而使得低空的測(cè)量精度要高于高空。

圖1 L波段探空與微波輻射計(jì)氣溫的對(duì)比（a）相關(guān)系數(shù)，（b）差值平均值和差值標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 1 Temperature comparison of L band and microwave radiometer(a) correlation coefficient, (b) bias and standard deviation

2.1.2 不同時(shí)次氣溫偏差的分布特征

在不同高度，08時(shí)和20時(shí)相關(guān)系數(shù)均在0.77以上（圖2a），其隨高度的變化呈現(xiàn)階梯形特點(diǎn)，反映出不同高度微波輻射計(jì)反演氣溫與L波段探空的相似程度存在差異。4.5 km以下，兩個(gè)時(shí)次氣溫相關(guān)性相似，即隨高度上升相關(guān)系數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，在低空的相關(guān)性較高，尤其是20時(shí)在1 km處相關(guān)系數(shù)為0.97，4 km處減為0.83。4.5 km以上，兩個(gè)時(shí)次相關(guān)系數(shù)均隨高度遞增，但20時(shí)相對(duì)高于08時(shí)。

總的來(lái)看，08時(shí)微波輻射計(jì)反演氣溫與探空氣溫的偏差較20時(shí)?。▓D2b），雖然兩個(gè)時(shí)次的差值隨高度的分布形式相似，即4 km以下，水汽相對(duì)集中的高度層，以負(fù)偏差為主，最大在2.5 km，微波輻射計(jì)的氣溫偏高3 ℃，但4 km以上08時(shí)的偏差普遍小于20時(shí)，每個(gè)高度層平均偏低0.7 ℃。而20時(shí)的偏差變化在整個(gè)高度層的穩(wěn)定性要優(yōu)于08時(shí)，尤其是在高層（圖2c）。

2.1.3 不同天氣條件下氣溫偏差特征

圖2 08時(shí)和20時(shí)L波段探空與微波輻射計(jì)氣溫對(duì)比（a）相關(guān)系數(shù)，（b）差值平均值，（c）差值標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 2 Temperature comparison of L band and Microwave radiometer in 08:00 BT and 20:00 BT(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

在三種天氣狀況下，從兩個(gè)設(shè)備測(cè)量氣溫的相關(guān)系數(shù)分布可以看出（圖3a），4 km以下，相關(guān)系數(shù)相差不大，均在0.8以上，尤其是2 km以下，相關(guān)系數(shù)基本大于0.9，即任何天氣條件下，微波輻射計(jì)反演氣溫與L波段探空觀測(cè)氣溫值在低層相關(guān)性較好。但在4.5～10 km高度層，降雨天氣對(duì)微波輻射計(jì)氣溫探測(cè)影響較大，尤其在4.5～5.3 km，相關(guān)系數(shù)有個(gè)突降的過(guò)程，在5.3 km高度時(shí)僅為0.61，之后隨著高度緩慢增加，但仍明顯比非降雨時(shí)的相關(guān)性差。

從差值平均值圖上（圖3b）不難發(fā)現(xiàn)，有云和晴空時(shí)，在整個(gè)探測(cè)高度上，二者氣溫的差值平均值分布趨勢(shì)與圖1b類似，即在4.5 km以下時(shí)，差值絕對(duì)值基本在3 ℃以內(nèi)，之后隨著高度的上升差值緩慢增加。值得注意的是，在整個(gè)探測(cè)高度區(qū)間，晴空天氣下的差值基本小于有云天氣，即晴空時(shí)微波輻射計(jì)反演氣溫要優(yōu)于有云時(shí)的天氣。然而，在降雨天氣下，差值隨高度的分布與非降雨時(shí)不同，即在水汽較為集中的中低層，微波輻射計(jì)反演氣溫明顯偏大，尤其在2 km附近，二者差值達(dá)到6.2 ℃，雖然之后隨高度上升，差值逐漸變小，但在整個(gè)探測(cè)高度上，微波輻射計(jì)氣溫均比L波段探空測(cè)量值偏大。在近地面和低空，微波輻射計(jì)與探空觀測(cè)的氣溫差值在三種天氣條件下均有較為穩(wěn)定的表現(xiàn)（圖3c），而在4 km以上，降雨天氣狀況下兩種觀測(cè)設(shè)備測(cè)量的氣溫差值穩(wěn)定性要比非降雨天氣時(shí)的差。

圖3 不同天氣條件下L波段探空與微波輻射計(jì)氣溫對(duì)比（a）相關(guān)系數(shù)，（b）差值平均值，（c）差值標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 3 Temperature comparison of L band and microwave radiometer in different weather conditions(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

總之，降雨會(huì)對(duì)微波輻射計(jì)探測(cè)氣溫精度產(chǎn)生影響（尤其在低空），這主要是由于降雨時(shí)，水汽附著在微波輻射計(jì)的天線罩上，對(duì)信號(hào)的接收產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其亮溫測(cè)量值偏高，造成雨天的探測(cè)失真較為明顯。

2.2 相對(duì)濕度

2.2.1 相對(duì)濕度偏差

圖4 為L(zhǎng)波段探空與微波輻射計(jì)相對(duì)濕度廓線的相關(guān)系數(shù)、差值平均值和差值標(biāo)準(zhǔn)差。從二者的相關(guān)系數(shù)圖（圖4a）可以發(fā)現(xiàn)，兩種觀測(cè)資料的相對(duì)濕度相關(guān)性表現(xiàn)出極高的正相關(guān)，尤其是在4.7～7 km，相關(guān)系數(shù)均在0.98以上。從圖4b可知，L波段探空與微波輻射計(jì)相對(duì)濕度的偏差基本在±3%以內(nèi)。5.5 km以下，以負(fù)偏差為主，即微波輻射計(jì)反演相對(duì)濕度偏大，尤其在2 km附近，有個(gè)負(fù)偏差的大值區(qū)（-3.1%）。而5.5 km以上，二者的偏差較小，大部分在1%以內(nèi)。

圖4 L波段探空與微波輻射計(jì)相對(duì)濕度的對(duì)比（a）相關(guān)系數(shù)，（b）差值平均值和差值標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 4 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer(a) correlation coefficient, (b) bias and standard deviation

就整個(gè)探測(cè)高度而言，在濕度較大的低空，微波輻射計(jì)相對(duì)濕度偏濕較明顯，這可能是由于微波輻射計(jì)在濕度較大時(shí)，其水汽廓線的反演精度問(wèn)題所致，又或許是L波段探空儀在濕度較大時(shí)所表現(xiàn)出的過(guò)飽和未能及時(shí)恢復(fù)的濕度性能問(wèn)題。

2.2.2 不同時(shí)次相對(duì)濕度偏差的分布特征

圖5 是微波輻射計(jì)相對(duì)濕度與探空相對(duì)濕度在08時(shí)和20時(shí)統(tǒng)計(jì)量隨高度的變化情況。兩個(gè)時(shí)次在2 km以下的相關(guān)系數(shù)隨高度呈遞減趨勢(shì)，且20時(shí)的相關(guān)性高于08時(shí)。2～5 km，呈遞增趨勢(shì)，5 km處最大，兩個(gè)時(shí)次相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.99。5 km以上，兩時(shí)次相關(guān)系數(shù)隨高度變化基本相同，均呈減小趨勢(shì)。

2.2.3 不同天氣條件下相對(duì)濕度偏差的分布特征

在晴空和有云天氣下，微波輻射計(jì)相對(duì)濕度與探空的相關(guān)性較好（圖6a），整個(gè)探測(cè)高度，相關(guān)系數(shù)維持在0.9附近，在2～5 km，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.98。而降雨天氣時(shí)，微波輻射計(jì)相對(duì)濕度與探空相對(duì)濕度的相關(guān)性有不同表現(xiàn)，以5 km高度為分界，5 km以上與非降雨時(shí)相似，相關(guān)性較高，而5 km以下，即在水汽較為集中的中低層，二者的相關(guān)性相對(duì)較低，1.5 km和3 km高度上尤為突出，相關(guān)系數(shù)僅有0.36。

圖5 08時(shí)和20時(shí)L波段探空與微波輻射計(jì)相對(duì)濕度的對(duì)比（a）相關(guān)系數(shù)，（b）差值平均值，（c）差值標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 5 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer in 08:00 BT and 20:00 BT(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

整體而言，微波輻射計(jì)與探空測(cè)量的相對(duì)濕度的偏差，晴空時(shí)最小（圖6b），整層平均偏差僅有0.09%，降雨天氣次之，有云時(shí)的偏差相對(duì)較大。降雨時(shí)，在3.75～5.5 km，負(fù)偏差較大，最大為5.5%，即微波輻射計(jì)相對(duì)濕度在此高度層上，偏濕較明顯。雖然降雨天氣時(shí)，微波輻射計(jì)的總體偏差小于有云天氣，但其偏差的整層變化較大，這種不穩(wěn)定性也可以從偏差標(biāo)準(zhǔn)差的分布能夠明顯看出（圖6c）。

由以上分析發(fā)現(xiàn)，降雨天氣對(duì)微波輻射計(jì)相對(duì)濕度值的反演影響較大，尤其是5.5 km以下，偏差明顯大于非降雨天氣，而晴空時(shí)，效果最好。

3 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)2017年1月—2019年12月沙坪壩微波輻射計(jì)與同址L波段探空氣溫、相對(duì)濕度兩個(gè)要素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論：

1）微波輻射計(jì)與探空測(cè)得氣溫在整個(gè)探測(cè)高度上均為顯著正相關(guān)，且低層相關(guān)性高于高層。不同時(shí)次，氣溫相關(guān)性隨高度的變化趨勢(shì)相似，但在5 km以上的高度，20時(shí)相關(guān)性高于08時(shí)。

圖6 不同天氣條件下L波段探空與微波輻射計(jì)相對(duì)濕度的對(duì)比（a）相關(guān)系數(shù)，（b）差值平均值，（c）差值標(biāo)準(zhǔn)差Fig. 6 Relative humidity comparison of L band and microwave radiometer in different weather conditions(a) correlation coefficient, (b) bias, (c) standard deviation

2）降雨天氣對(duì)微波輻射計(jì)氣溫探測(cè)影響較大，在整個(gè)探測(cè)高度區(qū)間，晴空天氣下的氣溫偏差最小，即晴空時(shí)微波輻射計(jì)反演氣溫較其他天氣更準(zhǔn)確，且在水汽相對(duì)集中的低空區(qū)域，微波輻射計(jì)探測(cè)氣溫高于探空氣溫，尤其是有降雨時(shí)，這種偏差更大。

3）兩種探測(cè)設(shè)備相對(duì)濕度的相關(guān)性稍高于氣溫，且高值區(qū)在5～7 km，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98；不同高度層上相對(duì)濕度平均偏差趨勢(shì)不同，在中低層與氣溫偏差相似，即以負(fù)偏差為主。

4）降雨時(shí)，在中低層相對(duì)濕度相關(guān)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于非降雨。三種天氣狀況下，晴空時(shí)相對(duì)濕度的偏差最小，降雨天氣時(shí)的負(fù)偏差大值區(qū)在4～5 km的高度區(qū)間上。