杭州地區(qū)地基微波輻射計(jì)反演水汽特征的比對分析

王志誠 張東明 王聆勤 王明明 王 晗 章 煥

(浙江省大氣探測技術(shù)保障中心，浙江 杭州 310000)

0 引 言

雖然水汽在大氣中僅占0.1%～3%,但水汽是大氣中最為活躍的成分,在天氣變化、氣候演變、環(huán)境變化中起著非常重要的作用[1-2]。水汽是大氣重要的物理參量,在很大程度上決定著大氣熱力過程[1]。準(zhǔn)確且及時(shí)的大氣濕度觀測數(shù)據(jù)對研究長期氣候變化、中短期數(shù)值預(yù)報(bào)、人工影響天氣等具有重要的意義[3-4]。

為了更加全面地認(rèn)識(shí)大氣水汽分布及輸送情況,獲取更高時(shí)空分辨率的水汽觀測數(shù)據(jù),現(xiàn)階段主要采用常規(guī)探空[5]、GPS/MET遙感[6]、地基微波輻射計(jì)[7]、激光雷達(dá)[8]和衛(wèi)星遙感[9]等水汽觀測方法。自20世紀(jì)80年代開始，地基微波輻射計(jì)(以下簡稱微波輻射計(jì))被廣泛應(yīng)用于氣象領(lǐng)域,不僅彌補(bǔ)了星載微波輻射計(jì)低空垂直分辨率的不足,也降低了昂貴的研發(fā)及運(yùn)維成本[10]。現(xiàn)階段對微波輻射計(jì)水汽探測方面的研究主要集中在對某種或者某些型號(hào)微波輻射計(jì)在不同時(shí)間段、不同季節(jié)、不同天氣條件下的對比分析[11-13]，以及算法改善方面的研究[14]。

為深入了解杭州地區(qū)水汽時(shí)空變化特征,對杭州微波輻射計(jì)做出水汽探測性能的分析,本文以探空數(shù)據(jù)為主要參考,輔助以地面自動(dòng)站觀測數(shù)據(jù),對杭州微波輻射計(jì)水汽密度及水汽總量兩個(gè)主要產(chǎn)品2 a的資料進(jìn)行分析,為微波輻射計(jì)在浙江的設(shè)備推廣應(yīng)用和業(yè)務(wù)化推動(dòng)提供參考。

1 數(shù)據(jù)及分析方法

1.1 資料來源

本文資料來源于美國Radiometrics公司研發(fā)的MP-3000A型地基微波輻射計(jì)2018年7月—2020年6月反演的杭州地區(qū)溫度廓線、濕度廓線和水汽總量二級產(chǎn)品數(shù)據(jù)。探空溫濕廓線數(shù)據(jù)來源于杭州高空觀測站,探空數(shù)據(jù)與微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)同址同期。

MP-3000A型微波輻射計(jì)通過接收大氣微波輻射亮溫,利用相應(yīng)的反演方法將亮溫反演得到大氣溫濕廓線,可實(shí)現(xiàn)24 h無人值守、高時(shí)間分辨率的連續(xù)觀測,是對常規(guī)探空業(yè)務(wù)的重要補(bǔ)充,在數(shù)值預(yù)報(bào)、暴雨天氣分析、短臨預(yù)警等方面有重要的應(yīng)用價(jià)值[15-16]。MP-3000A型微波輻射計(jì)使用全功率接收機(jī),通過依次改變接收機(jī)本振頻率實(shí)現(xiàn)多個(gè)頻帶亮溫的測量(變頻22通道串行測量)。該微波輻射計(jì)探測高度為0～10 km,分為58層,越靠近地面垂直分辨率越高[17-18]。表1為微波輻射計(jì)主要性能參數(shù)。

表1 微波輻射計(jì)主要性能參數(shù)

地面自動(dòng)站數(shù)據(jù)取自與探空站同址同期的杭州站地面整點(diǎn)氣溫、小時(shí)累計(jì)降水量和相對濕度等數(shù)據(jù)。

1.2 探空計(jì)算水汽方法

探空數(shù)據(jù)僅提供高空溫度和相對濕度廓線信息,并不直接提供大氣水汽密度廓線。本文在分析大氣水汽密度的過程中，需要通過溫濕廓線計(jì)算得到大氣水汽密度廓線,主要計(jì)算過程如下[19]:

(1)

(2)

(3)

其中,Ew是飽和水汽壓(單位：hPa);T0是三相點(diǎn)溫度(單位：K)，T0=273.16 K;T是絕對溫度(單位：K);e是實(shí)際水汽壓(單位：hPa);U是相對濕度(單位：%);a是水汽密度(單位：g/m3)。

計(jì)算求得水汽密度廓線后,將各個(gè)高度上的水汽密度求和，即可得到該探空時(shí)次的水汽總量(單位：mm)。本文中微波輻射計(jì)水汽總量是通過對直接反演得到的水汽密度廓線根據(jù)高度求和獲得的。

1.3 樣本分類方法

一天有兩個(gè)時(shí)次(07時(shí)15分及19時(shí)15分,加密除外)的探空數(shù)據(jù)。為與探空數(shù)據(jù)相一致,微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)也取每日07時(shí)15分及19時(shí)15分兩個(gè)時(shí)次的觀測數(shù)據(jù)。地面自動(dòng)站數(shù)據(jù)取小時(shí)整點(diǎn)數(shù)據(jù)。本文將所有樣本分為晴天、云天及陰雨3類,以探空放球時(shí)天空總云量及降水情況為主要判別依據(jù),詳見表2。

染病后枝、干、根木質(zhì)部變?yōu)楹稚?，病菌產(chǎn)生的毒素使葉片表皮與葉肉分離，氣孔失去控制機(jī)能，空隙中充滿空氣。發(fā)病往往先在一個(gè)枝上出現(xiàn)癥狀，以后增多。嚴(yán)重時(shí)木質(zhì)部變色，葉片小，根部腐朽，2-3年后會(huì)死亡。

表2 總云量及降水情況與樣本分類及樣本量統(tǒng)計(jì)表

1.4 比對方法及檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

通過比對探空與微波輻射計(jì)的溫濕廓線時(shí)序圖,分析杭州地區(qū)微波輻射計(jì)在不同天氣條件下水汽的整體表現(xiàn)。以探空觀測值為參考,統(tǒng)計(jì)微波輻射計(jì)水汽密度和水汽總量的平均偏差和均方根誤差并分析原因。通過分析在不同天氣過程中杭州地區(qū)水汽的變化特征,分析微波輻射計(jì)在不同天氣條件下水汽觀測的準(zhǔn)確性。主要計(jì)算公式如下[13，18]:

(4)

(5)

(6)

2 微波輻射計(jì)探測性能分析

圖1為探空和微波輻射計(jì)(MWR)溫度、水汽密度廓線時(shí)序分布。圖a1、圖a2為陰雨標(biāo)志,黑色線柱意味著該時(shí)次云量為10成或者有降雨出現(xiàn)。從圖1可以看出,微波輻射計(jì)溫度和水汽密度隨時(shí)間的變化趨勢和在空間上的垂直分布基本與探空的保持一致,能基本體現(xiàn)杭州地區(qū)溫度和水汽的季節(jié)分布和垂直分布。但由于陰雨天氣(主要是云和雨)的影響，微波輻射計(jì)的觀測較探空觀測存在較大的誤差。有云出現(xiàn)時(shí)微波輻射計(jì)在5000 m左右出現(xiàn)高濕層,而探空觀測表現(xiàn)不明顯,主要是由于微波輻射計(jì)僅通過紅外溫度反演云高,對云的垂直信息及內(nèi)部結(jié)構(gòu)把握不足,導(dǎo)致水汽通道亮溫觀測出現(xiàn)偏差。降水發(fā)生時(shí)微波輻射計(jì)的溫度和水汽密度觀測會(huì)呈現(xiàn)明顯偏高的特點(diǎn),主要是天線罩附著水層對微波信號(hào)的影響造成雨天探測失真。

圖1 探空和微波輻射計(jì)(MWR)溫度、水汽密度廓線時(shí)序分布(a1、a2.陰雨標(biāo)志、b1.探空溫度廓線時(shí)序、c1.探空水汽密度廓線時(shí)序、b2.微波輻射計(jì)溫度廓線時(shí)序、c2.微波輻射計(jì)水汽密度廓線時(shí)序)

2.1 水汽密度

圖2為探空和微波輻射計(jì)水汽密度散點(diǎn)擬合。從散點(diǎn)圖可知,在晴天和云天(圖2a、圖2b)條件下微波輻射計(jì)與探空水汽密度散點(diǎn)吻合度較高;在陰雨條件下吻合度相對較低,散點(diǎn)相對離散(圖2c)。探空與微波輻射計(jì)在晴天、云天及陰雨天3類樣本中的相關(guān)系數(shù)分別是0.8610、0.8411和0.8237(均達(dá)到0.01顯著性檢驗(yàn)水平),在晴天和云天的相關(guān)系數(shù)大于在陰雨天的相關(guān)系數(shù)。

圖2 探空和微波輻射計(jì)水汽密度散點(diǎn)擬合(a.晴天樣本、b.云天樣本、c.陰雨天樣本)

從探空與微波輻射計(jì)水汽密度廓線誤差統(tǒng)計(jì)可知,在平均偏差方面(圖3a),微波輻射計(jì)在晴天和云天條件下誤差不大,均為負(fù)偏差,幅度在2 g/m3以內(nèi);在陰雨條件下為正偏差,在0～4 km高度范圍偏差隨高度遞增,在4 km左右達(dá)到最大偏差(3.8 g/m3)后隨高度遞減。在均方根誤差方面(圖3b),在晴天條件下均方根誤差隨高度遞減。在近地面0～5 km高度范圍誤差較大,在5 km以上誤差基本趨于0,這主要是由于大氣約90%的水汽集中在500 hPa(中緯度地區(qū)約5 km)以下,水汽密度處于大值區(qū)且日變化較為明顯。在5 km以上水汽密度較低,且隨高度呈現(xiàn)指數(shù)型遞減,水汽密度在10 km左右處基本為0。在有云或者降水出現(xiàn)時(shí),微波輻射計(jì)水汽密度均方根誤差增大明顯,特別是在陰雨天,微波輻射計(jì)的水汽密度最大誤差達(dá)到6.5 g/m3。這主要是因?yàn)?一方面高層水汽有所增加,特別是當(dāng)夏季對流天氣發(fā)生時(shí),大量水汽將涌向高空,大氣的吸收系數(shù)發(fā)生較大變化;另一方面當(dāng)云雨發(fā)生時(shí),微波輻射計(jì)對云的探測能力有限,紅外傳感器僅能觀測到云底高度,對云的垂直結(jié)構(gòu)及云參量掌握不足,無法準(zhǔn)確獲取大氣下行輻射亮溫,導(dǎo)致反演過程出現(xiàn)較大偏差。

圖3 微波輻射計(jì)水汽密度誤差廓線(a.平均偏差、b.均方根誤差)

2.2 水汽總量

水汽總量是大氣各個(gè)高度層水汽密度的累加,也稱為大氣可降水量。圖4為探空和微波輻射計(jì)水汽總量散點(diǎn)擬合。從圖4可以看出,在晴天條件下(圖4a),微波輻射計(jì)觀測的結(jié)果與探空觀測的結(jié)果比較吻合,相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9681。相比于探空觀測,微波輻射計(jì)觀測的均方根誤差及平均偏差分別為3.7 mm和-0.25 mm,誤差相對較小。當(dāng)云量增到2～7成時(shí)(圖4b),微波輻射計(jì)較探空偏差有所增大,均方根誤差由3.7 mm增加到4.48 mm,相關(guān)系數(shù)由0.9681減小至0.9662,與水汽密度的觀測情況保持一致。當(dāng)云量超過8成并出現(xiàn)降水時(shí)(圖4c),微波輻射計(jì)觀測的水汽總量迅速增大,與探空觀測的偏差同時(shí)加大,微波輻射計(jì)觀測值明顯高于探空觀測值,其均方根誤差與平均偏差分別為27.21 mm和10.76 mm。

圖4 探空和微波輻射計(jì)水汽總量散點(diǎn)擬合(a.晴天樣本、b.云天樣本、c.陰雨天樣本)

3 水汽變化特征分析

3.1 晴天情況

圖5 在晴天條件下微波輻射計(jì)水汽密度時(shí)空分布圖(a.春季、b.夏季、c.秋季、c.冬季)

圖6為在晴天條件下微波輻射計(jì)水汽總量曲線。在水汽總量方面,夏季(圖6b)最大,其他3個(gè)季節(jié)相對較小。春季(圖6a)07—14時(shí)和20—23時(shí)水汽總量相對較大,冬季(圖6d)06—11時(shí)和17—23時(shí)水汽總量相對較大。秋季(圖6c)00—07時(shí)水汽總量較小,07時(shí)以后水汽總量快速增加,09時(shí)達(dá)到最大(45 mm)后緩慢減小。夏季(圖6b)整體水汽總量處在全年較高水平,最大出現(xiàn)在03時(shí)(55 mm),其余時(shí)間在45 mm附近徘徊?？傮w來看,4個(gè)季節(jié)09—11時(shí)是水汽總量較多的時(shí)段。此外,無論是全天總量還是總量的小時(shí)變化,春、冬季都小于夏、秋季。

圖6 在晴天條件下微波輻射計(jì)水汽總量曲線(a.春季、b.夏季、c.秋季、c.冬季)

3.2 陰雨天情況

以2019年3月1—3日和2020年2月6—8日兩次層云降水過程為例，分析微波輻射計(jì)在持續(xù)性弱降水過程前后及過程中的水汽變化。在降水發(fā)生前,水汽密度小幅增大,在降水過程中維持在10～15 g/m3附近,在降水結(jié)束后水汽密度迅速減小。在降水發(fā)生前,水汽總量開始增大,由10 mm左右增大至降水開始時(shí)的60 mm左右,并維持水汽總量與小時(shí)降水量正相關(guān)。水汽總量一般集中在30～80 mm。

4 結(jié) 語

以探空觀測數(shù)據(jù)為參考,分析比對在不同天氣條件下杭州微波輻射計(jì)水汽密度和水汽總量的觀測性能,通過2 a的數(shù)據(jù)比對得到以下主要結(jié)論。

(1)微波輻射計(jì)水汽密度觀測結(jié)果與探空的有較好的相關(guān)性。在晴天和云天條件下，二者的相關(guān)系數(shù)分別為0.8610和0.8411,平均偏差為-0.3 g/m3和-0.4 g/m3,均方根誤差為1.2 g/m3和1.7 g/m3,微波輻射計(jì)水汽密度觀測值略低于探空的。總體來講,微波輻射計(jì)的觀測值能較好地表征晴天和云天的水汽密度分布情況。在水汽總量方面,在晴天和云天條件下，微波輻射計(jì)觀測結(jié)果與探空觀測結(jié)果的相關(guān)系數(shù)分別為0.9681和0.9662,平均偏差為-0.25 mm和-0.52 mm,均方根誤差分別為3.74 mm和4.78 mm,微波輻射計(jì)水汽總量同樣略低于探空的。微波輻射計(jì)對水汽密度和水汽總量的觀測結(jié)果誤差在云天均高于在晴天,誤差偏大幅度在0.5 g/m3和1 mm左右。對水汽的觀測結(jié)果在陰雨天與探空觀測結(jié)果的相關(guān)性相對較差,均方根誤差明顯加大。

(2)在晴天條件下大氣近地面2 km以下水汽密度遠(yuǎn)高于2 km以上的,水汽密度在不同季節(jié)均呈從地面到高空10 km指數(shù)型減小。夏季的近地面水汽密度遠(yuǎn)大于其他季節(jié)的。在水汽總量方面,夏季為40～60 mm,冬、春季為20 mm左右,秋季日變化較大,凌晨為20 mm左右,08—21時(shí)為40 mm左右。

(3)在陰雨天氣過程中,微波輻射計(jì)水汽密度和水汽總量均會(huì)在降水前緩慢增大,在降水開始時(shí)迅速增大。在層云持續(xù)性弱降水過程中，微波輻射計(jì)水汽密度一般集中在10～15 g/m3，水汽總量一般集中在30～80 mm。

微波輻射計(jì)在晴天和云天條件下可較準(zhǔn)確地反應(yīng)大氣水汽狀態(tài),但是在陰雨天氣過程中,雖能定性反映當(dāng)時(shí)的天氣狀態(tài),但觀測誤差較大,需要與其他遙感設(shè)備協(xié)同觀測,相互驗(yàn)證,提升探測能力。此外,本文由于樣本數(shù)量和參考標(biāo)準(zhǔn)的局限性,難免影響分析誤差,在今后的研究中將增加GPS/MET及其他觀測資料,豐富參考標(biāo)準(zhǔn),并增加霧霾、暴雪、暴雨等天氣過程分析。隨著大氣遙感技術(shù)的快速發(fā)展,微波輻射計(jì)將在大氣探測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。