臺(tái)風(fēng)天氣條件下地基微波輻射計(jì)反演產(chǎn)品精度分析

駱夢(mèng)潔，湯杰，陳敘捷，陳勇航，趙兵科，史文浩，嚴(yán)嘉明，劉統(tǒng)強(qiáng)，林立旻，陳泉

(1.東華大學(xué)，上海 201600；2.中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030；3.霞浦縣氣象局，福建 霞浦 355100)

引言

臺(tái)風(fēng)災(zāi)害主要由臺(tái)風(fēng)大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)暴雨和風(fēng)暴潮造成[1]，破壞性強(qiáng)，出現(xiàn)頻率高，是影響我國(guó)東部沿海地區(qū)最嚴(yán)重的氣象災(zāi)害之一[2-3]，造成的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡都是十分巨大的[4]。因此，臺(tái)風(fēng)預(yù)警預(yù)報(bào)受到廣泛關(guān)注[5]，而大氣溫濕垂直分布對(duì)了解臺(tái)風(fēng)演變過程和提高預(yù)報(bào)精度具有重要意義[6-10]。相較于其他觀測(cè)手段，微波輻射計(jì)具有操作簡(jiǎn)便、全自動(dòng)實(shí)時(shí)無人值守觀測(cè)、探測(cè)時(shí)間分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

許多研究者開展了對(duì)微波輻射計(jì)的探測(cè)精度的研究。張秋晨等[11]利用RPG-HATPRO-G3地基微波輻射計(jì)與L波段探空數(shù)據(jù)作對(duì)比，結(jié)果表明，微波輻射計(jì)反演的大氣溫度和水汽密度與探空資料均有較好的相關(guān)性。劉曉璐等[12]用近三年無線電探空與微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)，分析晴天和有云天氣下溫濕廓線及物理參量的精度。趙玲等[13]采用2008年6月微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)和同期探空數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)晴空無云天氣下二者溫濕廓線的相關(guān)系數(shù)分別為0.994和0.697，都通過了置信度為0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。方莎莎等[14]將武漢地區(qū)大霧天氣下微波輻射計(jì)反演的氣溫、相對(duì)濕度值與探空值進(jìn)行對(duì)比，相關(guān)系數(shù)分別為0.96和0.72。徐桂榮等[15]研究發(fā)現(xiàn)，雖然MP-3000微波輻射計(jì)采用納米天線罩和鼓風(fēng)機(jī)裝置使反演的大氣溫濕廓線在降水環(huán)境下達(dá)到合理的水平，但不能消除降水的影響，天線罩上的雨水使測(cè)得的亮溫值升高，而亮溫值的偏差又會(huì)影響反演結(jié)果，且降水強(qiáng)度越大，誤差就越大。

由上可知，微波輻射計(jì)在臺(tái)風(fēng)天氣條件下的應(yīng)用研究尚很缺乏。趙兵科等[16]利用上海市氣象局2007年9月進(jìn)行的臺(tái)風(fēng)探測(cè)試驗(yàn)資料和地面常規(guī)觀測(cè)資料，對(duì)多通道地基微波輻射計(jì)在0713號(hào)臺(tái)風(fēng)“韋帕”登陸前后的探測(cè)性能及特征進(jìn)行了分析。但還需更多臺(tái)風(fēng)個(gè)例的研究來加深對(duì)微波輻射計(jì)探測(cè)性能的認(rèn)識(shí)，從而為提高反演算法和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等環(huán)節(jié)的改進(jìn)提供參考依據(jù)。本文利用中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所獲得的在臺(tái)風(fēng) “尼伯特”(1601)、 “莫蘭蒂”(1614)、 “鲇魚” (1617)、“莎莉嘉” (1621)影響期間微波輻射計(jì)和GPS探空原位探測(cè)的資料，以GPS探空資料為“真值”，對(duì)比分析臺(tái)風(fēng)天氣條件下地基微波輻射計(jì)反演得到的溫度、水汽密度廓線的精度。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)

本文采用的微波輻射計(jì)型號(hào)為MP-3000，是一種多通道地基微波輻射計(jì)，通道分為兩種：水汽通道和氧氣通道。水汽通道在22～30 GHz范圍內(nèi)，氧氣通道在51～59 GHz范圍內(nèi)。微波輻射計(jì)根據(jù)大氣對(duì)不同頻率輻射吸收的差異，從而選擇不同頻率探測(cè)亮溫的變化。微波輻射計(jì)0級(jí)數(shù)據(jù)包含接收探測(cè)器輸出電壓；1級(jí)數(shù)據(jù)包含每個(gè)通道的實(shí)時(shí)亮溫；2級(jí)數(shù)據(jù)是反演產(chǎn)品，可提供不同高度上的大氣溫度、相對(duì)濕度、水汽密度、液態(tài)水密度、云底高度、水汽積分、液態(tài)水積分等多種大氣參量，從而可獲得0～10 km高度的熱力學(xué)廓線。0～500 m大氣高度的分辨率為50 m，此區(qū)間共11個(gè)高度層；500～2 000 m高度的分辨率為100 m，共15個(gè)高度層；2 000～10 000 m高度的分辨率為250 m，共32個(gè)高度層。微波輻射計(jì)2～3 min可獲得具有58個(gè)高度層的溫度、濕度、水汽密度、液態(tài)水密度廓線。值得說明的是，微波輻射計(jì)每3～6個(gè)月就需要進(jìn)行一次標(biāo)定，本文所涉微波輻射計(jì)在探測(cè)臺(tái)風(fēng)“尼伯特”前剛完成標(biāo)定。

盡管MP-3000是一種多通道地基微波輻射計(jì)，但仍存在多種因素影響其探測(cè)精度[17]，比如外在因素有太陽輻射、電磁波等，內(nèi)在因素有輻射計(jì)的系統(tǒng)誤差以及反演算法的選取[18]。在使用納米材料制作天線罩等方法以減小雨水效應(yīng)的基礎(chǔ)上，不少研究者通過改進(jìn)反演算法獲取更高精度的微波輻射計(jì)2級(jí)數(shù)據(jù)產(chǎn)品[19-22]。

1.2 GPS探空數(shù)據(jù)

GPS探空氣球每2 s采集一組數(shù)據(jù)，包含溫度、濕度、高度、風(fēng)速、風(fēng)向等，每次采集時(shí)間約1 h。本文采用的GPS探空資料共有21組，為方便起見，根據(jù)臺(tái)風(fēng)名稱及登陸情況分別給21次探測(cè)試驗(yàn)編號(hào)(例：編號(hào)N-5表示臺(tái)風(fēng)“尼伯特”登陸前約5 h進(jìn)行的觀測(cè)試驗(yàn))，詳見表1。

表1 21組微波輻射計(jì)與GPS探空數(shù)據(jù)詳情

1.3 臺(tái)風(fēng)個(gè)例介紹

“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”和“莎莉嘉”4個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例信息見表2。4個(gè)臺(tái)風(fēng)最佳路徑(來自中國(guó)氣象局熱帶氣旋資料中心)見圖1。探空釋放點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心距離及相對(duì)臺(tái)風(fēng)中心象限情況詳見圖2。

圖1 “尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”“莎莉嘉”4個(gè)臺(tái)風(fēng)的最佳路徑和強(qiáng)度分布Fig.1 Best tracks and intensities of Typhoon Nepartak, Meranti, Megi, and Sarika

表2 4個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例信息

圖2 探空氣球釋放點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離及相對(duì)位置(同心圓圓心處為臺(tái)風(fēng)中心位置，同心圓每圈間隔50 km)Fig.2 Distance and relative position from the release point of sounding balloon to the typhoon center (the center of concentric circle is the typhoon center; concentric circles are spaced 50 km apart)

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)比微波輻射計(jì)與GPS探空資料發(fā)現(xiàn)，微波輻射計(jì)2～3 min即可得到一條熱力學(xué)廓線，而GPS探空大概需要30 min，因此廓線對(duì)比次數(shù)取決于探空氣球的釋放次數(shù)?？臻g上，探空資料的探測(cè)高度并不能與微波輻射計(jì)的58個(gè)高度層一一對(duì)應(yīng)，因此線性插值得到與之對(duì)應(yīng)的58個(gè)高度層及其相應(yīng)的溫度、濕度和風(fēng)速。時(shí)間上，探空資料所取的垂直距離范圍已經(jīng)有對(duì)應(yīng)的探測(cè)時(shí)間，取相應(yīng)微波輻射計(jì)開始到結(jié)束的時(shí)間做平均，得到這段時(shí)間內(nèi)的平均熱力學(xué)廓線。如此下來，得到21組數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行溫度、水汽密度廓線的對(duì)比分析，探空資料的水汽密度由下列公式算出[23]。

(1)

(2)

式中，e代表水汽壓，單位：hPa;U代表相對(duì)濕度，單位：%；T代表溫度，單位：K；ρ代表水汽密度，單位：g·m-3。

2 溫度廓線精度評(píng)估

2.1 溫度廓線整體評(píng)估

圖3分別給出了臺(tái)風(fēng)“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”和“莎莉嘉”登陸期間的微波輻射計(jì)與GPS探空資料的溫度廓線對(duì)比圖，每一組都標(biāo)注了這段時(shí)間內(nèi)溫度的平均偏差(Bias)、均方根誤差(root mean square error, RMSE)以及線性相關(guān)系數(shù)(R)。計(jì)算公式如下：

圖3 臺(tái)風(fēng)“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”“莎莉嘉”影響期間微波輻射計(jì)與探空溫度廓線對(duì)比Fig.3 Comparison of temperature profiles between microwave radiometer and GPS sounding during the influence period of Typhoon Nepartak, Meranti, Megi, and Sarika

(3)

(4)

(5)

由圖3這21組數(shù)據(jù)來看，微波輻射計(jì)與GPS探空資料的溫度廓線重合度高，相關(guān)性非常好，這與翟晴飛等[24]、韓玨靖等[25]研究的結(jié)果類似。其中，有8組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.999，占比38%，臺(tái)風(fēng)“尼伯特”個(gè)例占4組，其整體溫度廓線的相關(guān)性是最好的?？傮w來說，21組數(shù)據(jù)中有18組的相關(guān)性達(dá)到了0.990以上，只有3組未達(dá)到，相關(guān)系數(shù)分別為0.893、0.968和0.982。而相關(guān)性較差的3組有兩種趨勢(shì)，Y-5和S-13趨勢(shì)一致，0～2 km偏冷，2～10 km偏暖，另一種趨勢(shì)是Y-13，與上一種走向唯一不同的是0～2 km段中0～1 km段偏暖，CHAN[26]的研究結(jié)果也表明微波輻射計(jì)的溫度在邊界層存在暖偏差，1～2 km段才偏冷。除去相關(guān)性差的這幾組數(shù)據(jù)，大部分GPS探空在高層的所測(cè)溫度值高于微波輻射計(jì)，這是因?yàn)樵谇缋屎投嘣铺鞖鈼l件下，探空儀在高空會(huì)接觸到更強(qiáng)烈的太陽能[27]。誤差較大的幾組數(shù)據(jù)，比如Y-13、Y-5、S-15，除去低層高度，其余高度微波輻射計(jì)所測(cè)溫度都比探空高。而Y-13、Y-5、S-15三段平均降雨強(qiáng)度分別為21.26、27.13、13.00 mm·h-1，是21個(gè)時(shí)間段內(nèi)最強(qiáng)的三段降水，所以可能是降水導(dǎo)致微波輻射計(jì)所測(cè)溫度偏高，這與張文剛等[28]的研究結(jié)果一致。

再將4個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例的溫度數(shù)據(jù)放在一起比較，繪制成散點(diǎn)圖(圖4)。該圖中散點(diǎn)的大小表示該數(shù)據(jù)點(diǎn)距離地面的高低，散點(diǎn)越大，測(cè)量的數(shù)據(jù)距地面越高，即可觀察偏離y=x理想直線的散點(diǎn)集中在哪個(gè)高度層。通過計(jì)算，整體的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.988，均方根誤差為2.527。劃定y=0.99x和y=100/99x兩條關(guān)于y=x對(duì)稱的直線，計(jì)算得出這兩條直線包含的散點(diǎn)個(gè)數(shù)占總體的82.9%。這些數(shù)據(jù)都表明在臺(tái)風(fēng)影響期間微波輻射計(jì)測(cè)量溫度精度較高。

圖4 臺(tái)風(fēng)天氣條件下微波輻射計(jì)所測(cè)溫度與GPS探空所測(cè)溫度的散點(diǎn)圖及線性擬合Fig.4 Scatter diagram and linear fitting of temperature measured by microwave radiometer and GPS sounding under typhoon weather conditions

2.2 溫度廓線不同高度層評(píng)估

為了揭示不同高度層下微波輻射計(jì)在臺(tái)風(fēng)天氣條件下所測(cè)溫度的精度，本文將0～10 km的高度分為四個(gè)高度層：0～1 km為邊界層，1～3 km為低對(duì)流層，3～6 km為中對(duì)流層，6～10 km為高對(duì)流層。將4個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例微波輻射計(jì)與GPS探空在對(duì)應(yīng)高度的數(shù)據(jù)匹配出來，分別計(jì)算每個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例中不同高度層微波輻射計(jì)與GPS探空資料所測(cè)溫度的標(biāo)準(zhǔn)差、均方根誤差以及相關(guān)系數(shù)，計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)，繪制標(biāo)準(zhǔn)泰勒?qǐng)D(圖5)。標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)準(zhǔn)差為微波輻射計(jì)所算標(biāo)準(zhǔn)差與探空資料所算標(biāo)準(zhǔn)差的比值，同理，標(biāo)準(zhǔn)化的均方根誤差為微波輻射計(jì)所算均方根誤差與探空資料所算標(biāo)準(zhǔn)差的比值，而相關(guān)系數(shù)不做改變。為方便起見，本節(jié)和3.2節(jié)部分，標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)差叫歸一化標(biāo)準(zhǔn)差，標(biāo)準(zhǔn)化后的均方根誤差仍叫均方根誤差。圖5中，與坐標(biāo)(0，0)的距離代表歸一化標(biāo)準(zhǔn)差的大小，與坐標(biāo)(0，1)的距離代表均方根誤差的大小。所有歸一化標(biāo)準(zhǔn)差值均在0.5～1.5之間，總體來說，微波輻射計(jì)探測(cè)效果較好。直觀上看，“尼伯特”的誤差最小，而臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響期間較其他三個(gè)臺(tái)風(fēng)過程誤差較大，經(jīng)計(jì)算，歸一化標(biāo)準(zhǔn)差最大達(dá)到1.348 4，相關(guān)系數(shù)最低為0.338 4，均方根誤差最大為1.335 1。而對(duì)于四個(gè)高度層的分析來說，高度層4(高對(duì)流層)歸一化標(biāo)準(zhǔn)差整體最接近1，均方根誤差也最小。最大均方根誤差在高度層2(中對(duì)流層)，發(fā)生在臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響期間。每個(gè)臺(tái)風(fēng)影響期間的最大均方根誤差都發(fā)生在高度層1或者2，最小均方根誤差都發(fā)生在高度層4，且3～6 km、6～10 km兩個(gè)高度層的相關(guān)系數(shù)都在0.8～1.0之間，對(duì)高度層3和高度層4的溫度來說，微波輻射計(jì)與探空的溫度相關(guān)性更好，說明高層溫度偏差比低層溫度偏差相對(duì)較小，與CANDLISH et al.[29]的研究結(jié)果類似，與劉紅燕[30]、姚作新等[31]、CIMINI et al.[32]的研究結(jié)果相反，這通常受到下墊面性質(zhì)的影響[29]。SNCHEZ et al.[8]也指出微波輻射計(jì)的垂直分辨率從低層到高層為50～500 m，溫濕廓線反演精度是由高到低。

圖5 微波輻射計(jì)在0～1 km、1～3 km、3～6 km、6～10 km四個(gè)高度層的溫度與GPS探空溫度的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和歸一化標(biāo)準(zhǔn)差分布泰勒?qǐng)DFig.5 Taylor diagram of correlation coefficient, root mean square error, and normalized standard deviation between GPS sounding temperature and temperature by microwave radiometer at 4 altitude layers of 0-1 km, 1-3 km, 3-6 km, and 6-10 km

3 水汽密度廓線精度評(píng)估

3.1 水汽密度廓線整體評(píng)估

圖6給出了21組臺(tái)風(fēng)登陸期間的微波輻射計(jì)與GPS探空資料的水汽密度廓線對(duì)比圖，可以看出兩者偏差。同樣時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量，由溫度換成水汽，變化的趨勢(shì)較為一致，但水汽密度廓線的誤差較溫度大，這與白婷等[33]、MADHULATHA et al.[34]的研究結(jié)果類似。相關(guān)系數(shù)大于0.99的有15組，占比71.4%，臺(tái)風(fēng)“尼伯特”5組數(shù)據(jù)都達(dá)到了0.99，是誤差最小的一個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例。而M-4、Y-15、Y-13、Y-5、S-13這幾組的相關(guān)性較差，誤差較大，且這幾組數(shù)據(jù)從上到下都偏濕；溫度和水汽密度的絕對(duì)偏差相差較小，但水汽密度的相對(duì)偏差較溫度大。最差的是Y-5，相關(guān)性只有0.58，均方根誤差達(dá)到了10.294。GPS探空數(shù)據(jù)沒有給出水汽密度值，只能根據(jù)借助溫度和相對(duì)濕度兩個(gè)物理量結(jié)合公式(1)和公式(2)算出。

圖6 臺(tái)風(fēng)“尼伯特”“莫蘭蒂”“鲇魚”“莎莉嘉”影響期間微波輻射計(jì)與探空水汽密度廓線對(duì)比Fig.6 The same as Fig.3, but for water vapor density profiles

圖7是微波輻射計(jì)所測(cè)水汽密度與GPS探空所測(cè)水汽密度的散點(diǎn)圖，相關(guān)系數(shù)為0.928，由圖看出，部分處于較高高度層處測(cè)量的點(diǎn)較為離散。劃定y=0.99x和y=100/99x兩條關(guān)于y=x對(duì)稱的直線，這兩條直線包含的散點(diǎn)個(gè)數(shù)只占總體的5.41%，很顯然微波輻射計(jì)所測(cè)水汽密度精度沒有溫度效果好。將兩條對(duì)稱直線的范圍再擴(kuò)大，改為y=0.9x和y=10/9x，通過計(jì)算，這兩條直線包含的散點(diǎn)個(gè)數(shù)占總體的57.4%。

圖7 微波輻射計(jì)與GPS探空所測(cè)水汽密度的線性擬合Fig.7 Linear fitting of water vapor density measured by microwave radiometer and GPS sounding

3.2 水汽密度廓線不同高度層評(píng)估

圖8是標(biāo)準(zhǔn)泰勒?qǐng)D，體現(xiàn)4個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例在不同高度上水汽密度廓線的誤差分布。經(jīng)計(jì)算，在高度層4(高對(duì)流層)處微波輻射計(jì)和GPS探空得到的水汽密度相關(guān)性低，為0.464；高度層2(低對(duì)流層)的水汽密度相關(guān)性高，為0.682；說明水汽密度在低層的擬合度高于高層，這與劉曉璐等[12]的研究結(jié)果“水汽密度的相關(guān)系數(shù)整體隨高度升高而減小”類似。誤差最大的發(fā)生在高度層4，這與侯葉葉等[35]的研究結(jié)果有出入。而4個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例中，仍然是臺(tái)風(fēng)“尼伯特”影響期間各組的三項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于其他組。誤差最大的一個(gè)組發(fā)生在臺(tái)風(fēng)“鲇魚”影響期間，相關(guān)系數(shù)、歸一化標(biāo)準(zhǔn)差以及均方根誤差分別為0.351、3.61、3.755，而三項(xiàng)最好的分別是0.957、0.939、0.343，相差甚遠(yuǎn)。

圖8 微波輻射計(jì)在0～1 km、1～3 km、3～6 km、6～10 km四個(gè)高度層的水汽密度與GPS探空水汽密度的相關(guān)系數(shù)、均方根誤差和歸一化標(biāo)準(zhǔn)差分布泰勒?qǐng)DFig.8 The same as Fig.5, but for water vapor density

3.3 水汽密度誤差因子分析

為了研究影響臺(tái)風(fēng)環(huán)境中微波輻射計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量的誤差因子，基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)，引入降水、風(fēng)速、臺(tái)風(fēng)中心相對(duì)觀測(cè)點(diǎn)距離三個(gè)誤差因子分析。

圖9為2016年4個(gè)臺(tái)風(fēng)影響期間微波輻射計(jì)與GPS探空氣球釋放期間降雨強(qiáng)度的時(shí)間序列圖，降雨強(qiáng)度由雨滴譜原始數(shù)據(jù)計(jì)算得出。圖中有21條豎直虛線，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為該組的探空氣球施放時(shí)間，研究時(shí)間范圍為0.5 h左右。由圖9可看出，上述著重分析過的相關(guān)性較差且誤差稍大的Y-13、Y-5、S-13恰好是降水量大的時(shí)間段，說明降水對(duì)微波輻射計(jì)探測(cè)精度有較大影響，這與劉建忠和張薔[36]“在有強(qiáng)對(duì)流云出現(xiàn)時(shí)，會(huì)對(duì)微波輻射計(jì)反演產(chǎn)品的使用造成影響”的研究結(jié)果類似。

圖10為每組平均降雨強(qiáng)度與平均偏差及均方根誤差的散點(diǎn)圖(圖略)，體現(xiàn)降雨強(qiáng)度與誤差的關(guān)系。總體來說，降水時(shí)的誤差明顯比非降水時(shí)大。無降水時(shí)，水汽密度均方根誤差和平均偏差接近0，而當(dāng)降雨強(qiáng)度最大為27.13 mm·h-1時(shí)，水汽密度均方根誤差達(dá)到10.29，平均誤差達(dá)到-7.578，這與張文剛等[37]在對(duì)比分析微波輻射計(jì)資料與探空數(shù)據(jù)時(shí)發(fā)現(xiàn)降水時(shí)相關(guān)性差的結(jié)果類似。由圖可知，整體來說，每組的均方根誤差和平均偏差有隨著降雨強(qiáng)度的增大而增大的趨勢(shì)，計(jì)算得到21組水汽密度均方根誤差與降水強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為0.912，平均誤差與降水強(qiáng)度的相關(guān)系數(shù)為-0.908，較好地體現(xiàn)了降水強(qiáng)度對(duì)微波輻射計(jì)探測(cè)精度的影響。同時(shí)，做了每組最大風(fēng)速及觀測(cè)點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心距離分別與平均偏差及均方根誤差的散點(diǎn)圖(圖略)，未能體現(xiàn)出相關(guān)性。

圖10 21組水汽密度均方根誤差(a)和平均偏差(b)與平均降雨強(qiáng)度的變化Fig.10 Variation of root mean square deviation (a) and average deviation (b) of water vapor density with mean rainfall intensity in each data set

4 結(jié)論與討論

基于中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)所收集到的4個(gè)典型臺(tái)風(fēng)個(gè)例數(shù)據(jù)，對(duì)微波輻射計(jì)所獲取的溫度和水汽廓線與同址GPS探空資料進(jìn)行比對(duì)，并獲得如下初步結(jié)論。

(1)在臺(tái)風(fēng)天氣條件下，微波輻射計(jì)的溫度、水汽密度廓線反演資料與GPS探空資料所得結(jié)果有較好的正相關(guān)性；二者溫度的總體相關(guān)系數(shù)為0.988，均方根誤差為2.527；二者水汽密度的總體相關(guān)系數(shù)為0.928，均方根誤差為3.159。溫度廓線比水汽密度廓線具有更好的相關(guān)性，微波輻射計(jì)對(duì)溫度和濕度的觀測(cè)均存在誤差。臺(tái)風(fēng)天氣條件下，微波輻射計(jì)探測(cè)溫度的結(jié)果具有可信度。

(2)微波輻射計(jì)在不同高度上的探測(cè)質(zhì)量差異較大，高層溫度偏差比低層溫度偏差相對(duì)較小，而水汽密度整體來說低層的探測(cè)精度要優(yōu)于高層。

(3)研究影響水汽密度探測(cè)精度的三個(gè)誤差因子(降水、風(fēng)速、觀測(cè)點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心距離)，降水強(qiáng)度與誤差大小有明顯的正相關(guān)性。整體上，降雨強(qiáng)度越大，均方根誤差越大，二者的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.912。風(fēng)速和觀測(cè)點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心距離和誤差大小并無特別的規(guī)律。

(4)探究的4個(gè)個(gè)例中，臺(tái)風(fēng)“尼伯特”影響期間微波輻射計(jì)探測(cè)的溫度、水汽密度精度是最好的，因?yàn)閷?duì)其進(jìn)行探測(cè)的時(shí)候少雨、天氣比較干燥，且剛剛進(jìn)行過校準(zhǔn)。