重慶不同天氣條件下地基微波輻射計(jì)探測特征

鄒 倩，陳小敏，鄧承之，龍美希

(1.重慶市氣象臺(tái)，重慶 401147；2.重慶市人工影響天氣辦公室，重慶 401147)

引 言

微波輻射計(jì)是被動(dòng)接受環(huán)境發(fā)射的微波輻射而進(jìn)行遙感探測的儀器，由于微波波長較長，能穿透一定云層，因此具有高時(shí)空分辨率和全天候探測等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大氣遙感探測[1-2]。根據(jù)搭載平臺(tái)不同，主要分為地基、空基和星基微波輻射計(jì)，其中地基微波輻射計(jì)在大氣垂直探測中應(yīng)用較為廣泛。

地基微波輻射計(jì)可以反演地面至10 km高度高分辨率的大氣溫度、相對濕度、水汽密度廓線以及較低分辨率的液態(tài)水廓線，能有效彌補(bǔ)每日兩次常規(guī)探空觀測的不足。這些準(zhǔn)連續(xù)的大氣廓線及其時(shí)空演變能捕捉中小尺度天氣系統(tǒng)的熱力結(jié)構(gòu)[3-6]，由此計(jì)算的各類大氣環(huán)境指數(shù)，可以應(yīng)用到強(qiáng)對流天氣的臨近預(yù)報(bào)中[7-10]，同時(shí)在大霧監(jiān)測[11-12]、數(shù)值模式數(shù)據(jù)同化[13]、人影作業(yè)[2]等方面也顯示出良好的應(yīng)用前景。雖然地基微波輻射計(jì)已成為常規(guī)大氣探測手段的有效補(bǔ)充，但受大氣環(huán)境條件和反演算法的影響，其反演廓線的數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，使得探測能力和適用范圍受到限制，為更有效使用地基微波輻射計(jì)，有必要對儀器探測精度進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

目前對微波輻射計(jì)精度的分析研究主要集中于兩方面：一是將反演結(jié)果與常規(guī)探空資料進(jìn)行對比分析，如研究發(fā)現(xiàn)微波輻射計(jì)反演溫度與探空資料的相關(guān)性較高，相對濕度誤差偏大，降水對微波輻射計(jì)反演結(jié)果影響較大[14-19]；二是通過輻射傳輸模式對微波輻射計(jì)觀測的亮溫進(jìn)行檢驗(yàn)，其中MonoRTM和ARTS輻射傳輸模式被廣泛應(yīng)用于亮溫?cái)?shù)據(jù)的質(zhì)量研究[20-26]。受氣候和環(huán)境條件影響，微波輻射計(jì)探測性能有一定的局地性，如北京地區(qū)晴天反演的相對濕度比云天誤差小[17]，溫度差值隨高度遞增而增加，低層晴天的溫度差值比云天小[18]；武漢地區(qū)20:00(北京時(shí)，下同)的相對濕度均方根誤差在中高層明顯偏大[16]；甘孜地區(qū)的弱降水對微波輻射計(jì)觀測質(zhì)量影響較小[19]。以上研究觀測時(shí)間多為幾天或幾個(gè)月，且數(shù)據(jù)多采用小時(shí)平均比較，采用長時(shí)間序列的研究較少，而不同天氣條件下長時(shí)間序列的地基微波輻射計(jì)精度檢驗(yàn)，直接影響晴空、成云、致雨全生命周期的大氣熱力垂直廓線演變過程的觀測結(jié)果，并進(jìn)一步影響短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率。本文利用2012年1月至2014年8月重慶沙坪壩地基微波輻射計(jì)觀測數(shù)據(jù)及探空數(shù)據(jù)，考慮不同天氣條件(晴空、有云、降水)和不同時(shí)次(08:00、20:00)情況，對比微波輻射計(jì)的溫度、濕度、水汽密度廓線與相應(yīng)探空廓線，定量計(jì)算微波輻射計(jì)反演誤差，分析其探測特征，以期對微波輻射計(jì)資料在短時(shí)臨近預(yù)報(bào)中的應(yīng)用提供參考，并為構(gòu)建更精細(xì)的垂直探測體系提供幫助。

1 資料和方法

1.1 觀測數(shù)據(jù)

重慶沙坪壩站微波輻射計(jì)為MP-3000A型，觀測8個(gè)水汽通道(22～30 GHz)和14個(gè)氧氣通道(51～59 GHz)的大氣亮溫，利用輻射傳輸方程，并采用斯圖加特神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬器，反演得到0～10 km高度的大氣濕度、溫度、水汽密度廓線，0.5 km以下、0.5～2.0 km、2.0 km以上垂直分辨率分別為50、100、250 m。由于缺少資料，亮溫?cái)?shù)據(jù)起止時(shí)間為2014年2—8月；反演數(shù)據(jù)起止時(shí)間為2012年1月2日至2014年8月26日，2013年1月12日之前以間隔2 min的準(zhǔn)連續(xù)方式獲取數(shù)據(jù)，之后間隔時(shí)間為40 s。

利用重慶沙坪壩探空站2012年1月2日至2014年8月26日L波段無線電探空資料，包括大氣溫度、濕度，采樣時(shí)間間隔為1 s，每天07:15、19:15開始觀測，探空氣球上升至10 km高度大約需要27 min。沙坪壩微波輻射計(jì)與探空站直線距離約5 km；探空站海拔高度較微波輻射計(jì)高300 m，因此采用0.3～10.0 km總計(jì)52層的微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

1.2 數(shù)據(jù)選取

首先對微波輻射計(jì)的亮溫?cái)?shù)據(jù)剔除異常值，包括10 min內(nèi)亮溫值變化超過3 K、亮溫值與其平均值的差值超過10 K以上的樣本[22]，最后樣本總數(shù)78組，其中晴空7組、有云60組、降水11組。針對微波輻射計(jì)反演的大氣溫濕廓線，先剔除儀器故障觀測不完整時(shí)段的數(shù)據(jù)，對溫度廓線做逐層極值檢查，若有1層及以上的數(shù)據(jù)超過43 ℃，則該日所有溫度廓線剔除；濕度廓線則剔除整層濕度變化極小(≈0)和相鄰高度層濕度變化極大(>85%)的廓線；探空觀測的溫濕數(shù)據(jù)也采取類似方法篩選；最終選取微波輻射計(jì)和探空資料分別對應(yīng)時(shí)間的819組樣本(一次探空觀測為一組樣本)。根據(jù)探空數(shù)據(jù)，以各高度層(0.3～10.0 km)相對濕度小于85%為晴空判據(jù)[4]，共選取晴空樣本64組(占總樣本7.8%)；根據(jù)微波輻射計(jì)自帶降水傳感器的判別結(jié)果，共選取降水樣本143組(占總樣本17.5%)；其余為無降水而有云層覆蓋的有云樣本，共612組(占總樣本74.7%)。

1.3 方 法

利用MonoRTM v5.4模式模擬與微波輻射計(jì)相同頻率的22個(gè)通道的亮溫，先將探空數(shù)據(jù)按照MonoRTM模式[22-25]要求進(jìn)行處理，然后選擇“用戶自定義大氣”方式，根據(jù)觀測的天氣實(shí)況，調(diào)整輸入文件的各高度層所對應(yīng)的氣溫、氣壓、相對濕度、液態(tài)水含量等大氣信息，從而計(jì)算出不同情況下的亮溫值。模式中云液態(tài)水含量估算方法[23-26]為：整層相對濕度都低于85%時(shí)，云液態(tài)水含量取值為0；整層相對濕度大于95%時(shí)，云液態(tài)水含量取值為2.0 g·m-3；整層相對濕度為85%～95%時(shí)，云液態(tài)水濃度的取值滿足一定的線性關(guān)系，同時(shí)假定云中含水量在垂直方向均勻分布。

微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)未作平滑處理，確?？陀^反映其探測精度和誤差，采取“點(diǎn)對點(diǎn)”對比方法[15]，選取與微波輻射計(jì)高度層最接近的探空數(shù)據(jù)，再根據(jù)時(shí)間一致性選取數(shù)據(jù)，主要分析微波輻射計(jì)反演的溫度、濕度和水汽密度與探空觀測值的平均誤差、均方根誤差以及相關(guān)系數(shù)[15]，其中，相關(guān)性均通過α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。文中使用的溫度、相對濕度及水汽密度等的差值，均為“微波輻射計(jì)探測值”減去“探空值”。探空不能直接得到水汽密度，水汽密度的計(jì)算公式[16]如下：

(1)

式中：ρv(g·m-3)為水汽密度；e(hPa)為水汽壓；T(K)為絕對溫度；Td(℃)為露點(diǎn)溫度。

2 儀器精度及可靠性檢驗(yàn)

2.1 亮溫與探空資料的相關(guān)性

微波輻射計(jì)的探測精度主要取決于探測輻射量的準(zhǔn)確性和靈敏度。將微波輻射計(jì)觀測的亮溫與探空資料的溫度、水汽密度廓線做相關(guān)性分析，同時(shí)考慮有云和降水的影響。圖1為2014年2—8月有云和降水時(shí)沙坪壩站探空水汽密度、溫度與微波輻射計(jì)亮溫的相關(guān)系數(shù)廓線。可以看出，有云條件下探空水汽密度與微波輻射計(jì)亮溫相關(guān)性最好的通道分別是23.83、25.00 GHz，地面至5.0 km高度的相關(guān)系數(shù)在0.7～0.8之間；探空觀測溫度與微波輻射計(jì)亮溫相關(guān)性最好的通道是53.85、54.00 GHz，8.0 km以下相關(guān)系數(shù)在0.9～0.95之間。降水條件下，探空水汽密度與微波輻射計(jì)亮溫的相關(guān)性在不同高度層差別極大，1.0～4.0 km及4.0 km以上二者相關(guān)性最好的通道分別是30.00、22.50 GHz；58.80 GHz通道微波輻射計(jì)亮溫與探空觀測溫度相關(guān)性最好。說明有云時(shí)，氧氣通道中間頻率波段亮溫與探空觀測溫度的相關(guān)性很好，水汽通道中間頻率波段亮溫與探空水汽密度相關(guān)性較好，且微波輻射計(jì)亮溫與探空觀測溫度的相關(guān)性優(yōu)于其與探空水汽密度的相關(guān)性；降水使氧氣通道亮溫與探空觀測溫度的相關(guān)性差別較大從而影響亮溫對溫度的反演，降水對水汽通道的影響，造成各通道亮溫與探空水汽密度相關(guān)性在不同高度上起伏變化較大，從而影響亮溫對水汽密度的反演。

圖1 2014年2—8月有云(a、b)和降水時(shí)(c、d)沙坪壩站探空水汽密度(a、c)、溫度(b、d)與微波輻射計(jì)亮溫的相關(guān)系數(shù)廓線

2.2 亮溫模擬

圖2為2014年2—8月晴空和有云時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)8個(gè)水汽通道(22.23～30.00GHz)和14個(gè)氧氣通道(51.25～58.80 GHz)實(shí)測亮溫與MonoRTM模擬亮溫的相關(guān)性?？梢钥闯?，在水汽通道處，兩者的相關(guān)系數(shù)為0.91～0.94，模擬亮溫略小于實(shí)測亮溫，平均絕對誤差為2.64～5.94 K，標(biāo)準(zhǔn)差為2.53～6.62 K；在22.23 GHz水汽吸收中心附近的亮溫離散度較大，主要由于水汽吸收峰值處的亮溫對水汽含量非常敏感，輸入的探空數(shù)據(jù)在高層有較大誤差。在氧氣通道處，實(shí)測亮溫與MonoRTM模擬亮溫的相關(guān)系數(shù)在0.86～0.99，隨著吸收頻率增加逐漸增大，在53.85 GHz達(dá)到最大，隨后逐漸減小，平均絕對誤差為3.77～13.80 K，標(biāo)準(zhǔn)差為0.91～3.09 K。頻率較小的6個(gè)氧氣通道(51.25～53.85 GHz)的平均絕對誤差比其他頻率明顯偏大，主要原因是這6個(gè)通道離氧氣吸收峰值較遠(yuǎn)，其觀測亮溫受高層影響較大，而探空數(shù)據(jù)受氣球漂移影響，探測空間的不一致導(dǎo)致二者偏差較大，這與北京地區(qū)研究結(jié)果[22]一致。不同地區(qū)無降水日亮溫模擬結(jié)果有一定差異，廣東陽江地區(qū)[23]亮溫模擬的標(biāo)準(zhǔn)差為1.46～7.36 K，平均絕對誤差為1.27～6.64 K；北京地區(qū)[24]模擬亮溫的標(biāo)準(zhǔn)差在2.2 K以內(nèi)，與實(shí)測資料的相關(guān)系數(shù)為0.94～0.99；南京江寧站[25]模擬顯示，水汽通道和氧氣通道實(shí)測亮溫和模擬亮溫存在明顯偏差，相關(guān)系數(shù)為0.65～0.95。總體上重慶地區(qū)亮溫模擬與實(shí)況一致性較好。

圖2 2014年2—8月沙坪壩站微波輻射計(jì)8個(gè)水汽通道(22.23～30.00 GHz)和14個(gè)氧氣通道(51.25～58.80 GHz)實(shí)測亮溫與MonoRTM模擬亮溫的相關(guān)性

3 不同天氣條件下微波輻射計(jì)探測特征

3.1 溫度差異

圖3為2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演溫度與探空觀測溫度差值的逐日變化?？梢钥闯?，微波輻射計(jì)反演溫度晴空時(shí)2.3 km以下主要為暖偏差，以上轉(zhuǎn)為冷偏差；有云時(shí)4.0 km以下主要為暖偏差，以上轉(zhuǎn)為冷偏差；降水時(shí)5.0 km以下都為暖偏差，以上高度部分出現(xiàn)冷偏差。造成這種現(xiàn)象的原因與微波輻射計(jì)和探空站的距離及高度差有關(guān)，微波輻射計(jì)在城區(qū)，低層受環(huán)境場影響較大。4.0 km以上比較明顯的冷偏差基本都出現(xiàn)在1—3月，其余時(shí)間介于較弱的冷偏差與暖偏差之間。降水對微波輻射計(jì)探測影響較大，其溫度明顯高于探空溫度，這與武漢地區(qū)的觀測結(jié)果[16]一致。有云時(shí)，微波輻射計(jì)反演溫度的差異較晴空時(shí)略有增大，但明顯小于降水時(shí)，秋季有云對微波輻射計(jì)影響較其余季節(jié)略小，主要原因是微波輻射計(jì)基本不受低空云量的影響。

圖3 2012年1月至2014年8月晴空(a)、有云(b)、降水(c)時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演溫度與探空觀測溫度差值的逐日變化(單位：℃)(橫坐標(biāo)上、中、下數(shù)字分別表示日、月、年)

圖4為2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演溫度的平均誤差、均方根誤差及與探空觀測溫度的相關(guān)系數(shù)廓線?？梢钥闯?，溫度平均誤差在晴空和有云時(shí)都隨高度增加而緩慢遞增，有云和晴空時(shí)2.0 km以下的平均誤差近似0，2.0～3.8 km溫度平均絕對誤差小于2 ℃，因此近地面至3.8 km，微波輻射計(jì)的溫度廓線可以作為探空資料的有效補(bǔ)充。降水時(shí)的平均誤差基本為正偏差，表明微波輻射計(jì)的反演溫度偏高，且隨高度上升平均誤差先增后減，降水對4.0 km以下的微波輻射計(jì)探測影響較大。晴空時(shí)所有高度上的均方根誤差都最小，晴空、有云時(shí)7.0 km以下均方根誤差相近；降水時(shí)大部分高度上均方根誤差明顯偏大。晴空時(shí)微波輻射計(jì)反演溫度和探空觀測溫度的相關(guān)性最好，有云時(shí)次之，降水時(shí)相對較差；有云和晴空時(shí)4.0 km以下二者相關(guān)系數(shù)都在0.98左右，說明有云時(shí)中低層對微波輻射計(jì)探測影響極小；降水時(shí)1.0 km以下二者相關(guān)系數(shù)大于0.9，1.0～5.0 km高度二者相關(guān)系數(shù)僅在0.82左右，5.0 km以上二者相關(guān)系數(shù)反而增加到0.86左右，可見降水在高層對溫度影響較小。綜上所述，晴空和有云時(shí)誤差演變趨勢和大小接近，但有云時(shí)2.0～3.8 km平均絕對誤差最小，這與北京地區(qū)[18]觀測的晴空時(shí)溫度差異更小有所區(qū)別，主要因?yàn)橹貞c有云天氣較多。

圖4 2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演溫度的平均誤差(a)、均方根誤差(b)及與探空觀測溫度的相關(guān)系數(shù)(c)廓線

3.2 相對濕度差異

一般有降水時(shí)，微波輻射計(jì)的濕度經(jīng)過處理后被限定在100%附近，因此在接近飽和的降水情況下，兩種儀器觀測的差別比較復(fù)雜。圖5為2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演相對濕度與探空觀測相對濕度差值的逐日變化?？梢钥闯?，重慶地區(qū)微波輻射計(jì)反演相對濕度與探空觀測值差異較溫度差異更明顯，其中2.0 km以下微波輻射計(jì)反演相對濕度較探空觀測值偏低，且1—4月最明顯。2.0 km以上的大部分高度層微波輻射計(jì)反演相對濕度較探空觀測值明顯偏高，晴空時(shí)在2.0～6.0 km、降水時(shí)則在3.0～7.0 km表現(xiàn)更明顯。

圖5 2012年1月至2014年8月晴空(a)、有云(b)、降水(c)時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演相對濕度與探空觀測相對濕度差值的逐日變化(單位：%)(橫坐標(biāo)數(shù)值說明同圖3)

圖6為2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演相對濕度的平均誤差、均方根誤差及與探空觀測相對濕度的相關(guān)系數(shù)廓線?？梢钥闯觯性茣r(shí)1.0～2.6 km微波輻射計(jì)反演相對濕度的平均誤差近乎0；晴空時(shí)1.0～6.0 km的平均誤差明顯偏大；降水時(shí)平均誤差隨高度上升而遞增，并從負(fù)偏差轉(zhuǎn)為正偏差，在4.5 km以下平均絕對誤差小于6%，可見降水時(shí)在中低層微波輻射計(jì)反演相對濕度與探空觀測值很接近，這與甘孜地區(qū)[19]相對濕度偏差在雨天小于非雨天類似。與平均誤差相似，降水時(shí)微波輻射計(jì)反演相對濕度的均方根誤差在5.0 km以下也相對較小；晴空和有云時(shí)均方根誤差的變化趨勢基本一致，1.0 km以下隨高度上升而遞減，1.0 km以上隨高度上升先增后減；有云時(shí)2.0～3.8 km的均方根誤差比晴空時(shí)小，且平均誤差也較小，這與北京地區(qū)觀測[17]的相對濕度偏差在晴天時(shí)較小，云天時(shí)較大有所不同，主要原因是南北方濕度條件差異造成，重慶地區(qū)有云天氣較多，晴空較少，微波輻射計(jì)在進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)可參考的樣本較少。

圖6 2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演相對濕度的平均誤差(a)、均方根誤差(b)及與探空觀測相對濕度的相關(guān)系數(shù)(c)廓線

微波輻射計(jì)反演相對濕度和探空觀測值的相關(guān)性較差。3種天氣條件下二者的相關(guān)系數(shù)在1.8 km以下都表現(xiàn)為隨高度上升快速遞減，由于大氣低層相對濕度普遍較高且變化較大，探空氣球的漂移會(huì)導(dǎo)致探空觀測與微波輻射計(jì)反演的相對濕度差異較大，增大探空觀測相對濕度波動(dòng)性，從而降低兩者的相關(guān)性，這與武漢地區(qū)[16]的觀測結(jié)果類似。晴空時(shí)在5.0 km以下相關(guān)性較好，隨高度上升先減后增；有云時(shí)在3.0～6.5 km相關(guān)系數(shù)穩(wěn)定在0.65左右；降水時(shí)二者的相關(guān)性在大部分高度層都最差。綜上所述，微波輻射計(jì)反演相對濕度的平均誤差隨高度遞增起伏較大，有云時(shí)在1.0～2.6 km兩者的相對濕度較為一致，降水對于微波輻射計(jì)觀測的相對濕度有一定影響。

3.3 水汽密度差異

圖7為2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演水汽密度與探空觀測水汽密度差值的逐日變化?？梢钥闯觯缈諘r(shí)2.0 km以下微波輻射計(jì)反演水汽密度較探空值略偏小，2.0～7.0 km略偏大；有云時(shí)4.0 km以下微波輻射計(jì)反演水汽密度略偏大，4.0 km以上高度基本都偏小，尤其是1—3月明顯偏小；降水時(shí)5.0 km以下反演水汽密度偏大，2.0 km以下更明顯。

圖7 2012年1月至2014年8月晴空(a)、有云(b)、降水(c)時(shí)重慶沙坪壩站微波輻射計(jì)反演水汽密度與探空水汽密度差值的逐日變化(單位：g·m-3)(橫坐標(biāo)數(shù)值說明同圖3)

圖8為2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演水汽密度的平均誤差、均方根誤差及與探空觀測水汽密度的相關(guān)系數(shù)廓線。可以看出，有云時(shí)大部分高度層上微波輻射計(jì)反演水汽密度的平均誤差最小，在0～0.5 g·m-3之間。降水時(shí)4.0 km以下平均誤差最大；降水、有云和晴空時(shí)4.0 km以上平均誤差變化趨勢近似。與平均誤差相似，有云時(shí)大部分高度上微波輻射計(jì)反演水汽密度的均方根誤差最小，在0.5～1.6 g·m-3之間；有云和晴空時(shí)均方根誤差變化趨勢一致，都隨高度遞增緩慢遞減至0；降水時(shí)4.0 km以下均方根誤差明顯偏大，且隨高度升高先增大后減小；3種天氣條件下的均方根誤差在6.0 km以上差別較小，因?yàn)楦邔铀芏缺旧磔^小。不同于溫度和相對濕度，降水時(shí)微波輻射計(jì)反演水汽密度與探空觀測值的相關(guān)性只比晴空和有云時(shí)略差，如2.0～4.0 km 3種天氣條件下二者的相關(guān)系數(shù)在0.85～0.9之間，有云時(shí)5.0 km以下二者的相關(guān)性在0.9左右。

圖8 2012年1月至2014年8月晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演水汽密度的平均誤差(a)、均方根誤差(b)及與探空觀測水汽密度的相關(guān)系數(shù)(c)廓線

綜上所述，降水對微波輻射計(jì)水汽密度影響較大，尤其在4 km以下微波輻射計(jì)和探空水汽密度廓線的平均誤差和均方根誤差都比無降水天氣偏大，即微波輻射計(jì)反演值大于探空值，這與探空濕度傳感器探測大氣濕度的響應(yīng)滯后有關(guān)[19]；降水對5 km以上微波輻射計(jì)水汽密度的影響很小。有云時(shí)在大部分高度層上，3種天氣條件下反演水汽密度的平均誤差和相關(guān)性都表現(xiàn)最好，與有云時(shí)2.0～3.8 km的溫度、1.0～2.6 km的相對濕度表現(xiàn)最好互相呼應(yīng)。

3.4 不同觀測時(shí)間差異

圖9為2012年1月至2014年8月08:00和20:00晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演溫度、相對濕度和水汽密度的平均誤差、均方根誤差及與探空觀測值的相關(guān)系數(shù)廓線?？梢钥闯觯⒉ㄝ椛溆?jì)反演溫度的平均誤差隨高度變化有一定規(guī)律，4.2 km以下降水時(shí)08:00的平均誤差最大，有云時(shí)08:00和20:00最??；4.2～7.0 km降水時(shí)20:00最??；7.0 km以上降水時(shí)08:00最小。1.0～5.0 km降水時(shí)08:00微波輻射計(jì)反演溫度的均方根誤差最大，20:00次之；2.0～6.0 km有云時(shí)08:00和晴空時(shí)08:00的均方根誤差均較小，主要是08:00氣溫一般處于日最低氣溫附近，大氣比較穩(wěn)定，微波輻射計(jì)反演溫度偏離探空觀測值的程度最小。微波輻射計(jì)反演溫度和探空觀測值的相關(guān)性在晴空時(shí)08:00最好、20:00次之，3.0 km以下降水時(shí)08:00二者的相關(guān)性最差，3.0～6.0 km有云時(shí)20:00二者的相關(guān)性在無降水天氣中最差。微波輻射計(jì)反演相對濕度的平均誤差都隨高度遞增而增加；1.0～2.2 km有云時(shí)08:00平均誤差最小，晴空時(shí)08:00最大；4.5 km以下降水時(shí)08:00和20:00的平均誤差都較小，并隨高度增加平均誤差由負(fù)轉(zhuǎn)正。微波輻射計(jì)反演相對濕度的均方根誤差起伏較大，2.0 km以下晴空時(shí)08:00最小，有云時(shí)20:00最大；2.0～3.5 km降水時(shí)20:00均方根誤差最?。?.5～6.2 km降水時(shí)08:00均方根誤差最小且大小穩(wěn)定；6.2 km以上，晴空時(shí)08:00均方根誤差最小。4.5 km以下晴空時(shí)08:00微波輻射計(jì)反演相對濕度和探空觀測值的相關(guān)性最好，降水時(shí)20:00二者的相關(guān)性最差；6 km以上有云時(shí)08:00二者的相關(guān)性最好。微波輻射計(jì)反演水汽密度的平均誤差在4.0 km以下降水時(shí)08:00最大，有云時(shí)08:00和20:00平均絕對誤差最小(小于1 g·m-3)。微波輻射計(jì)反演水汽密度的均方根誤差在有云時(shí)08:00和20:00較??；4 km以下降水時(shí)08:00和20:00均方根誤差較大。5.0 km以下有云時(shí)08:00和晴空時(shí)08:00微波輻射計(jì)反演水汽密度和探空值的相關(guān)系數(shù)都較好，為0.94左右，5.0～8.0 km降水時(shí)08:00二者的相關(guān)性較好?？傮w而言，不同觀測時(shí)間，微波輻射計(jì)反演的溫度、水汽密度在同種天氣條件下的探測特征變化趨勢基本一致，不同觀測時(shí)次受大氣層環(huán)境影響有較小差別，反演的相對濕度則在不同時(shí)次差別偏大。

圖9 2012年1月至2014年8月08:00和20:00晴空、有云、降水時(shí)沙坪壩站微波輻射計(jì)反演溫度(a、b、c)、相對濕度(d、e、f)和水汽密度(g、h、i)的平均誤差(a、d、g)、均方根誤差(b、e、h)及與探空觀測值的相關(guān)系數(shù)(c、f、i)廓線

4 結(jié) 論

(1)有云時(shí)，微波輻射計(jì)氧氣通道53.85、54.00 GHz亮溫與探空觀測溫度的相關(guān)系數(shù)超過0.9，水汽通道23.83、25.00 GHz亮溫與探空水汽密度的相關(guān)性也較好；降水降低了微波輻射計(jì)亮溫與探空觀測值的相關(guān)性。晴空和有云時(shí)MonoRTM模擬亮溫與微波輻射計(jì)觀測亮溫的相關(guān)性較好，水汽通道處的相關(guān)系數(shù)為0.91～0.94，氧氣通道處的相關(guān)系數(shù)為0.86～0.97。

(2)晴空、有云和降水天氣條件下，微波輻射計(jì)反演溫度與探空觀測值都具有高相關(guān)性；有云及晴空時(shí)3.8 km以下微波輻射計(jì)反演溫度的平均絕對誤差均小于2 ℃，可以作為探空資料的補(bǔ)充。降水時(shí)4.0 km以下微波輻射計(jì)反演溫度明顯偏高。

(3)微波輻射計(jì)反演的相對濕度與探空值的相關(guān)性較同高度層溫度的相關(guān)性差；晴空時(shí)2.0～6.0 km、降水時(shí)3.0～7.0 km微波輻射計(jì)反演濕度偏大；1.0～2.6 km有云時(shí)微波輻射計(jì)反演濕度的平均誤差很??；降水時(shí)誤差較小且穩(wěn)定，4.5 km以下平均絕對誤差小于6%。降水時(shí)4.0 km以下微波輻射計(jì)反演水汽密度的平均誤差明顯偏大；大部分高度層上有云時(shí)的平均誤差和均方根誤差都最小，相關(guān)性最好。

(4)4.2 km以下降水時(shí)08:00微波輻射計(jì)反演溫度的平均誤差和均方根誤差都最大，2.0～6.0 km有云和晴空時(shí)08:00的均方根誤差都較小。4.5 km以下降水時(shí)08:00和20:00微波輻射計(jì)反演相對濕度的平均誤差均較小。有云時(shí)08:00微波輻射計(jì)反演水汽密度的平均誤差小且其與探空值的相關(guān)性較好，4.0 km以下降水時(shí)08:00的平均誤差最大。

DOI:10.1029/2002RS002856.