基于往返式平漂探空的FY-3D衛(wèi)星反演溫度檢驗

周雪松 郭啟云 夏元彩 田 泓

1）（內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市氣象局，呼和浩特 010020）

2）（中國氣象局氣象探測中心，北京 100081）

引 言

目前世界各國進(jìn)行高空氣象探測的手段包括氣球探空、衛(wèi)星、飛機(jī)、雷達(dá)等［1］，探測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是數(shù)據(jù)應(yīng)用的基礎(chǔ)［2］。衛(wèi)星作為重要的大氣探測設(shè)備，發(fā)射升空后需對其上的儀器載荷進(jìn)行定標(biāo)和檢驗評估［3］。氣球探空觀測在當(dāng)代氣象觀測中具有極其重要的地位［4］，因其受地形、地物及人類活動影響較小，可定時定點對高空大氣進(jìn)行觀測［5］。氣球探測可獲得大氣溫度、氣壓、濕度、風(fēng)等要素的直接觀測數(shù)據(jù)［6］，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度相對較高［7］，可作為地基遙感觀測、衛(wèi)星遙感觀測等的比對參考標(biāo)準(zhǔn)［8-10］。探空數(shù)據(jù)能夠反映強(qiáng)對流天氣發(fā)生前大氣的溫濕結(jié)構(gòu)及動力特征［11］，是分析局地強(qiáng)對流天氣的重要數(shù)據(jù)之一，預(yù)報員常使用對流參數(shù)進(jìn)行潛勢預(yù)報［12］。目前，常規(guī)氣球探空觀測業(yè)務(wù)施放時間為每日07：15（北京時，下同）和19：15，獲得的探測廓線間隔為12 h。強(qiáng)對流天氣持續(xù)時間短、空間尺度?。?3］，常規(guī)探空觀測對強(qiáng)對流天氣過程預(yù)報預(yù)警的能力偏弱。往返式平漂探空觀測是中國氣象局研發(fā)的一種新型探空觀測技術(shù)，該技術(shù)通過1 次施放，實現(xiàn)上升-平漂-下降3段觀測［14］，可實現(xiàn)間隔約6 h 的兩次對流層垂直探測（上升段和下降段）和持續(xù)4 h 平流層高度的持續(xù)水平探測［15］。平漂探空采用導(dǎo)航衛(wèi)星定位，技術(shù)更先進(jìn)、數(shù)據(jù)更穩(wěn)定［16］。經(jīng)評估，平漂探空探測精度達(dá)到世界氣象組織（World Meteorological Organization，WMO）規(guī)定的突破目標(biāo)［17］。本文主要介紹利用平漂探空數(shù)據(jù)對衛(wèi)星溫度廓線和平流層大氣溫度數(shù)據(jù)的檢驗評估。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)簡介

1.1.1 探空數(shù)據(jù)

探空數(shù)據(jù)是探空儀跟隨探空氣球升空直接測量的大氣狀態(tài)數(shù)據(jù)，是目前準(zhǔn)確度相對較高的大氣探測數(shù)據(jù)，可作為衛(wèi)星反演大氣溫濕度廓線的評估基準(zhǔn)［18-19］。探空儀探測的數(shù)據(jù)包括時間、經(jīng)度、緯度、海拔高度、溫度、濕度和氣壓［20-21］。本文采用長江中下游的安慶、武漢、南昌、贛州、長沙、宜昌6個探空站的平漂探空數(shù)據(jù)。本次平漂探空觀測于2021年3月開始，首次在國內(nèi)開展了長達(dá)7個月的連續(xù)觀測，施放時間為每日07：30和19：30（為保證業(yè)務(wù)探空順利進(jìn)行，平漂探空觀測試驗施放時間延后15 min）。經(jīng)統(tǒng)計，平漂時段平均高度為28.489 km，主要集中在平流層中下層。

1.1.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)

FY-3D 衛(wèi)星是我國第2代極軌氣象衛(wèi)星［22］，其裝載的微波溫度計、微波濕度計等設(shè)備可為數(shù)值預(yù)報、災(zāi)害性天氣監(jiān)測、氣候變化研究提供有力數(shù)據(jù)支撐［23-24］。衛(wèi)星軌道高度830 km，每日繞地14圈完成對全球的完整探測。衛(wèi)星每完成1圈探測生成1個HDF格式數(shù)據(jù)文件（HDF 格式是一種具有自我描述性、可擴(kuò)展性、自我組織性的廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究領(lǐng)域的數(shù)據(jù)存儲格式）［25-26］。衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用L2級產(chǎn)品中的大氣溫濕度廓線（AVP），垂直方向包含43個規(guī)定氣壓層，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括1212條掃描線的時間（日和毫秒計數(shù)數(shù)據(jù)）及每條掃描線90個像元數(shù)據(jù)的地理經(jīng)緯度、海陸掩碼、高程、太陽天頂角／方位角、衛(wèi)星天頂角／方位角等數(shù)據(jù)，以及每個微波溫度計（MWTS）視場的MWTS亮溫、匹配微波濕度計（MWHS）亮溫、云量（融合自成像儀）、微波濕度計反演的洋面降水檢測結(jié)果、大氣溫濕廓線、由數(shù)值預(yù)報場插值至MWTS視場的大氣溫濕度廓線等數(shù)據(jù)。

1.2 時空匹配

氣象觀測數(shù)據(jù)具有代表性、準(zhǔn)確性、可比較性，不同儀器的觀測數(shù)據(jù)在一定的時間和空間范圍內(nèi)才具有可比性。因此，利用平漂探空數(shù)據(jù)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗，需設(shè)定時間和空間匹配條件。黃藝偉等［27］利用L波段探空數(shù)據(jù)對FY-4A 衛(wèi)星溫度廓線進(jìn)行檢驗評估，其時間匹配利用探空氣球施放和爆炸時間篩選時間段內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)?？臻g匹配則根據(jù)探空氣球漂移的經(jīng)緯度，以探空氣球漂移軌跡的中點和漂移最遠(yuǎn)點的距離為半徑畫圓，采用最鄰近法篩選衛(wèi)星數(shù)據(jù)。本文時空匹配算法基于衛(wèi)星數(shù)據(jù)和平漂探空數(shù)據(jù)的經(jīng)緯差和時間差匹配，時間匹配條件為3 h，距離匹配條件為300 km。

時間匹配以衛(wèi)星時間為基準(zhǔn)，按照時間匹配條件，衛(wèi)星數(shù)據(jù)與平漂探空數(shù)據(jù)時間差小于3 h。通過衛(wèi)星和平漂探空數(shù)據(jù)文件中觀測起止時間，篩選符合時間匹配的數(shù)據(jù)文件。對衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗時還需要對每組匹配數(shù)據(jù)進(jìn)行時間匹配檢查，確保檢驗評估的準(zhǔn)確性。平漂探空數(shù)據(jù)的時間為北京時，衛(wèi)星數(shù)據(jù)時間為世界時，本研究將時間統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為北京時。

空間匹配保證對比分析的一組衛(wèi)星和平漂探空數(shù)據(jù)間的距離小于300 km。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)覆蓋范圍遠(yuǎn)大于平漂探空的軌跡范圍，為簡化計算，可先確定平漂探空3段數(shù)據(jù)中每段的經(jīng)緯度范圍，據(jù)此確定矩形區(qū)域，將該區(qū)域向外擴(kuò)展300 km，即可獲得符合空間匹配的全部衛(wèi)星數(shù)據(jù)。假設(shè)兩點的經(jīng)緯度分別為（H，J）和（K，L），則兩點之間的距離

式（1）中，E＝sinL·sinJ·cos（K-H）＋cosI·cosJ，R是地球半徑，為6371.39 km，π為圓周率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本文衛(wèi)星數(shù)據(jù)氣壓范圍為0.1～1013.25 h Pa，包含43個規(guī)定氣壓層。平漂探空數(shù)據(jù)由其狀態(tài)時間信息分為3段分別處理：施放時間與外球炸時間（外球炸時間是指平漂探空觀測外球爆炸的時間）確定上升段數(shù)據(jù)的起止索引；平漂開始時間與下降開始時間確定平漂段數(shù)據(jù)的起止索引；下降開始時間與終止時間確定下降段數(shù)據(jù)起止索引。

1.3.1 廓線數(shù)據(jù)處理方法

平漂探空上升和下降段為廓線數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理方法相同。根據(jù)衛(wèi)星43個規(guī)定氣壓層將上升段、下降段數(shù)據(jù)稀疏化處理為與衛(wèi)星數(shù)據(jù)垂直分辨率相同的廓線數(shù)據(jù)。上升段、下降段數(shù)據(jù)從地面至高空10 h Pa左右，探空儀升速約400 m·min-1，每秒發(fā)送1次數(shù)據(jù)，具有較高垂直分辨率，垂直層次可達(dá)數(shù)千層［28］，因此，利用線性插值（式（2））計算溫度誤差也相對較小，可滿足衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗要求：

式（2）中，T和P為插值點的溫度和氣壓，T0和P0為下層的溫度和氣壓，T1和P1為上層的溫度和氣壓。

根據(jù)平漂探空上升、下降段廓線軌跡提取衛(wèi)星廓線數(shù)據(jù)，具體步驟：①根據(jù)平漂探空廓線的氣壓值范圍，篩選其包含的衛(wèi)星規(guī)定氣壓層次。②獲取探空廓線中規(guī)定氣壓層次（與衛(wèi)星對應(yīng)）的數(shù)據(jù)時間、溫度、濕度、經(jīng)度、緯度。③利用數(shù)據(jù)經(jīng)緯度、數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)志、數(shù)據(jù)時間，從衛(wèi)星數(shù)據(jù)的各規(guī)定氣壓層中篩選與探空軌跡距離最近且滿足時空匹配條件的數(shù)據(jù)，即完成衛(wèi)星廓線提取。

1.3.2 平漂段數(shù)據(jù)處理方法

平漂探空的平漂段數(shù)據(jù)是高時間分辨率、長持續(xù)時間的平流層觀測，其平漂距離可達(dá)300～500 km，可用于衛(wèi)星平流層反演溫度的檢驗評估，數(shù)據(jù)處理方法如下：

①確定衛(wèi)星數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度。首先確定探空平漂段軌跡的經(jīng)度和緯度范圍，篩選衛(wèi)星數(shù)據(jù)。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)的范圍遠(yuǎn)大于平漂探空的軌跡范圍，平漂探空數(shù)據(jù)通常被包含在衛(wèi)星數(shù)據(jù)的經(jīng)緯度范圍內(nèi)。為避免數(shù)據(jù)遺漏，將平漂段的經(jīng)緯度范圍向外擴(kuò)展300 km（最大匹配距離），此范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)即為符合空間匹配條件的數(shù)據(jù)集合。將范圍內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)與平漂段數(shù)據(jù)進(jìn)行時間和空間匹配，由于平漂段的數(shù)據(jù)分辨率較高，每個衛(wèi)星數(shù)據(jù)點將獲得多個符合空間匹配條件的平漂探空數(shù)據(jù)點，選取距離最近的數(shù)據(jù)點作為檢驗數(shù)據(jù)。

②確定衛(wèi)星數(shù)據(jù)的規(guī)定氣壓層次。衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)的空間定位信息為三維數(shù)組，確定其經(jīng)度、緯度后，由平漂探空數(shù)據(jù)的氣壓確定衛(wèi)星數(shù)據(jù)的氣壓層。平漂段的理想高度約為25 km，但氣球平漂高度受天氣、大氣運動、凈舉力等因素影響，平漂高度存在微小浮動。平漂氣壓通常為10～30 hPa，跨越3～4個衛(wèi)星規(guī)定氣壓層（10.37 hPa，14.81 hPa，20.4 hPa和27.26 hPa），每兩個氣壓層間的垂直高度差約為2 km。同一時次的平漂段，其探測高度（氣壓）也非定值。利用平漂探空上升段廓線，統(tǒng)計10～30 h Pa間4個規(guī)定氣壓層附近的溫度變化趨勢發(fā)現(xiàn)：當(dāng)平漂探空氣壓與衛(wèi)星規(guī)定氣壓的差值小于臨近規(guī)定氣壓值的百分之一時，平漂數(shù)據(jù)點與衛(wèi)星規(guī)定氣壓處的溫度差值較小，可直接采用該氣壓處的溫度作為平漂高度的衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)；當(dāng)平漂氣壓與規(guī)定氣壓的差值大于規(guī)定氣壓值的百分之一時，可利用衛(wèi)星上下規(guī)定層的溫度和氣壓，通過插值算法計得到該平漂高度的衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)，且誤差較小。氣壓溫度插值公式如下：

整理式（3），得到

式（4）中，P1和P2為兩規(guī)定氣壓層，T1和T2為兩規(guī)定層處的溫度，P為插值點氣壓，T為插值點溫度［29］。利用2021年3—9月長江中下游試驗上升段溫度數(shù)據(jù)驗證氣壓溫度插值算法，結(jié)果顯示：在10.37～14.81 hPa，14.81～20.4 hPa，20.4～27.26 hPa規(guī)定氣壓層內(nèi)，誤差集中在±2℃內(nèi)，4個規(guī)定氣壓層間的平均絕對偏差分別為0.70，0.65℃和0.56℃，誤差相對較小。因此，上述方法滿足衛(wèi)星平流層溫度的檢驗評估需求。

2 檢驗結(jié)果

選取2021年3—9月長江中下游6個站點的平漂探空試驗數(shù)據(jù)，以及該時間段中國區(qū)域FY-3D 衛(wèi)星數(shù)據(jù)，其中平漂探空數(shù)據(jù)文件共2798份，衛(wèi)星數(shù)據(jù)文件1110份。文中將平漂探空數(shù)據(jù)分為上升段、平漂段和下降段分別統(tǒng)計，統(tǒng)計結(jié)果如表1 所示。由表1可知，衛(wèi)星溫度廓線與平漂探空上升段溫度平均相關(guān)系數(shù)為0.99（達(dá)到0.01顯著性水平），平均絕對偏差為1.34℃，平均均方根誤差為1.95℃。與下降段溫度平均相關(guān)系數(shù)為0.99（達(dá)到0.01顯著性水平），平均絕對偏差為1.93℃，平均均方根誤差為2.46℃。上升段與下降段的平均絕對偏差小于2℃，平均均方根誤差為2～2.5℃，相關(guān)系數(shù)接近1。由檢驗結(jié)果數(shù)據(jù)可知，對流層內(nèi)衛(wèi)星反演溫度廓線數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度較高。衛(wèi)星平流層溫度與平漂段相關(guān)系數(shù)僅為0.04（相關(guān)不顯著），平均絕對偏差和平均均方根誤差分別為3.92℃和4.10℃，比對流層內(nèi)衛(wèi)星反演溫度廓線的誤差略大。由于平漂段數(shù)據(jù)觀測持續(xù)時間較長，平漂距離較遠(yuǎn)且方向隨機(jī)，最優(yōu)時間匹配和最優(yōu)空間匹配二者不可兼得。本文采用距離優(yōu)先的匹配算法，即從時間差小于3 h的數(shù)據(jù)中篩選距離衛(wèi)星數(shù)據(jù)點最近的平漂段數(shù)據(jù)點作為檢驗數(shù)據(jù)。再者，匹配條件是通過時間差和距離差篩選數(shù)據(jù)，差值不區(qū)分正負(fù)，因此平漂段的檢驗結(jié)果相關(guān)性較差。

表1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗評估結(jié)果Table 1 Inspection and evaluation of satellite data

2.1 利用上升段數(shù)據(jù)的檢驗評估

上升段數(shù)據(jù)是由6 個探空站每日07：30 和19：30 施放探空儀至外球爆炸的探空觀測獲得，共完成367次匹配，平均每站61次，各站檢驗結(jié)果如表2所示。

2.1.1 07：30上升段檢驗

07：30平漂探空上升段觀測數(shù)據(jù)代表清晨時刻的溫度廓線，清晨太陽初升，地面升溫較快，數(shù)據(jù)時差對檢驗結(jié)果影響較大，尤其是近地面至850 hPa［30］。由于衛(wèi)星數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)時間差小于3 h，較多匹配數(shù)據(jù)時差大于1 h，造成近地面檢驗結(jié)果誤差偏大。圖1是2021年4月11日07：30南昌站上升段探空數(shù)據(jù)對衛(wèi)星溫度廓線檢驗。由圖1可知，衛(wèi)星廓線與平漂探空上升段溫度數(shù)據(jù)趨勢基本一致（圖1a），800 h Pa 以上誤差較小（圖1c和圖1d），但受日出輻射和局地地形因素影響，近地面溫度誤差略大，最大超過-3.5℃（圖1b和圖1c），平漂探空溫度數(shù)據(jù)與衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)誤差主要集中在-2.0～2.0℃（圖1d）。由表2 各站07：30檢驗結(jié)果可知，除長沙站平均絕對偏差為2.15℃，均方根誤差達(dá)到2.95℃外，其余各站偏差均為1.12～1.51℃，均方根誤差為1.48～1.99℃。各站平均絕對偏差為1.44℃，平均均方根誤差為1.94℃。因此，07：30衛(wèi)星溫度廓線數(shù)據(jù)的總體準(zhǔn)確度較高。

表2 上升段衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗評估結(jié)果Table 2 Inspection and evaluation of satellite data at ascending section

圖1 2021年4月11日07：30南昌站上升段（a）衛(wèi)星與原始探空溫度廓線，（b）衛(wèi)星與稀疏化探空溫度廓線，（c）溫度誤差隨氣壓變化，（d）溫度廓線誤差分布（紅色曲線為擬合線）Fig.1 Ascending section of Nanchang Station at 0730 BT 11 Apr 2021（a）temperature profiles from satellite and original sounding，（b）temperature profiles from satellite and sparse sounding，（c）temperature error varying with air pressure，（d）error distribution of temperature profile（red curve denotes fitting curve）

2.1.2 19：30上升段檢驗

19：30平漂探空上升段溫度廓線代表傍晚時刻的溫度廓線數(shù)據(jù)。圖2是2021 年4 月5日19：30贛州站上升段探空數(shù)據(jù)對衛(wèi)星溫度廓線數(shù)據(jù)的檢驗評估。由圖2可知，19：30的衛(wèi)星數(shù)據(jù)與探空溫度廓線一致性較好（圖2a和圖2b），僅在100 h Pa高度以上和850 hPa附近誤差偏大（圖2c），衛(wèi)星數(shù)據(jù)與探空數(shù)據(jù)溫度誤差較小，總體誤差集中在±1℃（圖2d）。由表2 可知，各站19：30 數(shù)據(jù)的平均絕對偏差、平均均方根誤差較小，分別為1.25℃和1.92℃。與07：30上升段數(shù)據(jù)的檢驗結(jié)果相比，19：30上升段各站數(shù)據(jù)檢驗誤差更小。

圖2 2021年4月5日19：30贛州站上升段（a）衛(wèi)星與原始探空溫度廓線，（b）衛(wèi)星與稀疏化探空溫度廓線，（c）溫度誤差隨氣壓變化曲線，（d）溫度廓線誤差分布（紅色曲線為擬合線）Fig.2 Ascending section of Ganzhou Station at 1930 BT 5 Apr 2021（a）temperature profiles from satellite and original sounding，（b）temperature profiles from satellite and sparse sounding，（c）temperature error varying with air pressure，（d）error distribution of temperature profile（red curve denotes fitting curve）

2.2 利用平漂段數(shù)據(jù)的檢驗評估

由于日間平漂段探測數(shù)據(jù)的太陽輻射訂正尚未完成，衛(wèi)星平流層大氣溫度檢驗僅選取19：30施放的夜間平漂段探測數(shù)據(jù)。19：30平漂段為平流層的夜間持續(xù)觀測，氣球升空后距離放球點較遠(yuǎn)，且無太陽輻射影響，各探空站數(shù)據(jù)差異主要由平漂軌跡和高度決定。圖3是2021年6月11日19：30長沙站平漂段數(shù)據(jù)對衛(wèi)星平流層反演溫度的檢驗評估。由圖3可知，平漂探空溫度與衛(wèi)星反演溫度趨勢基本一致，但衛(wèi)星反演溫度比平漂探空觀測溫度值偏高且誤差符號一致（圖3b和圖3c）。平漂探空數(shù)據(jù)波動明顯，更真實地展示大氣溫度的變化情況，而衛(wèi)星反演的溫度數(shù)據(jù)受分辨率限制，曲線相對平滑，無法反映平流層大氣溫度的細(xì)微變化（圖3a和圖3b）。衛(wèi)星平流層反演溫度誤差多為-4～-1℃（圖3c和圖3d），與溫度廓線相比，誤差偏大。

圖3 2021年6月11日19：30長沙站平漂段（a）衛(wèi)星與原始探空溫度廓線，（b）衛(wèi)星與稀疏化探空溫度廓線，（c）溫度誤差隨時間變化曲線，（d）溫度廓線誤差分布（紅色曲線為擬合線）Fig.3 The horizontal drift section of Changsha Station at 1930 BT 11 June 2021（a）satellite and original sounding temperature profile，（b）satellite and sparse sounding temperature profile，（c）curve of temperature error changing with time，（d）error distribution of temperature profile（red curve denotes fitting curve）

19：30平漂段與衛(wèi)星數(shù)據(jù)匹配249次，各站統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。由表3可知，衛(wèi)星平流層反演溫度的檢驗結(jié)果比溫度廓線略差，各探空站溫度平均絕對偏差為3.93℃，平均均方根誤差為4.10℃。南昌站的檢驗結(jié)果最優(yōu)，溫度平均絕對偏差為3.03℃，均方根誤差為3.20℃；武漢站、宜昌站、贛州站次之，溫度平均絕對偏差為3.24～3.56℃，均方根誤差為3.41～3.72℃；長沙站的數(shù)據(jù)偏差最大，溫度平均絕對偏差達(dá)5.97℃，均方根誤差為6.09℃。由于平漂段氣球飛行的高度非定值，探測高度難以準(zhǔn)確控制在衛(wèi)星規(guī)定氣壓高度，檢驗評估時需將衛(wèi)星規(guī)定氣壓層的溫度插值至平漂探測高度，插值算法誤差為-2～2℃，造成衛(wèi)星平流層反演溫度的檢驗結(jié)果存在一定誤差。

表3 平漂段衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗評估結(jié)果Table 3 Inspection and evaluation of satellite data at horizontal drift section

2.3 利用下降段數(shù)據(jù)檢驗評估

下降段數(shù)據(jù)為平漂結(jié)束、探空儀隨降落傘下落的觀測數(shù)據(jù)，與上升段時間間隔約為6 h。下降段共匹配769次，受平漂距離和接收機(jī)布設(shè)密度影響，下降段數(shù)據(jù)質(zhì)量、終止氣壓因站而異。下降段數(shù)據(jù)的檢驗結(jié)果如表4所示。

2.3.1 13：30下降段檢驗

07：30平漂探空下降段數(shù)據(jù)為13：30廓線，代表探測氣球下落點午后的廓線數(shù)據(jù)。圖4是2021年6月25日13：30武漢站下降段探空數(shù)據(jù)對衛(wèi)星溫度廓線檢驗評估。由圖4可知，下降終止氣壓約為660 hPa，下降段整體溫度曲線趨勢一致，下降段探空數(shù)據(jù)總體比衛(wèi)星溫度廓線數(shù)值偏高（圖4a和圖4b）。溫度數(shù)據(jù)誤差多為0～2℃，但100 hPa以上誤差明顯偏大，（圖4c和圖4d）。由表4中13：30 檢驗結(jié)果可知，平均絕對偏差和均方根誤差因站而異，其中武漢站、長沙站的平均絕對偏差分別為3.67℃和3.26℃，均方根誤差分別為4.43℃和3.79℃，其余各站平均絕對偏差均在1.5℃左右，均方根誤差約為2.0℃。6個探空站的平均絕對偏差、均方根誤差的平均值分別為2.18℃和2.69℃。因此，13：30衛(wèi)星廓線數(shù)據(jù)質(zhì)量相對較高，明顯優(yōu)于平流層溫度探測結(jié)果，但相較于上升段的檢驗評估結(jié)果，誤差略大。

表4 下降段衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗評估結(jié)果Table 4 Inspection and evaluation of satellite data at descending section

圖4 2021年6月25日13：30武漢站下降段（a）衛(wèi)星與原始探空溫度廓線，（b）衛(wèi)星與稀疏化探空溫度廓線，（c）溫度誤差隨氣壓變化曲線，（d）溫度廓線誤差分布（紅色曲線為擬合線）Fig.4 Descending section of Wuhan Station at 1330 BT 25 Jun 2021（a）temperature profiles from satellite and original sounding，（b）temperature profiles from satellite and sparse sounding，（c）temperature error varying with air pressure，（d）error distribution of temperature profile（red curve denotes fitting curve）

2.3.2 01：30下降段檢驗

19：30平漂探空的下降段數(shù)據(jù)為次日01：30廓線，代表探測氣球下落點夜間的溫度廓線數(shù)據(jù)。圖5是2021年4月9日01：30 宜昌站下降段探空數(shù)據(jù)對衛(wèi)星溫度廓線的檢驗評估。由圖5可知，下降段整體溫度曲線趨勢一致，但探空溫度廓線展示更多溫度變化細(xì)節(jié)，而衛(wèi)星廓線相對平滑（圖5a和圖5b）。衛(wèi)星廓線檢驗誤差多為-2～2℃以內(nèi)，在50～200 hPa高度，誤差略大（圖5c和圖5d）。由表4 01：30檢驗結(jié)果可知，01：30衛(wèi)星溫度廓線與探空溫度廓線平均絕對偏差和均方根誤差總體較小，其中武漢站、南昌站平均絕對偏差為2.16℃和3.32℃，均方根誤差為2.73℃和4.30℃，其余各站平均絕對偏差為1.0～1.4℃，均方根誤差為1.30～2.16℃。由于夜間無太陽輻射影響，近地面溫度隨時間變化較小，與13：30 的衛(wèi)星溫度廓線檢驗結(jié)果相比，01：30 衛(wèi)星廓線檢驗結(jié)果相對較好。

圖5 2021年4月9日01：30宜昌站下降段（a）衛(wèi)星與原始探空溫度廓線，（b）衛(wèi)星與稀疏化探空溫度廓線，（c）溫度誤差隨氣壓變化曲線，（d）溫度廓線誤差分布（紅色曲線為擬合線）Fig.5 Descending section of Yichang Station at 0130 BT 9 Apr 2021（a）temperature profiles from satellite and original sounding，（b）temperature profiles from satellite and sparse sounding，（c）temperature error varying with air pressure，（d）error distribution of temperature profile（red curve denotes fitting curve）

2.4 下降段檢驗評估誤差

由表1可知，與上升段相比，下降段數(shù)據(jù)的檢驗評估結(jié)果誤差偏大。其中平均絕對偏差偏大0.59℃，平均均方根誤差偏大0.51℃，存在明顯的系統(tǒng)性誤差。目前，利用氣球攜帶探空儀的上升段探空觀測技術(shù)成熟、數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定，已經(jīng)在試驗和業(yè)務(wù)中得到充分驗證。因此，下降段的誤差來源需進(jìn)一步討論。

影響探空儀溫度探測精度的因子很多，如升速／降速、傳感器元器件的滯后性、天氣系統(tǒng)、輻射訂正等。上升段和下降段主要區(qū)別在于升速和降速的大小，經(jīng)統(tǒng)計，上升段平均升速為340.1 m·s-1，平均最大升速為502.6 m·s-1，平均最小升速為273.0 m·s-1；下降段平均降速為498.1 m·s-1，平均最大降速為871.6 m·s-1，平均最小降速為297.6 m·s-1。下降段速度明顯大于上升段，平均速度為上升段的1.46倍，平均最大速度為上升段的1.73倍，平均最小速度差別較小。上升段的升速相對穩(wěn)定，受垂直氣流影響升速略有波動，基本維持在6～8 m·s-1。下降段受天氣系統(tǒng)、降落傘等原因影響，較多時次探測記錄中探空儀下降速度從外球炸至落地逐漸增大，最大可達(dá)30 m·s-1。因此，受空氣摩擦、溫度傳感器滯后誤差等因素影響，探空儀下降段溫度探測數(shù)據(jù)誤差偏大。與上升段相比，下降段溫度平均絕對偏差和均方根誤差均增大約0.5℃。

2.5 衛(wèi)星廓線誤差

由2.3節(jié)可知，衛(wèi)星溫度廓線數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度總體較高，但不同高度的反演結(jié)果略有不同（表5）。由表5 可知，850 hPa以下（含850 h Pa）和100 h Pa至10 hPa的平均絕對偏差比850 hPa至100 hPa（含100 hPa）分別偏大0.52℃和0.59℃，平均均方根誤差分別偏大0.31℃和0.59℃。由于地面至850 h Pa清晨溫度變化較快，3 h匹配時間對檢驗結(jié)果影響較大，因此，850 hPa以下的檢驗結(jié)果不理想，并非完全由衛(wèi)星數(shù)據(jù)造成。為減小時間偏差對檢驗結(jié)果的影響，利用19：30 上升段廓線對850 hPa 以下的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗，其平均絕對偏差為1.49℃，平均均方根誤差為1.71℃。與850 hPa至100 h Pa的檢驗結(jié)果相比，平均絕對偏差偏大0.33℃，平均均方根誤差偏大0.09℃。

表5 不同高度衛(wèi)星數(shù)據(jù)的檢驗結(jié)果Table 5 Test of satellite data at different altitudes

2.6 云對衛(wèi)星反演溫度的影響分析

衛(wèi)星作為重要的天基遙感設(shè)備，其反演的大氣溫度廓線受云系影響較大［31］。由于長江中下游各站的云觀測數(shù)據(jù)有限，暫時無法開展云對衛(wèi)星反演溫度影響的分析。周毓荃等［32］探討利用探空數(shù)據(jù)分析云的垂直特征的方法，并利用云雷達(dá)觀測數(shù)據(jù)對該方法進(jìn)行驗證，因此可利用探空濕度廓線分析云對檢驗結(jié)果的影響。與此同時，F(xiàn)Y-3D 衛(wèi)星的溫濕廓線數(shù)據(jù)也包含每個像元的云量信息，為云占天空的百分比［33］，范圍為0～100%。由于數(shù)據(jù)中云量為0 和100%的樣本較少，因此本文將云量低于10%記為無云，90%以上記為有云。利用探空濕度廓線云判識算法和FY-3D 衛(wèi)星成像儀云數(shù)據(jù)分析云對衛(wèi)星反演的溫度數(shù)據(jù)的影響，結(jié)果如表6所示。

表6 云對衛(wèi)星反演溫度的影響Table 6 Influence of statistical cloud on satellite inversion temperature

由表6可知，利用探空濕度廓線云判識算法，有云情況下，上升段溫度的平均絕對偏差偏大0.32℃，平均均方根誤差偏大1.31℃；下降段溫度的平均絕對偏差偏大0.35℃，平均均方根誤差偏大0.28℃。由此可見，受云系影響，衛(wèi)星反演溫度的平均絕對偏差增大0.3～0.4℃，云對上升段檢驗結(jié)果的均方根誤差的影響大于下降段。由FY-3D 衛(wèi)星成像儀云數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果（表6）可知，有云情況下，上升段溫度的平均絕對偏差偏大0.3℃，平均均方根誤差偏大1.0℃；下降段溫度的平均絕對偏差和平均均方根誤差均偏大0.5℃，這與探空濕度廓線數(shù)據(jù)云判識算法的結(jié)果區(qū)別不大。

以上兩種方法的統(tǒng)計數(shù)據(jù)均存在計算誤差，主要有以下原因：①文中FY-3D 衛(wèi)星成像儀云數(shù)據(jù)僅包含云量的占比，不能完全確定衛(wèi)星反演的溫度數(shù)據(jù)是否受云影響，且不同類型云的高度、厚度不同，對衛(wèi)星反演的溫度數(shù)據(jù)影響也不同；②探空濕度廓線的云識別方法只能識別廓線是否經(jīng)過云層，由于探空廓線的水平移動距離較遠(yuǎn)，因此與其匹配的衛(wèi)星數(shù)據(jù)未必受云影響；③云的移動速度較快，匹配條件的3 h時差、300 km 距離差對分析結(jié)果有較大影響。

3 結(jié) 論

本文介紹利用平漂探空數(shù)據(jù)檢驗衛(wèi)星數(shù)據(jù)的算法，并實現(xiàn)對衛(wèi)星溫度廓線和平流層反演溫度的檢驗。經(jīng)驗證，算法可實現(xiàn)對衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗，主要結(jié)論如下：

1）FY-3D 衛(wèi)星反演溫度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度總體較高，與平漂探空上升段和下降段數(shù)據(jù)的平均絕對偏差分別為1.34℃和1.93℃，平均均方根誤差分別為1.95℃和2.46℃。

2）由19：30的上升段探空廓線對衛(wèi)星數(shù)據(jù)檢驗的結(jié)果可知，100 hPa以上和850 hPa以下（含850 h Pa）衛(wèi)星反演溫度的平均絕對偏差比850 hPa至100 hPa（含100 hPa）分別偏大0.59℃和0.33℃。

3）由于衛(wèi)星溫度數(shù)據(jù)在100 hPa以上誤差偏大，衛(wèi)星反演平流層的溫度準(zhǔn)確度低于溫度廓線，平均絕對偏差約為3.92℃。

4）與平漂探空數(shù)據(jù)相比，衛(wèi)星反演的大氣溫度分辨率較低、趨勢較平滑，無法顯示大氣溫度垂直分布和平流層溫度水平分布的細(xì)節(jié)特征。由于衛(wèi)星平流層溫度檢驗利用上下兩規(guī)定氣壓層溫度通過插值計算平漂高度的溫度，因此衛(wèi)星平流層溫度檢驗算法誤差為-2～2℃。

5）由探空濕度廓線數(shù)據(jù)云判識算法可知，受大氣中云的影響，衛(wèi)星反演溫度的平均絕對偏差增大0.3～0.4℃。

由于檢驗評估的數(shù)據(jù)存在較多匹配數(shù)據(jù)接近臨界匹配條件，使檢驗結(jié)果存在一定誤差，今后將利用時空匹配度更高的觀測數(shù)據(jù)對衛(wèi)星反演的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗評估。