MWP967KV型地基微波輻射計與探空觀測數據對比分析

王旗++王周翔++于翠紅

摘要 利用MWP967KV型地基微波輻射計反演的氣象要素數據與吉林省長春探空站電子探空數據進行對比，通過相關系數，對比分析了距地高度在0～10 km的58個高度層的溫度、相對濕度、水汽的誤差情況，分析了誤差產生的原因，認為MWP967KV型地基微波輻射計的反演廓線與探空數據在天氣良好的情況下，一致性較高；在雪（雨）天氣下，也能夠很好地表現大氣水汽變化趨勢及量值的時空分布變化；在霾天氣影響下，相關度迅速下降，地基微波輻射計的探測準確性還有待進一步優化與提高。地基微波輻射計的使用還需要在實踐中不斷改進和完善，在指導人工影響天氣作業領域具有很好的應用前景。

關鍵詞 微波輻射計；探空數據；相關性；對比

中圖分類號 P414.5 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）07-0211-03

監測云中積分液態水含量及其變化情況，對于人工影響天氣的研究和作業具有十分重要的意義[1-2]。目前，測量云中積分液態水含量的方法主要有探空觀測和微波輻射計。地基微波輻射計接收到大氣中氣體、云粒子所發射和散射的微波信號，結合云底溫度、高度信息以及天線附近的溫度、濕度和氣壓，使用不同反演算法可以獲得大氣中總水汽量、總液態水量以及溫度、濕度、水汽和液態水的廓線，能夠全天候、全天時工作，彌補常規探測手段的不足，是常規手段的有效補充[3-4]。

目前，東北區域人影中心新裝備的MWP967KV型地基微波多通道微波輻射計于幾個月前剛剛布設完成，其數據準確性、設備的可靠性需要結合大量遙感觀測資料進一步評估驗證。本文利用長春探空站探空資料以及長春觀測場內布設的MWP967KV型微波輻射計反演熱力學廓線進行對比分析，通過相關系數等指標評估微波輻射計反演氣象要素的準確性，并對相關誤差、干擾因子進行分析。

1 數據與方法

1.1 MWP967KV型地基微波輻射計資料

吉林省氣象局在長春市氣象局觀測站于2015年9月布設了中國兵器工業二○六研究所生產的MWP967KV型地基微波輻射計，其基于歷史探空數據獲得的大氣輻射傳輸模型，利用人工神經網絡實現距地高度為0～10 km范圍內大氣溫濕廓線反演，輸出廓線在垂直方向劃分為58層，地表到0.5 km之間的分辨率為50 m，0.5～2.0 km的分辨率為100 m，2～10 km之間的分辨率為250 m。神經網絡法由Stuttgart神經網絡模擬器和歷史無線電探空廓線資料推導得到，采集時間間隔為每3 min一組數據[5-6]。

1.2 探空資料

長春站（54161）探空儀資料采集時間間隔為2 s，即每2 s采集1組數據，每組數據包括溫度、相對濕度、氣壓等數據。電子探空采用傳統的氫氣球攜帶探空儀探測方式，每日探測2次，探測時間分別為北京時間7：15和19：15。

1.3 水汽計算公式

利用探空資料計算水汽密度時，采用如下公式計算[7-8]：

a=0.8×■（1）

式（1）中：ea是實際水汽壓（hPa）；t是氣溫（℃）；α=1/273.15。

由式（1）可推導出公式：

ea=■（2）

2 結果與分析

對比分析了9—12月的微波輻射計與探空資料。根據天氣情況，選取有降雪過程、霧霾以及晴天的12月1日20：00至12月6日20：00這一段時間的數據作為代表，對比溫度、濕度以及水汽的相關性以及平均偏差。長春站12月1—6日的天氣情況如表1所示。

2.1 溫度對比與分析

從12月1—6日的微波輻射計與探空溫度廓線對比圖（圖1）可以看到，微波輻射計的溫度廓線和探空數據結果的相關性都在0.94以上，2條廓線的吻合度較高，且2種設備在晴朗的天氣下，相關性可達到0.99以上，在有降雪的2—3日中，相關性略有下降，在8～10 km的高空誤差較大。

2.2 相對濕度對比與分析

從12月1—6日的微波輻射計與探空相對濕度廓線對比圖（圖2）可以看到，微波輻射計的相對濕度廓線和探空數據結果的相關性在0.4～0.9之間變化，成正相關，變化范圍大。在有降雪及霧霾的天氣情況下，相關系數低于晴天，相關系數的大小受天氣影響劇烈，總體上來說，兩者的偏差值隨著高度的增加而不斷增大。

2.3 水汽對比與分析

從12月1—6日微波輻射計與探空的水汽廓線對比結果（圖3）可以看到，微波輻射計的水汽廓線和探空數據之間成正相關，相關系數在0.70～0.99之間，天氣晴好時，相關系數都在0.96以上，在12月5日20：00開始到6日20：00這段有霾的時間段內，相關性迅速下降。

2.4 誤差分析

探空氣球探測開始時間為北京時間7：15及19：15，采樣時間超過30 min，而微波輻射計的采樣時間<3 min。因此，采用了微波輻射計在7：15—7：45之間以及19：15—19：45之間反演結果的平均值與探空氣球數據作比較，這樣的處理方式會對溫度、相對濕度以及水汽產生不同程度的影響。尤其對于相對濕度來說，在晴雪轉折的天氣，垂直方向的濕度變化比較復雜，兩者的相關性會嚴重下降[9]。

在嚴重霧霾天氣條件下，輻射計觀測反演精度會降低。由于霧霾的存在對輻射計觀測反演產生了一定影響，在這種極端天氣條件下輻射計觀測反演誤差也相應偏大。尤其有嚴重霧霾時伴隨著邊界層強烈的逆溫現象，與正常大氣狀態存在明顯差異，輻射計未能很好地反映出這一極端變化。

3 結論與討論

通過本文的分析結果顯示，微波輻射計與探空數據的溫度、水汽廓線具有很好的正相關關系，在晴天空氣良好條件下兩者一致性較好、誤差小；在降雪或者陰天過程也能夠很好地表現大氣水汽變化趨勢及量值的時空分布變化，溫度廓線誤差也相對較小。由于大氣溫度垂直變化相對不復雜，探空與輻射計一致性較高，而濕度垂直變化較復雜，同時常規探空自身也存在很多不確定性，所以在濕度變化對比中兩者一致性較差。

在精度方面，MWP967KV型地基微波輻射計還需要進一步優化改進；在應用方面，微波輻射計能夠提供同一地點，連續性高時間密度的探空數據，在監測分析天氣系統內部結構的發展變化方面具有很顯著的優勢。未來通過連續監控其垂直廓線的變化情況，能夠及時指揮人工增雨作業，在人工影響天氣領域有很好的應用前景。

4 參考文獻

[1] 劉紅燕，王迎春，王京麗，等.由地基微波輻射計測量得到的北京地區水汽特性的初步分析[J].大氣科學，2009，33（2）：388-396.

[2] 姚作新，呂鳴，賀曉東，等.MP-3000A型地基微波輻射計在烏魯木齊探空站的輔助性探測研究[J].沙漠與綠洲氣象，2011，5（1）：38-43.

[3] 劉曉陽，毛節泰，李成才，等.大氣水汽總量的垂直分解[J].高原氣象，2007，26（3）：453-459.

[4] 王健，呂新生，趙克明，等.地基微波輻射計對烏魯木齊暴雨天氣過程的觀測分析[J].沙漠與綠洲氣象，2012，6（3）：45-49.

[5] 唐仁茂，李德俊，向玉春，等.地基微波輻射計對咸寧一次冰雹天氣過程的監測分析[J].氣象學報，2012，70（4）：806-813.

[6] 雷恒池，魏重，沈志來，等.微波輻射計探測降雨前水汽和云液水[J].應用氣象學報，2001（增刊1）：41-43.

[7] 王黎俊，孫安平，劉彩紅，等.地基微波輻射計探測在黃河上游人工增雨中的應用[J].氣象，2007，33（11）：28-33.

[8] 金德鎮，雷恒池，谷淑芳，等.機載微波輻射計測云中液態含水量[J].氣象學報，2004，62（6）：868-874.

[9] 王波.地基微波輻射計大氣環境遙感研究[D].青島：中國海洋大學，2007.